考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的鋼箱梁橋疲勞評估方法研究

疲勞破壞是影響鋼箱梁橋安全的關(guān)鍵因素之一，已有的鋼箱梁橋疲勞性能評估方法忽略了長期監(jiān)測應(yīng)力次序，造成疲勞評估結(jié)果常常偏離實際情況。本項目對“考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的鋼箱梁橋疲勞評估方法”的關(guān)鍵科學(xué)問題開展了深入研究，主要成果包括： 針對疲勞荷載效應(yīng)（包括疲勞應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)）的多峰分布特性，建立了由多種統(tǒng)計模型加權(quán)和組成的多峰混合分布模型和模型參數(shù)估計方法，突破了單峰分布模型難以準(zhǔn)確描述疲勞荷載效應(yīng)統(tǒng)計特征的缺陷；提出了復(fù)雜概率模式下隨機樣本模擬的數(shù)值逆變換抽樣方法，解決了大跨橋梁全壽命期疲勞性能評估數(shù)據(jù)不足的難題。 基于規(guī)范給出的S-N曲線，從理論上推導(dǎo)了覆蓋低周疲勞壽命區(qū)、有限疲勞壽命區(qū)和高周疲勞壽命區(qū)的全空間S-N曲線模型，將S-N曲線由有限疲勞壽命區(qū)擴展至全空間；進(jìn)一步引入超高周疲勞損傷累積因子和超低周疲勞強度調(diào)整因子，提出了鋼箱梁橋疲勞評估的全空間S-N曲線模型，并從幾何學(xué)角度明確了模型參數(shù)的意義。 建立了考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的鋼箱梁橋疲勞損傷累積計算模型和疲勞可靠度評估極限狀態(tài)方程。采用損傷應(yīng)力作為疲勞損傷指標(biāo)，結(jié)合鋼箱梁橋疲勞評估全空間S-N曲線模型，在上一次損傷應(yīng)力的基礎(chǔ)上計算本次應(yīng)力循環(huán)引起的損傷應(yīng)力增量。此方法能夠有效考慮應(yīng)力出現(xiàn)次序?qū)ζ趽p傷的影響。 集成了疲勞荷載效應(yīng)多峰混合分布模型、隨機樣本數(shù)值逆變換抽樣方法和考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的鋼箱梁橋疲勞損傷計算模型和疲勞可靠度分析方法，對潤揚大橋斜拉橋鋼箱梁正交異性橋面板在不同工況下的疲勞可靠度進(jìn)行了計算，探討了鋼箱梁橋疲勞可靠度的退化規(guī)律。 研究結(jié)果可為鋼箱梁橋的疲勞性能評估提供新的途徑，為鋼箱梁橋的維護(hù)和管理提供技術(shù)支持。 2100433B

針對忽略長期監(jiān)測應(yīng)力時序可能造成鋼箱梁橋疲勞評估結(jié)果偏離實際情況的不足，本項目對考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的鋼箱梁橋疲勞評估方法的關(guān)鍵科學(xué)問題開展系統(tǒng)性研究，主要包括：（1）基于長期監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù)揭示疲勞荷載效應(yīng)的時變規(guī)律并建立疲勞荷載效應(yīng)的時變函數(shù)，給出疲勞荷載效應(yīng)的統(tǒng)計模型，進(jìn)而提出面向可靠度評估的時變疲勞荷載效應(yīng)隨機模擬方法；（2）形成鋼箱梁橋疲勞評估的全空間S-N曲線，建立考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的非線性疲勞損傷累積模式，在此基礎(chǔ)上提出非線性疲勞累積損傷計算的高效時序損傷模型；（3）建立基于高效時序損傷模型的鋼箱梁橋疲勞可靠度評估極限狀態(tài)方程，確定極限狀態(tài)方程參數(shù)的概率表述，從而形成考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的鋼箱梁橋疲勞可靠度評估方法；（4）集成考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的鋼箱梁橋疲勞評估軟件，開展考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時序的疲勞評估方法典型工程應(yīng)用。研究結(jié)果可為鋼箱梁橋的疲勞性能評估提供新的途徑。

厚鋼板在海洋平臺、船舶、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)物中的使用日益廣泛。但由于可焊性和焊接工藝的限制，厚板焊接結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力甚至焊接缺陷，其關(guān)鍵部位的疲勞問題也逐漸受到關(guān)注。而現(xiàn)階段專門針對厚板焊接結(jié)構(gòu)提出的疲勞強度評估方法還比較少見。.本項目將考慮厚板焊接接頭特有的Z向性能、應(yīng)力集中、裂紋敏感性等因素，采用基于疲勞裂紋擴展的斷裂力學(xué)方法，對厚板焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強度評估。項目擬定對厚板焊接接頭進(jìn)行CTOD試驗，并以表征材料斷裂韌度的指標(biāo)CTOD值作為斷裂判據(jù)，將板厚效應(yīng)引入到疲勞強度評估方法中。同時，本項目還將對厚板焊接接頭CTOD試驗及接頭處疲勞裂紋擴展過程進(jìn)行可視化數(shù)值仿真，實現(xiàn)CTOD試驗與厚板焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度評估之間的對接。

焊接接頭處的焊接殘余拉伸應(yīng)力是降低接頭疲勞強度的重要原因，本研究依據(jù)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時體積膨脹受到周圍彈塑性或彈性金屬限制而產(chǎn)生相變應(yīng)力的原理研究抵消拉伸殘余應(yīng)力提高焊接接頭疲勞性能的焊接措施。同時在進(jìn)行一系列不同材料和焊接接頭的疲勞試驗后，從理論到實踐研究該措施的效果及影響因素。因不需增加焊后加工工序，具有應(yīng)用前景。 2100433B

疲勞破壞是在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下發(fā)生的。為了便于研究和分析疲勞問題，國際上對循環(huán)應(yīng)力表示法已作出統(tǒng)一規(guī)定。循環(huán)應(yīng)力的每一個周期變化稱作一個應(yīng)力循環(huán)。

圖4所示的恒幅循環(huán)應(yīng)力由以下諸分量表示：①最大應(yīng)力

恒幅循環(huán)應(yīng)變的表示法與此類似。

應(yīng)力循環(huán)可以看成兩部分應(yīng)力的組合，一部分是數(shù)值等于平均應(yīng)力的靜應(yīng)力，另一部分是在平均應(yīng)力上變化的動應(yīng)力。在四個應(yīng)力分量中、、、只有兩個是獨立的。任意給定兩個，其余兩個就能確定。

用來確定應(yīng)力循環(huán)的一對應(yīng)力分量、或、稱為應(yīng)力水平。對恒幅循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)給定R或時，應(yīng)力水平可由或表示。產(chǎn)生疲勞破壞所需的循環(huán)數(shù)取決于應(yīng)力水平的高低，破壞循環(huán)數(shù)越大，表示施加的應(yīng)力水平越低。