[發(fā)明專利]在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評(píng)估方法

有效

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• 申請日: 2014-04-01
• 公開（公告）號(hào): CN103940626A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程斌;湯維力
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M99/00
• 分類號(hào): G01M99/00
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及橋梁健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評(píng)估方法。

背景技術(shù)

正交異性鋼橋面板由于結(jié)構(gòu)自重輕、整體效率高、跨越能力強(qiáng)、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大、中跨度橋梁結(jié)構(gòu)中。但是，由于構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、焊接缺陷難控制以及直接承受車輛動(dòng)力作用等原因，正交異性鋼橋面板也是鋼橋結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生疲勞破壞的部位。自1971年英國Severn橋最早發(fā)現(xiàn)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞裂紋以來，德國、法國、日本、美國、荷蘭等國相繼出現(xiàn)了鋼橋面板疲勞開裂的報(bào)道，我國虎門大橋、海滄大橋、江陰大橋等的正交異性鋼橋面板也已經(jīng)檢測到了大量疲勞裂紋。這些裂紋具有許多共性，并且通常出現(xiàn)在縱肋與面板連接焊縫、縱肋與橫隔板連接焊縫、橫隔板與面板連接焊縫、縱肋對(duì)接焊縫等應(yīng)力集中明顯位置。

正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞裂紋之后，毫無疑問其抗疲勞性能將受到較大影響，但也并不表示其完全喪失了結(jié)構(gòu)功能。大量鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)表明，在初始裂紋萌生之后，將出現(xiàn)一個(gè)比較穩(wěn)定的疲勞裂紋三向擴(kuò)展階段，直至結(jié)構(gòu)失效。換言之，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是由裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分組成的。因此，開裂初期的正交異性鋼橋面板可能仍然具有可觀的裂紋擴(kuò)展壽命，這主要取決于這些疲勞裂紋的擴(kuò)展特性（包括擴(kuò)展方向和擴(kuò)展速率）。但目前廣泛用于正交異性鋼橋面板疲勞設(shè)計(jì)或驗(yàn)算的S-N曲線法都是建立在結(jié)構(gòu)不發(fā)生疲勞開裂（即裂紋形成壽命）的基礎(chǔ)上，對(duì)開裂后的裂紋擴(kuò)展壽命則進(jìn)行了選擇性忽略。也正因?yàn)榇耍?dāng)實(shí)際工程中的正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞開裂問題之后，相關(guān)人員無法對(duì)其剩余的裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測和評(píng)估，從而導(dǎo)致盲目采取開設(shè)止裂孔、裂紋填補(bǔ)修復(fù)、裂紋補(bǔ)強(qiáng)加固等措施，這不僅造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，還有可能對(duì)結(jié)構(gòu)帶來二次損傷。但如果對(duì)一些關(guān)鍵位置或尺寸超限的裂紋不加處理，也可能給橋梁結(jié)構(gòu)帶來安全隱患或使用障礙。因此，需要建立一種正交異性鋼橋面板疲勞開裂后的剩余使用壽命評(píng)估方法，一旦正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞裂紋，即可采用該方法對(duì)其剩余使用壽命進(jìn)行快速、準(zhǔn)確評(píng)估，然后結(jié)合橋梁實(shí)際運(yùn)營情況，以確定是否可以不修復(fù)繼續(xù)使用或修復(fù)甚至完全更換之后再使用，并進(jìn)一步對(duì)后續(xù)使用、檢測、維護(hù)等技術(shù)方案做出科學(xué)決策，這對(duì)于確保橋梁在設(shè)計(jì)期限內(nèi)正常運(yùn)營具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評(píng)估方法，該方法理論可靠、邏輯清楚、檢測手段、計(jì)算方法簡單，可以在橋梁正常運(yùn)營環(huán)境下，對(duì)正交異性鋼橋面板發(fā)生疲勞開裂后的剩余使用壽命進(jìn)行評(píng)估，為橋梁管理人員的方案決策提供參考，確保橋梁處于可查、可控的安全運(yùn)營狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評(píng)估方法，該方法在裂紋尺寸檢測和應(yīng)變監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用線彈性斷裂力學(xué)方法對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞開裂后的剩余使用壽命進(jìn)行評(píng)估，包括以下步驟：

（1）采用無損檢測技術(shù)測得每條裂紋的實(shí)際長度a₀；

（2）采用應(yīng)變傳感器對(duì)裂紋兩側(cè)的實(shí)際應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測；

（3）獲得每條裂紋的應(yīng)力歷程數(shù)據(jù)；

（4）根據(jù)雨流法和Miner累計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算每條裂紋的日平均等效應(yīng)力幅Δσ_eq和日平均等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N_eq；

（5）基于剛度、強(qiáng)度準(zhǔn)則，并結(jié)合實(shí)際情況確定每條裂紋的允許極限長度a_c；

（6）基于Paris公式計(jì)算每條裂紋的擴(kuò)展壽命N_c和D_c；

（7）取所有裂紋D_c的最小值作為鋼橋面板的剩余疲勞壽命D_c,min。

優(yōu)選地，所述步驟（1）中，采用無損檢測技術(shù)是采用超聲波無損檢測技術(shù)或斷裂線組件自動(dòng)監(jiān)測裝置，針對(duì)正交異性鋼橋面板所有可能開裂部位進(jìn)行檢測，得到各條裂紋的實(shí)際長度a₀。

優(yōu)選地，所述步驟（2）中，采用應(yīng)變傳感器對(duì)垂直于裂紋方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到相應(yīng)的應(yīng)變歷程數(shù)據(jù)。

更優(yōu)選地，所述步驟（2）中，應(yīng)變傳感器均勻布置在已有裂紋兩側(cè)，當(dāng)裂紋其中一側(cè)緊鄰焊縫時(shí)，則只布置在另外一側(cè)。

更優(yōu)選地，所述步驟（2）中，應(yīng)變傳感器沿裂紋長度方向布置的數(shù)量和間距可根據(jù)測量精度要求進(jìn)行調(diào)整，但數(shù)量不少于3個(gè)，即應(yīng)保證裂紋尖端和裂紋中部各有1個(gè)傳感器。