老鋼橋疲勞剩余壽命的計(jì)算方法陳惟珍同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

悄老鋼橋疲勞剩頃余壽命的計(jì)算水方法

濾陳惟珍

遵（同濟(jì)大學(xué)橋晌梁工程系）密[握摘賊要舞]蛇許多鉚接和焊叮接老鋼橋經(jīng)過(guò)蹈長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)蜻后，安全度已鬧逐步耗散，它序們的剩余壽命速以及使用安全諷性已引起橋梁兇工程界的重視熄。本文就疲勞崇損傷方面，對(duì)盤老鋼橋疲勞剩傘余壽命的計(jì)算箏方法做了較深衛(wèi)入的探討，對(duì)熔名義應(yīng)力法與單斷裂力學(xué)方法棍的應(yīng)用做了詳掀盡的比較。

倘關(guān)鍵鞠詞賽決老鋼泥橋進(jìn)游剩余壽命

豐一、引言

蹦回首過(guò)匯去舞20豬0換年，鋼橋結(jié)構(gòu)肝已有了長(zhǎng)足發(fā)株展。從材料方齒面看，先是鑄芬鐵摸（銳187尖0奏～頓191踢0偽），再是鍛銅捉（暴191愚0星～）。作為連武接手段，首先益是銷接、鉚接數(shù)，再賺是節(jié)2那0泰世紀(jì)的焊接和俘栓接。許多在罷這各個(gè)時(shí)期建武造的鋼橋至今靜仍在運(yùn)營(yíng)，有訴些可能已達(dá)到臨了壽命枯竭的揮地步。在對(duì)鐵浴路桁架橋的調(diào)椅查中，已發(fā)現(xiàn)域受拉斜腹桿中賺有微小裂紋。邊歐洲許多建玩于屠5盟0陪～澆6科0純年代高速公路廳網(wǎng)擴(kuò)建時(shí)的焊碑接鋼橋，在今墳天大軸重大流炕量交通荷載作簽用下，許多部在位出現(xiàn)疲勞裂著紋。面對(duì)這樣將一大批老鋼橋戰(zhàn)，剩余壽命問(wèn)粉題日益突出，舅即在什么樣的峰檢測(cè)條件下能涉夠連續(xù)保持老黃橋使用多久，株它在經(jīng)濟(jì)上具或有重要意義。聲盡管許多國(guó)家滾規(guī)范規(guī)定了對(duì)受疲勞的驗(yàn)算，改但是對(duì)剩余壽草命的計(jì)算還存研在不足之處，咸甚至還需研究色一套全新的計(jì)匪算方法。

相計(jì)算構(gòu)件壽命叨除試驗(yàn)方法外絡(luò)，今天已有三臂種較成熟的方椅法：名義應(yīng)力究法、局部應(yīng)力棒應(yīng)變法和斷裂總力學(xué)法。名義銜應(yīng)力法計(jì)算壽稠命直到斷裂，吃局部應(yīng)力應(yīng)變寒法計(jì)算壽命直羨到技術(shù)起裂，壩對(duì)表面裂紋約宏為黨0.5m需m墻深。壽命的剩邊余部分，即從囑起裂至最終斷困裂，可由斷裂徑力學(xué)方法計(jì)算她：

照T淡R浸=T摩L紡-T開(kāi)A

車其嘉中亡T隊(duì)L杜-務(wù)-弦構(gòu)件至斷裂時(shí)沃的壽命；

奏T質(zhì)A績(jī)-謙-搏構(gòu)件至起裂時(shí)屯的壽命。

腥對(duì)光滑試柳件叼T錯(cuò)R碎僅檢占拘5罵%供～啞10束%蛙。但對(duì)切口試盈件，或是真實(shí)獨(dú)構(gòu)件登，孟T伐R烏的份額很高，艙有時(shí)甚至占全舍部壽命。

獵二、剩余壽命罵計(jì)算方法

姓L證名義應(yīng)力法

潤(rùn)名義應(yīng)力法計(jì)紫算壽命是建立蠢在損傷積累理刺論之上，其受倡力與抗力是通評(píng)過(guò)名義應(yīng)力來(lái)歌描述的。描述財(cái)細(xì)節(jié)抗力的韋四勒曲線是由疲戶勞試驗(yàn)得出的缸，在預(yù)測(cè)應(yīng)力招譜基礎(chǔ)之上，么就可以計(jì)算橋巴梁剩余壽命。

痛（亭1齒）韋勒曲線

任建筑鋼細(xì)節(jié)韋政勒曲線的一般棄形式在歐洲規(guī)結(jié)范不第座3捎篇中定義為如否圖渣1改所示，具體的偏參數(shù)可查自文蛛獻(xiàn)資料或試驗(yàn)起結(jié)果。疲勞曲把線中斜線部分備可用下式表示兇：

燃圖中每根曲線竭可用應(yīng)力循川環(huán)室2,000,宅000叼桌處的相關(guān)疲勞披強(qiáng)度來(lái)定義。澇每個(gè)相關(guān)疲勞君強(qiáng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)曬細(xì)節(jié)狀態(tài)，一殺般掠m禿1友取擦為霧3.某0首，常幅疲勞極羨限定義委為袖5,000,山00魚0泛處的疲勞強(qiáng)度組，為了適應(yīng)于街變幅應(yīng)力情況瘋，讓曲線絡(luò)按恥m蛇2沙＝銜m餅1破十德2級(jí)繼續(xù)向下延伸殃至筆1,000歪,000,0催0遍別處。這些疲勞隸曲線已包括下泳列受力和影響搭因素：

套·肉高殘余應(yīng)力

軟·細(xì)高應(yīng)力比

稼·擺溫度、尺寸、徹裝配或貼合的使影響。

粥為了應(yīng)用方便埋，各種構(gòu)造細(xì)煤節(jié)都按細(xì)節(jié)狀批況進(jìn)行分類。

口(鋪2祝）應(yīng)力譜

咳疲勞受力是由合許多荷載工況譽(yù)組成，取決于停受載的頻率和千大小以及橋梁瘦結(jié)構(gòu)型式。橋狀梁結(jié)構(gòu)中的疲泊勞應(yīng)力是一個(gè)征隨機(jī)過(guò)程，經(jīng)學(xué)雨流法計(jì)數(shù)后羨可以得到一個(gè)張臺(tái)階式的應(yīng)力敞諸圖（她圖壩2醫(yī))群。根據(jù)損傷相喚同的原則可用證下式計(jì)算等代更應(yīng)力幅販[1]士：

學(xué)（鄉(xiāng)3蟻）疲勞驗(yàn)算

價(jià)為了保證結(jié)構(gòu)莖在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)尊的安全使用，鑒結(jié)構(gòu)抗力不應(yīng)采小于外力作用蟲（糖圖浙2茂），即

禮其中遼，酬r朋5錫與細(xì)r灘m事為分項(xiàng)安全系效數(shù)，它們是不毫相關(guān)的變量弊。鴨r纏m脊是與細(xì)節(jié)的尺柄寸、形狀、缺章陷密集程度、究局部應(yīng)力集中句、晶體結(jié)構(gòu)、泉?dú)堄鄳?yīng)力和疲拳勞裂紋的分散露性相關(guān)雁。騾r天s豈考慮受力分散恰性影響。

蒜（末4愁）剩余壽命

耽依據(jù)上述方法黃可求解剩余壽差命，比如按蜘照如DS80召4貼／際6說(shuō)和亦Herzo長(zhǎng)g掠的建議。由布于金DS804/深6盯中的疲勞設(shè)計(jì)廊列蠅車?yán)頤IC7鼻1泳是按照德國(guó)情掘況規(guī)定的，下姻面就只介尊紹柜Herzo端g坑建議的方法。

緊通過(guò)對(duì)比疲勞舟細(xì)節(jié)分級(jí)與單旗級(jí)等代應(yīng)力幅丑，就可以得出削一個(gè)等代荷載索循環(huán)次數(shù)：

啊其中拘，牢φ界為沖擊系數(shù)匹；盞N利b電為運(yùn)營(yíng)荷載循恰環(huán)數(shù)仁；龍Δ殊σ黑b孝為運(yùn)營(yíng)應(yīng)力幅桐。各構(gòu)件壽貪命質(zhì)T榆L迷以及剩余壽記命感T努R怖可由下式求出鹿：

摔其中融，以T懲B領(lǐng)為運(yùn)營(yíng)時(shí)間醋，雪ND=2,0擦00,00傘0縫。

匙2仗．?dāng)嗔蚜W(xué)方括法

腦裂紋萌生和增號(hào)長(zhǎng)曲線如詞圖西3跑所示，對(duì)于剩痰余壽命的計(jì)算想可以假定只有余裂紋增長(zhǎng)部分今，裂紋尖端的膀受力起主控作虛用。為了計(jì)算子裂紋增長(zhǎng)，可養(yǎng)采伸用顧Pari運(yùn)s闖方程（杜圖盡4村），即已知應(yīng)近力強(qiáng)度因子域幅港Δ伏K替和裂紋增長(zhǎng)曲悅線就可以求出陜裂紋擴(kuò)展速仰度竊da/d慢N囑：

煤其中對(duì)，直C呢，吊m倦為材料常數(shù)。

抱其嫂中扯Δ言σ點(diǎn)-啦-起最大主應(yīng)力應(yīng)宮力幅；

景Y甘－一修正系數(shù)湯；

搶a-直-包裂紋大小。

瘋積分式定（染7帥）就可以得到浴剩余壽命：

域其頂中競(jìng)a貍0瞎為初始裂紋長(zhǎng)瞎度圓；饒ac垃r敢為臨界裂紋長(zhǎng)報(bào)度，它由斷裂纖判據(jù)確定，即濱對(duì)于線彈性材庭料，裂尖應(yīng)力腸強(qiáng)度因子達(dá)到黨臨界屈值幟KI求C休或剩余截面達(dá)盜到斷裂應(yīng)力。哨對(duì)于彈塑性材懸料，可以采述用呀R貢6勁方法鑰或鉤J芹積分判據(jù)消【事2渾】住。襪圖觸5蠅顯示了幾種不龜同剩余截恐面獨(dú)a/爹w撓中毛截面受力朵和裂噸尖夸J青積分的關(guān)系。炊保證截面不斷送裂的條件是：艇裂栗尖深J扔積分值小于材跳料透J榜積分臨界值。態(tài)由找J泰積分判據(jù)可以灘確定臨界裂紋灑長(zhǎng)度。再按照耐裂紋增長(zhǎng)量可杜以計(jì)算荷載循暴環(huán)次數(shù)倆【虧3鳴】瘡。

阻3僅、兩種計(jì)算方儀法的比較

江按照名義應(yīng)力爺方法計(jì)算剩余組壽命的優(yōu)點(diǎn)是記：擱①酒許多疲勞試驗(yàn)撤數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資釀料可供查閱慎；吃②婆直接使用大構(gòu)裁件試驗(yàn)結(jié)果偷；擋③斜在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)涂中選用及使用輛規(guī)范中數(shù)據(jù)。憶采用第一種選盞擇可以精確得累出疲勞強(qiáng)度，避但對(duì)不同構(gòu)件議的適用性受到撓限制，因此受山到材料特征等俯不同因素的影放響。第二種選仔擇是從韋勒試式驗(yàn)曲線出發(fā)，偽其計(jì)算壽命的牛誤差來(lái)自于韋厘勒曲線斜率的帆假定和對(duì)低于詞常幅疲勞極限恨下應(yīng)力幅的處車?yán)怼２煌囊?guī)覽范中存在著很假大的差異，尤熱其是疲勞曲線誼的斜率和轉(zhuǎn)折咬點(diǎn)，比如火在導(dǎo)DS80陶4礦中對(duì)焊接連接惱采兄用膠m=從3筆．似7廢5激，而對(duì)于其他胡情況采事用腦5.0赤.效在歐洲規(guī)肉范培3趙中存和于EK召S換中矩，汪蒜m軟＝鉤杰3奧到處內(nèi)N豐＝氏5秩，攔00目0伐，妖00窩0卻，再按一斜動(dòng)線狀2秩m震－春l先＝微5瘡到鋒舉N娘＝啦1待，半00智0魔，居00爽0魚結(jié)束。特別值省得注意的是：免歐洲規(guī)康范挺3凡的驗(yàn)算已經(jīng)考竭慮遙了重2.瘡5鹿％的失效率。擠另外殘斜應(yīng)力菊和尺寸影響已咐經(jīng)在材料方面吊考慮進(jìn)了疲勞癥分級(jí)曲線，而汁在蜻DS80都4摔／擦6噸中則需要附加街考慮一個(gè)安全頸系數(shù)。這種差丙別導(dǎo)致了不同傭的安全系數(shù)取訊值劈，撇r竊m壓＝以1類．?dāng)z6襪5繁（榆DS80志4防）池；礙r話m育=1.3躍5畝（歐洲規(guī)置范喂3棵）。

能真實(shí)對(duì)受力作性用加以描述特粉別困難，一般賽都是模擬車輛巴過(guò)橋，通過(guò)影聰響加載算出應(yīng)屋力歷程，再用斗計(jì)數(shù)法得到一查個(gè)多級(jí)應(yīng)力譜存。像這樣應(yīng)力蝶名義應(yīng)力法計(jì)站算剩余壽命不收但簡(jiǎn)單，而且遺已有許多應(yīng)用驅(qū)例子。它能得新到剩余壽命的劫大致結(jié)果，但么進(jìn)一步改進(jìn)似垃乎很難。它的秒缺點(diǎn)是：沒(méi)有尖給出構(gòu)件已有禽的損風(fēng)傷悼;楚由于依據(jù)單級(jí)皺韋勒曲線而導(dǎo)蒸致計(jì)算結(jié)果分洗散性很大；小遲于常福疲勞極言限下的應(yīng)力幅痰影響有待于進(jìn)歷一步研究；荷灘載序列的影響忍被忽略掉。應(yīng)堤用困難和不準(zhǔn)抓確性在斷裂力玻學(xué)方法中也存易在，在初始裂右紋尺寸和材料瑞參量的確定方廁面比較昂貴。銳結(jié)果也呈較大鵝的分散性。

比三、精確模擬查紛效擴(kuò)展的我室值計(jì)算模型

蘋對(duì)于小范圍屈黨服，裂紋受力封可用線彈性應(yīng)零力強(qiáng)度因鹽子彎K茂來(lái)描述。在單協(xié)級(jí)受力狀態(tài)下薪，裂紋擴(kuò)展階穗段的壽命可以普通過(guò)累加各循鞋環(huán)中裂紋增長(zhǎng)緣量盲Δ賣a芳j偽至臨界裂紋長(zhǎng)倒度來(lái)計(jì)算。這哲種預(yù)測(cè)結(jié)果是努與讓Mine怖r虧線性損傷積累尚模型相一致的腫。

尺在多級(jí)受力狀弦況下?lián)p傷是與家先后順序相關(guān)溝的。單個(gè)荷載博峰作用下引起援裂紋擴(kuò)展滯后降效應(yīng)，從而延開(kāi)長(zhǎng)構(gòu)件壽命。愛(ài)這種現(xiàn)象的解目釋是：裂紋面挎位移受到裂尖廟的塑性和殘留舍在斷裂面上的莊塑性變形的影謊響，在外加應(yīng)咐力還未退回到姑最小值時(shí)就已遍閉合。因此裂登紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)黑力不澤是堤Δ努K餓，而是所謂的陣有效應(yīng)力強(qiáng)度兇因謊子柳Δ思Keff=K殺ma沸x牛－渴Ko串p情。為了計(jì)算裂鄰紋面的位移，蘿得先計(jì)算裂尖綁近區(qū)的受力以筐及裂紋張開(kāi)應(yīng)渡力強(qiáng)度因皺子呼Ko傾P懸。

贊求解裂尖受力孤有兩種途徑：扶有限元法和數(shù)供值近似方法。

比由于采用有限惠元方法計(jì)算裂迎尖局部受力非腔常繁瑣，尤其升對(duì)彈塑性材料池和變化裂尖，高因此近似方法銷具有很大的優(yōu)菠越性。

非為了考慮塑性疏閉會(huì)引起的荷獲載序列效應(yīng)而錢涌現(xiàn)了許多近丑似數(shù)值計(jì)算模命型。有些模型呆（棚如寶Hewma舒n礎(chǔ)）認(rèn)為：由于既閉合效應(yīng)引起逼的裂紋面壓應(yīng)早力產(chǎn)生裂紋擴(kuò)堂展的加速和滯讀后，而另一些傻模型（驟如兇Wheel捐e蠢r繳和幣Wille愛(ài)nberg呼)亭認(rèn)為裂紋塑性蒙區(qū)起重要作用治。

盡1蕩．浮Wheele寒r訴模型

斗Wheele灣r伯模型認(rèn)為，裂趴紋擴(kuò)展滯后直得到當(dāng)前塑性區(qū)息超越前面的過(guò)河載塑性區(qū)。在講此滯后期間裂睜紋增長(zhǎng)速度為

墨其中背，惰φ減R墾為與循環(huán)次數(shù)拳相關(guān)的裂紋滯探后因子：

飛其中適，遍r冒c立為當(dāng)前塑性區(qū)滲大小關(guān)；討r計(jì)o撥為過(guò)載塑性區(qū)捷大??；指確數(shù)奏γ鉤通過(guò)對(duì)相同類侄型受力曲線進(jìn)沈行試驗(yàn)與計(jì)算姐對(duì)比得到。

這2林．雄Newma服n堆模型

爬Newma港n親模型是建立通在婆Dugdal全e吸模型基礎(chǔ)之上堆，將整個(gè)帶裂職紋板分成三個(gè)收區(qū)域：裂尖塑烘性區(qū)、裂紋面絮上塑性殘余變推形區(qū)以及廣大裝的彈性區(qū)，它凳適用于中心裂希紋板。利用影壺響系數(shù)法可以周擴(kuò)充徐到燒C伍T饑試塊等幾種常胡見(jiàn)型式。但橋僚梁結(jié)構(gòu)中構(gòu)造礙多種多樣，為巷了使得這一近揚(yáng)似方法具有通借用性，文獻(xiàn)疫【誕4淡】利用有限元窮方法將之推廣洗（見(jiàn)虛圖拔6棍），適應(yīng)各種剪荷載形式、荷球載序列和幾何灰形狀。

短利禍用址Dugdal姓e匠模型也可以計(jì)犁算帶表面裂紋尾的三維裂紋體演。這種表面裂促紋情況常常發(fā)殿生在焊接接頭撤處。文盛獻(xiàn)目[5電]蜻發(fā)展了一種算乳法，不但可以救預(yù)測(cè)裂紋形狀笑變化，也可以傭較精確地預(yù)測(cè)賢焊接接頭的壽矮命，理論與試鏡驗(yàn)結(jié)果對(duì)比相譽(yù)當(dāng)一致。

膽四、小結(jié)

塊雖然存在許多器估計(jì)構(gòu)件剩余閱壽命的方法，密但一般都是采罵用名義應(yīng)力法階和斷裂力學(xué)方奏法，其優(yōu)缺點(diǎn)貪如下：

斑（遞1泉）對(duì)于名義應(yīng)龜力法，有許多酒現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果及可用，因此相柜適應(yīng)的構(gòu)件壽畝命很容易被求稀出，但整個(gè)壽穿命期內(nèi)的構(gòu)件至受力必須知道爬。

賺（邪2獎(jiǎng)）當(dāng)采用歐洲和規(guī)坦范毀3席以穿及騙EK蠶S電的疲勞曲線時(shí)炕，不必再考慮榴中值應(yīng)力的影庭響，低于等幅鐘疲勞極限的損璃傷也可以加以取考慮。

傳（跌3棕）采用名義應(yīng)監(jiān)力法，許多影石響量，加殘余葛應(yīng)力、中值應(yīng)排力、銹蝕影響冊(cè)等已在疲勞抗全力曲線中考慮折到。只是荷載繞序列影響不包次括在內(nèi)。

六（拖4始）采用斷裂力隙學(xué)方法可以考帶慮荷載序列影木響，而且能清崇楚描述裂紋增矮長(zhǎng)，精度較高嘴。但對(duì)微小裂墻紋的增長(zhǎng)規(guī)律床有待進(jìn)一步研避究。

儲(chǔ)參考文獻(xiàn)

詢【覺(jué)1隙】迫D譽(yù)．衛(wèi)KOStea拳s.ZUm魔Betri剃ebsfes羨tigkei闊tsverh現(xiàn)alten漁vonAl間uminiu掀m.Sta銳hlbau倚67(199瘋8),Son什derhef亡tAlum言inium,欠111-13痕0

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