考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時(shí)序的鋼箱梁橋疲勞評估方法研究項(xiàng)目摘要

針對忽略長期監(jiān)測應(yīng)力時(shí)序可能造成鋼箱梁橋疲勞評估結(jié)果偏離實(shí)際情況的不足，本項(xiàng)目對考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時(shí)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(shí)變規(guī)律并建立疲勞荷載效應(yīng)的時(shí)變函數(shù)，給出疲勞荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)而提出面向可靠度評估的時(shí)變疲勞荷載效應(yīng)隨機(jī)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(shí)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(jì)算的高效時(shí)序損傷模型；（3）建立基于高效時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。

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(shí)際情況。本項(xiàng)目對“考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)特征的缺陷；提出了復(fù)雜概率模式下隨機(jī)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(kuò)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(qiáng)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(shí)序的鋼箱梁橋疲勞損傷累積計(jì)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(jì)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(jī)樣本數(shù)值逆變換抽樣方法和考慮長期監(jiān)測應(yīng)力時(shí)序的鋼箱梁橋疲勞損傷計(jì)算模型和疲勞可靠度分析方法，對潤揚(yáng)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(jì)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

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(qiáng)度評估方法還比較少見。.本項(xiàng)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(kuò)展的斷裂力學(xué)方法，對厚板焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估。項(xiàng)目擬定對厚板焊接接頭進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，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(qiáng)度評估方法中。同時(shí)，本項(xiàng)目還將對厚板焊接接頭CTOD試驗(yàn)及接頭處疲勞裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行可視化數(shù)值仿真，實(shí)現(xiàn)CTOD試驗(yàn)與厚板焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度的重要原因，本研究依據(jù)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)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(shí)在進(jìn)行一系列不同材料和焊接接頭的疲勞試驗(yàn)后，從理論到實(shí)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(gè)周期變化稱作一個(gè)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(dòng)應(yīng)力。在四個(gè)應(yīng)力分量中、、、只有兩個(gè)是獨(dú)立的。任意給定兩個(gè)，其余兩個(gè)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(shí)，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。