服役載荷作用下的鋼橋疲勞損傷預(yù)后分析方法.pdf

1、隨著世界各地大跨橋梁的相繼建成，結(jié)構(gòu)在運營期內(nèi)的狀態(tài)評估成為當(dāng)前橋梁工程領(lǐng)域的研究熱點。大跨橋梁在服役過程中承受的載荷類型具有多樣性，由此帶來橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)計算與疲勞損傷累積狀態(tài)評估的復(fù)雜化，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全，需要對結(jié)構(gòu)進行連續(xù)的疲勞狀態(tài)評估，通過對橋梁在當(dāng)前服役載荷作用下現(xiàn)有疲勞損傷狀態(tài)的認知來識別潛在的疲勞損傷和預(yù)測其未來可能發(fā)生的損傷演化過程，即進行橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷預(yù)后，為橋梁運營過程中損傷的及早檢測和修復(fù)提供依據(jù)。近年來

2、，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(Structural Health Monitoring System-SHMS)開始廣泛應(yīng)用于重要的橋梁工程，以對結(jié)構(gòu)運營過程中承受的各類載荷及其引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行實時監(jiān)測。如何最大程度地利用這些監(jiān)測信息和有限元模擬分析對結(jié)構(gòu)進行疲勞損傷預(yù)后是目前亟待解決的問題。
　　本文在總結(jié)結(jié)合SHMS監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元模擬的疲勞損傷預(yù)后分析方法的基礎(chǔ)上，從潤揚斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測信息及其服役載荷因素分析出發(fā)，利用有限元

3、方法計算了潤揚斜拉橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)在各類服役載荷作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型和疲勞裂紋擴展模型比較分析不同載荷組合工況下的疲勞損傷累積和疲勞裂紋擴展過程，揭示了不同類型服役載荷對結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積的影響規(guī)律。最后，在預(yù)估橋梁未來服役期內(nèi)主要服役載荷發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了橋梁疲勞損傷預(yù)后分析。完成的研究工作和主要成果如下:
　　1)通過對實測的潤揚斜拉橋正常運營環(huán)境下結(jié)構(gòu)應(yīng)變時程分析可知，鋼箱梁監(jiān)測的應(yīng)變響

4、應(yīng)主要由環(huán)境溫度變化引起的低頻響應(yīng)和交通車輛引起的小振幅高頻響應(yīng)疊加而成，兩者分屬不同時間尺度內(nèi)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，前者決定了對疲勞損傷累積有一定影響的平均應(yīng)力的水平，而后者決定了對疲勞損傷累積有決定性作用的應(yīng)力幅的取值。
　　2)利用基于子模型技術(shù)的有限元模型，計算了不同類型服役載荷引起的鋼箱梁結(jié)構(gòu)整體和局部動力響應(yīng)。針對橋面板疲勞關(guān)鍵位置，利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型分別考察其在正常運營環(huán)境和突發(fā)性事故兩種工況中各類載荷共同作用下的結(jié)

5、構(gòu)疲勞損傷累積規(guī)律。結(jié)果表明:在正常運營環(huán)境下，交通載荷是引起結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積的主要因素。環(huán)境溫度變化單獨作用引起的疲勞損傷值較小，與交通載荷相比幾乎可以忽略。但是交通載荷與環(huán)境溫度變化共同作用時，環(huán)境變溫載荷的存在會放大交通載荷引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷，且此放大作用亦隨著服役期的推移逐漸累積。在突發(fā)性工況下，瞬間的過載會引起結(jié)構(gòu)疲勞壽命的縮減，且較早發(fā)生的過載對橋梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響較大。
　　3)利用子模型方法和斷裂力學(xué)的疲勞裂紋擴

6、展理論實現(xiàn)疲勞裂紋擴展的模擬分析。通過比較分析不同載荷工況下橋梁結(jié)構(gòu)初始表面裂紋的擴展過程發(fā)現(xiàn)，較大尺寸的裂紋對溫度變化較為敏感，突發(fā)性過載引起的細小疲勞裂紋的瞬間放大會導(dǎo)致后期疲勞裂紋以較快地速率擴展，且越早發(fā)生的突發(fā)性過載對疲勞裂紋擴展壽命的影響越明顯。
　　4)針對橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前的服役載荷和未來可能發(fā)生的主要載荷的發(fā)展趨勢，對服役載荷作用下的鋼箱梁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵細節(jié)部位的疲勞損傷累積過程進行了預(yù)后分析。結(jié)果表明:未來交通流量的增

7、長會顯著加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積，而氣候變暖引起的環(huán)境變溫載荷的更新在疲勞損傷預(yù)后分析中可以忽略。多次突發(fā)性過載會導(dǎo)致鋼箱梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命的大幅度縮減，早期的過載經(jīng)歷會增加后期過載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞破壞的風(fēng)險性，故對在役橋梁歷史服役載荷及其引起的結(jié)構(gòu)當(dāng)前損傷狀態(tài)的認知對結(jié)構(gòu)疲勞損傷預(yù)后具有十分重要的意義。
　　5)針對斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)件拉索的疲勞壽命預(yù)后問題，利用概率可靠度理論分析了所有拉索的疲勞可靠性和關(guān)鍵拉索表面裂紋擴展引起的疲勞可靠性