一種鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，針對(duì)公路橋梁系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛、疲勞開裂病害突出的鋼橋，首先通過有限元建立整橋模型和局部區(qū)域帶裂紋子模型，根據(jù)車輛等隨機(jī)變量的定義、抽樣獲得在役橋梁荷載，基于整橋有限元分析和子模型技術(shù)獲得子模型的邊界條件；然后采用局部網(wǎng)格重劃分自主更新子模型，進(jìn)行裂紋擴(kuò)展有限元分析；提取應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，計(jì)算平均裂紋擴(kuò)展速率、平均裂紋擴(kuò)展角、各裂紋擴(kuò)展步的循環(huán)次數(shù)計(jì)算、單車引起應(yīng)力強(qiáng)度因子幅平均次數(shù)統(tǒng)計(jì)和疲勞壽命；最終實(shí)現(xiàn)鋼橋疲勞開裂的模擬和疲勞壽命評(píng)估，并用于指導(dǎo)后續(xù)的維護(hù)加固工作。
【專利說明】
一種鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展模擬和疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域，涉及一種鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋 擴(kuò)展評(píng)估計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼橋在其長(zhǎng)達(dá)百年的使用周期內(nèi)，由于每天上萬次的車輛荷載作用等的疲勞效 應(yīng)、材料老化和環(huán)境侵蝕等因素，將不可避免地出現(xiàn)損傷累積、抗力衰減，在較低的應(yīng)力水 平下即會(huì)引發(fā)疲勞損傷。而這種漸次出現(xiàn)的損傷往往具有隱蔽性，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果；當(dāng)結(jié) 構(gòu)內(nèi)部的損傷累積到一定的閥值時(shí)，往往就會(huì)引發(fā)災(zāi)難性事故。因此，疲勞損傷、裂紋擴(kuò)展 是鋼橋細(xì)節(jié)的典型破壞模式之一，疲勞裂紋(縫)的萌生和擴(kuò)展不僅影響到結(jié)構(gòu)的安全，也 引發(fā)了大量的后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。然而，由于在役橋的荷載環(huán)境的隨機(jī)性大、裂紋擴(kuò)展的局部性 能和整橋效應(yīng)的交互作用以及復(fù)合裂紋擴(kuò)展模擬的復(fù)雜性，目前針對(duì)于在役鋼橋細(xì)節(jié)復(fù)合 疲勞裂紋擴(kuò)展的評(píng)估方法鮮有報(bào)導(dǎo)。已有的裂紋及其擴(kuò)展分析集中于構(gòu)件或試件忽略了局 部和整體的交互關(guān)系，且多數(shù)采用恒幅荷載未能考慮橋梁實(shí)際荷載大小以及隨機(jī)性，難以 準(zhǔn)確模擬實(shí)際鋼橋細(xì)節(jié)在役時(shí)的疲勞和裂紋擴(kuò)展性能。
[0003] 由于實(shí)際結(jié)構(gòu)和邊界條件的復(fù)雜性，試驗(yàn)和理論分析不能很好研究在役橋梁細(xì)節(jié) 的復(fù)雜裂紋擴(kuò)展。隨著有限元方法在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，人們自然地將有限元法和裂 紋擴(kuò)展分析聯(lián)系在一起，從而形成了模擬裂紋擴(kuò)展的有限元法;然而，由于裂尖的奇異性 (拓?fù)洳贿B續(xù)）、結(jié)構(gòu)幾何復(fù)雜性、裂紋自主擴(kuò)展多維性、整體與局部交互性、荷載的隨機(jī)性 等因素，因此裂紋擴(kuò)展分析存在較大難度和特殊性。本發(fā)明即針對(duì)上述問題展開并建立一 套分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題:為了彌補(bǔ)在役鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法的空白，本發(fā)明提供了 一種全面、準(zhǔn)確、高效的鋼橋細(xì)芐基于在役隨機(jī)荷載考慮整體影響的疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方 法，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)環(huán)境下鋼橋細(xì)節(jié)裂紋的自主擴(kuò)展模擬和疲勞壽命的預(yù)測(cè)，從而為后續(xù)的橋 梁維護(hù)、加固工作提供指導(dǎo)。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明的鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，包括以下步驟：
[0006] 第一步:按照橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，建立3維有限元整橋模型和細(xì)節(jié)區(qū)域帶初始裂紋 的實(shí)體子模型，同時(shí)設(shè)置裂紋初始長(zhǎng)度、裂紋臨界長(zhǎng)度L。、裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編 號(hào)、裂紋擴(kuò)展增量和裂紋擴(kuò)展角；
[0007] 第二步:按照車輛隨機(jī)荷載變量的概率分布特征，米用抽樣函數(shù)生成隨機(jī)變量樣 本；
[0008] 第三步:將所述第二步得到的隨機(jī)變量樣本輸入整橋模型，對(duì)于每一組隨機(jī)變量 樣本進(jìn)行車輛荷載經(jīng)過整橋的有限元分析，從整橋模型中提取各組隨機(jī)變量樣本下實(shí)體子 模型對(duì)應(yīng)的邊界條件時(shí)程；
[0009] 第四步:將所述裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂紋擴(kuò)展增量和裂紋擴(kuò)展角輸 入實(shí)體子模型，得到擴(kuò)展后的裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，進(jìn)行局部區(qū)域網(wǎng)格重劃分和裂紋的更新；以 當(dāng)前裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)更新當(dāng)前裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，以所述擴(kuò)展后裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)更當(dāng)前裂尖 關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào);實(shí)體子模型根據(jù)隨機(jī)變量樣本對(duì)應(yīng)的邊界條件時(shí)程提取應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程；
[0010] 第五步:根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程計(jì)算當(dāng)前裂紋長(zhǎng)度下各組隨機(jī)變量樣本下的所有 應(yīng)力強(qiáng)度因子幅、應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的數(shù)量、平均裂紋擴(kuò)展速率、平均裂紋擴(kuò)展角；
[0011] 第六步:根據(jù)所述裂紋擴(kuò)展增量△ L計(jì)算擴(kuò)展后裂紋長(zhǎng)度L，如果L〈L。，則返回第四 步，否則，進(jìn)入第七步；
[0012] 第七步:根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅、平均裂紋擴(kuò)展速率、平均裂紋擴(kuò)展角，計(jì)算各裂紋 長(zhǎng)度下裂紋擴(kuò)展所需循環(huán)次數(shù)，然后根據(jù)下式計(jì)算鋼橋細(xì)節(jié)疲勞壽命T:
[0013]
[0014] 其中，N是擴(kuò)展到裂紋臨界長(zhǎng)度的總循環(huán)次數(shù)，ADV是日平均車流量，if是單個(gè)車 輛經(jīng)過時(shí)所引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的平均數(shù)量。
[0015] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟一中，整橋模型中的鋼箱梁采用分層殼單元模 擬，橋塔采用梁?jiǎn)卧M，拉索采用只受拉不承壓的桿單元模擬，并通過耦合單元節(jié)點(diǎn)位移 建立與橋塔連接部位的接觸關(guān)系;所述實(shí)體子模型中采用實(shí)體單元模擬，根據(jù)各材料的彈 模和泊松比定義線彈性材料本構(gòu)關(guān)系并分別賦予整橋模型和實(shí)體子模型中相應(yīng)單元。
[0016] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟二中的抽樣方法是截?cái)嗬〕⒎襟w抽樣、重 要性抽樣或蒙特卡洛抽樣。
[0017] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟三中，邊界條件時(shí)程采用子模型技術(shù)獲取。
[0018] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟七中，根據(jù)下式計(jì)算平均裂紋擴(kuò)展角孑r
[0019]
[0020] 其中，i是隨機(jī)變量樣本組，
?第i組隨機(jī)變量樣本作用時(shí)的裂紋擴(kuò)展速 率，采用帕里斯公式計(jì)算J1是第i組隨機(jī)變量樣本作用時(shí)的裂紋擴(kuò)展角，采用最大應(yīng)變能 密度因子準(zhǔn)則計(jì)算，η為抽樣次數(shù)。
[0021] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟二中，隨機(jī)變量樣本包括車型、軸重、軸距、車 道、各車型車道分布比例和溫度。
[0022] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，步驟一中，為了提高計(jì)算效率，整橋3維有限元模型中 正交異性橋面板可采賦予正交異性的殼單元模擬，而所研究區(qū)域附近的橋面板根據(jù)實(shí)際建 模并采用實(shí)際彈模和泊松比；細(xì)節(jié)區(qū)域帶裂紋的實(shí)體子模型的初始裂紋長(zhǎng)度Lo可由現(xiàn)場(chǎng)檢 測(cè)獲得或采用一般宏觀裂紋起始長(zhǎng)度設(shè)定為〇. 1mm。
[0023] 材料本構(gòu)為一般的線彈性本構(gòu);橋端與橋墩的接觸能保證橋能順橋自由，橫橋向 受約束;主梁與橋塔或橋墩具有相同的橫橋和豎向位移且順橋向能夠模擬支座的效果。 [0024]步驟二中，車輛等隨機(jī)荷載變量是通過收費(fèi)站車輛相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)獲得軸重、軸距、 軸數(shù)、車道、溫度等正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)隨機(jī)變量，并通過截?cái)嗬〕⒎襟w抽樣獲得隨機(jī)變量 樣本。
[0025]步驟三中，由整橋模型分析獲得子模型的邊界條件采用的是通過子模型技術(shù)。 [0026]步驟四中，子模型局部網(wǎng)格重劃分可保證子模型邊界節(jié)點(diǎn)編號(hào)不變，實(shí)現(xiàn)邊界條 件的傳遞，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格更新、裂紋擴(kuò)展。
[0027] 步驟五中，平均裂紋擴(kuò)展速率是各應(yīng)力強(qiáng)度因子幅所對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率和的平 均值，平均裂紋擴(kuò)展角是各應(yīng)力強(qiáng)度因子幅所對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率和由其相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展 角之積與裂紋擴(kuò)展速率之和的比值。
[0028] 步驟六中，裂紋擴(kuò)展后的長(zhǎng)度L等于Lo與q· AL的和，其中，q是當(dāng)前裂紋擴(kuò)展步 數(shù)。
[0029] 步驟七中，計(jì)算各裂紋擴(kuò)展步所需循環(huán)次數(shù)，求和得到擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度所需的總 循環(huán)次數(shù)，統(tǒng)計(jì)單車經(jīng)過時(shí)引起應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的平均數(shù)量，根據(jù)日平均車流量計(jì)算疲勞 壽命。
[0030] 本發(fā)明用于模擬鋼橋細(xì)節(jié)在車輛等在役荷載環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展，準(zhǔn)確分析疲 勞裂紋擴(kuò)展特性并進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，為評(píng)估鋼橋狀態(tài)和安排檢測(cè)、維護(hù)及加固節(jié)點(diǎn)提供 合理有效的參考。
[0031] 有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0032] 現(xiàn)有技術(shù)大都以局部區(qū)域模型進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析時(shí)邊界條件不可靠；本申請(qǐng)的 "鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法"采用子模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)子模型的邊界條件由整橋模型分 析獲得，不僅保證了邊界條件的可靠性，而且可以考慮在役荷載下橋梁實(shí)際裂紋的擴(kuò)展和 裂紋擴(kuò)展中整體結(jié)構(gòu)性能對(duì)局部效應(yīng)的作用?，F(xiàn)有基于二次開發(fā)或嵌入式裂紋擴(kuò)展程序進(jìn) 行裂紋擴(kuò)展分析，往往需要在兩個(gè)不同軟件中建立整體模型和裂紋擴(kuò)展模型或接口程序?qū)?現(xiàn)數(shù)據(jù)交換;本申請(qǐng)的"鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法"兩個(gè)模型只需一款軟件建模，不 存在軟件間的數(shù)據(jù)交換，有效提升計(jì)算效率。
[0033] 現(xiàn)有技術(shù)中構(gòu)件必須綴合成份板、角鋼和鉚釘形式，形式簡(jiǎn)單而且固定，不利于運(yùn) 用;本申請(qǐng)的"鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法"中應(yīng)力強(qiáng)度因子是直接獲得，且不存在構(gòu) 件形狀的限制，具有廣泛的運(yùn)用前景?，F(xiàn)有技術(shù)大都預(yù)設(shè)裂紋擴(kuò)展路徑，未能比較實(shí)現(xiàn)裂紋 自主擴(kuò)展模擬;本申請(qǐng)的"鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法"采用最大應(yīng)變能密度因子準(zhǔn)則 和網(wǎng)格劃分更新實(shí)現(xiàn)了裂紋自主擴(kuò)展的模擬，可以預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展路徑。本申請(qǐng)的"鋼橋細(xì)節(jié) 疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法"中整體模型中大部分采用正交異性單元而研究部位根據(jù)實(shí)際建模 既可以保證所需的精度又提高了分析效率。現(xiàn)有抽樣過程往忽視了變量的實(shí)際值域方法； 本申請(qǐng)的"鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法"中采用截?cái)嗬〕⒎匠闃樱拗瞥闃訑?shù)據(jù)分 布于符合實(shí)際情況的數(shù)據(jù)，保證了抽樣數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性;本申請(qǐng)的"鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂 紋擴(kuò)展評(píng)估方法"中通過有限元模型的自動(dòng)更新實(shí)現(xiàn)了裂紋的擴(kuò)展的模擬，可反演或預(yù)測(cè) 疲勞裂紋發(fā)展的過程;所有分析過程通過編程實(shí)現(xiàn)，具有準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)，其結(jié)果為鋼橋 的安全評(píng)價(jià)、維護(hù)加固策略的制訂提供了依據(jù)。
【附圖說明】
[0034]圖1為典型的鋼橋箱梁橫截面；
[0035] 圖2為典型的大跨斜拉橋輪廓圖；
[0036] 圖3為細(xì)節(jié)區(qū)域的軸側(cè)圖；
[0037] 圖4為細(xì)節(jié)區(qū)域帶裂紋實(shí)體子模型圖；
[0038] 圖5 (a)為車型4的軸重AW41的概率分布；
[0039] 圖5(b)為車型4的軸重AW42的概率分布；
[0040] 圖5(c)為車型4的軸重AW43和AW44的概率分布；
[0041] 圖6為日平均溫度；
[0042] 圖7(a)為單車經(jīng)過典型細(xì)節(jié)時(shí)裂尖張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子K1時(shí)程；
[0043] 圖7(b)為單車經(jīng)過典型細(xì)節(jié)時(shí)裂尖剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn時(shí)程；
[0044] 圖7(c)為單車經(jīng)過典型細(xì)節(jié)時(shí)裂尖撕裂型應(yīng)力強(qiáng)度因子Km時(shí)程；
[0045]圖8為應(yīng)力強(qiáng)度因子循環(huán)次數(shù)計(jì)算結(jié)果；
[0046] 圖9為鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法的數(shù)據(jù)流向；
[0047] 圖10為三種細(xì)節(jié)裂紋的壽命-裂紋長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0049] 第一步:按照鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，建立鋼箱梁斜拉橋的空間有限元計(jì)算模型，橋的 跨度為175.4+406+175.4m，箱梁中心線處高3.0m，橋面帶風(fēng)嘴的寬度為18.7m，如圖1和圖2 所示。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)均采用Q345D鋼，塔柱及橫梁混凝土標(biāo)號(hào)為C50,斜拉索為平行鋼絞線 拉索。鋼箱梁采用殼單元模擬，其中頂板采用雙層殼單元以分別模擬橋面板和鋪裝層。為減 少單元數(shù)量，整橋模型大部分箱梁的橋面板和底板采用一層無 U型肋等效正交各向異性板 模擬，單元尺寸為〇.3m(橫向）X 1.5m(縱向）。為精確地獲得橋面板的應(yīng)力，對(duì)跨中部分的單 元進(jìn)行了兩次細(xì)化。第一次細(xì)化是針對(duì)離跨中不超過50.5m的橋面板，U型肋用0.3m(橫向） X0.35m(縱向）的單元模擬;第二次細(xì)化在跨中3m箱梁段范圍內(nèi)，單元尺寸為0.033m(橫向） X0.039m(縱向）。橋塔采用6自由度三維等參梁?jiǎn)卧狟eam4模擬，拉索采用3自由度的只受拉 不受壓的彈性桿單元LinklO模擬。拉索平衡狀態(tài)的應(yīng)力通過初應(yīng)變輸入，彈性模量和泊松 比嚴(yán)格按設(shè)計(jì)賦予相應(yīng)的單元。鋼箱梁與橋塔之間通過耦合部分節(jié)點(diǎn)的橫向位移模擬兩者 之間的相互作用。
[0050] 以整橋模型為基礎(chǔ)，確定細(xì)節(jié)區(qū)域的位置，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和裂紋初始長(zhǎng)度，采用 SoIidl85單元建立細(xì)節(jié)區(qū)域帶初始裂紋的實(shí)體子模型，控制裂紋附近的單元尺寸為 0.01mm，如圖3和圖4所示。根據(jù)建模結(jié)果設(shè)置裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)和裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，設(shè)置裂紋 增量為〇°、裂紋擴(kuò)展增量2_以及裂紋臨界長(zhǎng)度為20_或?qū)嶋H檢測(cè)中裂紋的長(zhǎng)度值。
[00511第二步:按照車輛隨機(jī)荷載變量，如車型、軸重、軸距、車道、各車型車道分布比例 以及溫度各自的概率分布采用截?cái)嗬〕⒎匠闃臃椒ǔ闃荧@得η組隨機(jī)變量樣本。其中， η是抽樣次數(shù)，推薦不小于500;圖5所示為車型4的軸重概率分布;圖6為日平均溫度分布。 [0052]第三步:將所述第二步得到的隨機(jī)變量樣本輸入整橋模型，對(duì)于每一組隨機(jī)變量 樣本進(jìn)行具有24荷載子步的整橋的有限元分析，以模擬車輛荷載經(jīng)過橋梁的過程；由子模 型技術(shù)從整橋模型分析結(jié)果中提取各組隨機(jī)變量樣本下的實(shí)體子模型對(duì)應(yīng)的邊界條件時(shí) 程。
[0053] 第四步:將所述裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂紋擴(kuò)展增量和裂紋擴(kuò)展角輸 入實(shí)體子模型;通過裂尖關(guān)鍵點(diǎn)定位裂尖位置;建立裂尖為原點(diǎn)、裂后關(guān)鍵點(diǎn)到裂尖關(guān)鍵點(diǎn) 為X軸正方向的局部正交坐標(biāo)系;在局部坐標(biāo)系以原點(diǎn)、裂紋擴(kuò)展增量和裂紋擴(kuò)展角確定擴(kuò) 展后裂尖位置，生成擴(kuò)展后裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào);刪除所述第二步的子模型的局部區(qū)域網(wǎng)格，局 部網(wǎng)格重新建模并劃分網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)子模型更新；以當(dāng)前裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)更新當(dāng)前裂后關(guān)鍵 點(diǎn)編號(hào)，以所述擴(kuò)展后裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)更新當(dāng)前裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)；實(shí)體子模型根據(jù)隨機(jī)變 量樣本對(duì)應(yīng)的邊界條件時(shí)程進(jìn)行有限元分析，提取應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程。
[0054] 第五步:采用雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)所述應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程(如圖7所示)進(jìn)行分析，獲得 當(dāng)前裂紋長(zhǎng)度在各組隨機(jī)變量樣本作用下的所有應(yīng)力強(qiáng)度因子幅、應(yīng)力強(qiáng)度因支幅的數(shù) 量，繼而可得平均裂紋擴(kuò)展速率和平均裂紋擴(kuò)展角。
[0055] 其中，裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算采用的Paris公式，如式（1)所示;平均裂紋擴(kuò)展速率的計(jì) 算方法，如公式⑵所示;平均裂紋擴(kuò)展角L如公式(3)所示。
[0056]
(1)
[0057] 式中，#表示裂紋擴(kuò)展速率，N為循環(huán)次數(shù)，C和m是斷裂參數(shù)，AKeff是考慮混合模 oTV 式開裂效應(yīng)的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅如下式：
[0058]
[0059]其中，Δ Κι、Δ KiI和AKm分別是張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅、剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅 和撕裂型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，V為泊松比。
[0_
(2)
[0061] 其中
是平均裂紋擴(kuò)展速率;η是樣本i
蓋第1組隨機(jī)變量樣本作用 時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率。
[0062]
(3)
[0063] 其中，i是隨機(jī)變量樣本組號(hào)J1是第i組隨機(jī)變量樣本作用時(shí)的裂紋擴(kuò)展角，采用 最大應(yīng)變能密度因子準(zhǔn)則計(jì)算，η為抽樣次數(shù)。
[0064]第六步:根據(jù)所述裂紋擴(kuò)展增量△ L計(jì)算擴(kuò)展后裂紋長(zhǎng)度L;對(duì)擴(kuò)展后裂紋長(zhǎng)度L進(jìn) 行判斷，如果L小于裂紋臨界長(zhǎng)度L。則返回第四步，否則，進(jìn)入第七步。
[0065] 其中，裂紋臨界長(zhǎng)度L如公式(4)所示：
[0066] L = Lo+p· AL (4)
[0067] 其中，Lo是初始裂紋長(zhǎng)度;p是裂紋擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度時(shí)的擴(kuò)展步值，即總裂紋擴(kuò)展 步值。
[0068] 第七步:根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅、平均裂紋擴(kuò)展速率、平均裂紋擴(kuò)展角，計(jì)算各裂紋 長(zhǎng)度下裂紋擴(kuò)展所需循環(huán)次數(shù)，繼而獲得鋼橋細(xì)節(jié)疲勞壽命，如公式(5)和(6)所示。
[0069]
(為
[0070]其中，q是當(dāng)前裂紋擴(kuò)展步值；AL是裂紋擴(kuò)展增量；
是裂紋擴(kuò)展步q時(shí)的平 均裂紋擴(kuò)展速率。
[0071]
(6)
[0072] 其中，T是疲勞壽命;N是擴(kuò)展到裂紋臨界長(zhǎng)度的總循環(huán)次數(shù);ADV是日平均車流量； 瓦是單個(gè)車輛經(jīng)過時(shí)所引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的平均數(shù)量，由各裂紋長(zhǎng)度下裂紋擴(kuò)展所 需循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)獲得，結(jié)果如圖8所示。
[0073] 上述鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法的數(shù)據(jù)流向如圖9所示。根據(jù)上述流程對(duì)頂 板對(duì)接焊縫、頂板-U肋焊縫和U肋對(duì)接焊縫三種疲勞鋼橋細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算，其壽 命與裂紋長(zhǎng)度計(jì)算關(guān)系如圖10所示。由此可知，這3種裂紋中頂板-U肋角焊縫抗疲勞能力最 差，頂板對(duì)接焊縫其次。根據(jù)壽命和裂紋計(jì)算長(zhǎng)度的關(guān)系以及裂紋擴(kuò)展路徑的預(yù)測(cè)，可合理 地安排鋼橋的檢測(cè)時(shí)間和重點(diǎn)檢查部位，能夠?yàn)榭刂其摌虻钠诹鸭y擴(kuò)展以及今后的裂紋 修復(fù)和加固提供參考。
[0074] 上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對(duì)本發(fā)明 權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 第一步:按照橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，建立3維有限元整橋模型和細(xì)節(jié)區(qū)域帶初始裂紋的實(shí) 體子模型，同時(shí)設(shè)置裂紋初始長(zhǎng)度、裂紋臨界長(zhǎng)度L。、裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂 紋擴(kuò)展增量和裂紋擴(kuò)展角； 第二步:按照車輛隨機(jī)荷載變量的概率分布特征，采用抽樣函數(shù)生成隨機(jī)變量樣本； 第三步:將所述第二步得到的隨機(jī)變量樣本輸入整橋模型，對(duì)于每一組隨機(jī)變量樣本 進(jìn)行車輛荷載經(jīng)過整橋的有限元分析，從整橋模型中提取各組隨機(jī)變量樣本下實(shí)體子模型 對(duì)應(yīng)的邊界條件時(shí)程； 第四步:將所述裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)、裂紋擴(kuò)展增量和裂紋擴(kuò)展角輸入實(shí) 體子模型，得到擴(kuò)展后的裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，進(jìn)行局部區(qū)域網(wǎng)格重劃分和裂紋的更新； 以當(dāng)前裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)更新當(dāng)前裂后關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，以所述擴(kuò)展后的裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)更 當(dāng)前裂尖關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)； 實(shí)體子模型根據(jù)隨機(jī)變量樣本對(duì)應(yīng)的邊界條件時(shí)程提取應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程； 第五步:根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程計(jì)算當(dāng)前裂紋長(zhǎng)度下各組隨機(jī)變量樣本下的所有應(yīng)力 強(qiáng)度因子幅、應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的數(shù)量、平均裂紋擴(kuò)展速率、平均裂紋擴(kuò)展角； 第六步:根據(jù)所述裂紋擴(kuò)展增量A L計(jì)算擴(kuò)展后裂紋長(zhǎng)度L，如果L〈L。，則返回第四步，否 貝1J，進(jìn)入第七步； 第七步:根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅、平均裂紋擴(kuò)展速率、平均裂紋擴(kuò)展角，計(jì)算各裂紋長(zhǎng)度 下裂紋擴(kuò)展所需循環(huán)次數(shù)，然后根據(jù)下式計(jì)算鋼橋細(xì)節(jié)疲勞壽命T:其中，N是所有裂紋長(zhǎng)度下擴(kuò)展到裂紋臨界長(zhǎng)度的總循環(huán)次數(shù)，ADV是日平均車流量，^ 是單個(gè)車輛經(jīng)過時(shí)所引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的平均數(shù)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，其特征在于，所述步驟一 中，整橋模型中的鋼箱梁采用分層殼單元模擬，橋塔采用梁?jiǎn)卧M，拉索采用只受拉不承 壓的桿單元模擬，并通過耦合單元節(jié)點(diǎn)位移建立與橋塔連接部位的接觸關(guān)系； 所述實(shí)體子模型中采用實(shí)體單元模擬，根據(jù)各材料的彈模和泊松比定義線彈性材料本 構(gòu)關(guān)系并分別賦予整橋模型和實(shí)體子模型中相應(yīng)單元。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，其特征在于，所述步驟二中 的抽樣方法是截?cái)嗬〕⒎襟w抽樣、重要性抽樣或蒙特卡洛抽樣。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，其特征在于，所述步 驟三中，邊界條件時(shí)程采用子模型技術(shù)獲取。5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，其特征在于，所述步 驟七中，根據(jù)下式計(jì)算平均裂紋擴(kuò)展角0 :其中，i是隨機(jī)變量樣本組號(hào)，是第i組隨機(jī)變量樣本作用時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率，采 用帕里斯公式計(jì)算；I是第i組隨機(jī)變量樣本作用時(shí)的裂紋擴(kuò)展角，采用最大應(yīng)變能密度因 子準(zhǔn)則計(jì)算，n為抽樣次數(shù)。6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的鋼橋細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估方法，其特征在于，所述步 驟二中，隨機(jī)變量樣本包括車型、軸重、軸距、車道、各車型車道分布比例和溫度。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106055784SQ201610369649
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】郭彤, 劉中祥, 劉杰, 柴舜
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)