一种钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法技术

本发明专利技术公开了一种钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法，针对公路桥梁系统中应用广泛、疲劳开裂病害突出的钢桥，首先通过有限元建立整桥模型和局部区域带裂纹子模型，根据车辆等随机变量的定义、抽样获得在役桥梁荷载，基于整桥有限元分析和子模型技术获得子模型的边界条件；然后采用局部网格重划分自主更新子模型，进行裂纹扩展有限元分析；提取应力强度因子幅，计算平均裂纹扩展速率、平均裂纹扩展角、各裂纹扩展步的循环次数计算、单车引起应力强度因子幅平均次数统计和疲劳寿命；最终实现钢桥疲劳开裂的模拟和疲劳寿命评估，并用于指导后续的维护加固工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于结构裂纹扩展模拟和疲劳寿命预测领域，涉及一种钢桥细节疲劳裂纹扩展评估计算方法。
技术介绍
钢桥在其长达百年的使用周期内，由于每天上万次的车辆荷载作用等的疲劳效应、材料老化和环境侵蚀等因素，将不可避免地出现损伤累积、抗力衰减，在较低的应力水平下即会引发疲劳损伤。而这种渐次出现的损伤往往具有隐蔽性，会导致严重的后果；当结构内部的损伤累积到一定的阀值时，往往就会引发灾难性事故。因此，疲劳损伤、裂纹扩展是钢桥细节的典型破坏模式之一，疲劳裂纹(缝)的萌生和扩展不仅影响到结构的安全，也引发了大量的后期养护费用。然而，由于在役桥的荷载环境的随机性大、裂纹扩展的局部性能和整桥效应的交互作用以及复合裂纹扩展模拟的复杂性，目前针对于在役钢桥细节复合疲劳裂纹扩展的评估方法鲜有报导。已有的裂纹及其扩展分析集中于构件或试件忽略了局部和整体的交互关系，且多数采用恒幅荷载未能考虑桥梁实际荷载大小以及随机性，难以准确模拟实际钢桥细节在役时的疲劳和裂纹扩展性能。由于实际结构和边界条件的复杂性，试验和理论分析不能很好研究在役桥梁细节的复杂裂纹扩展。随着有限元方法在工程结构分析中的应用，人们自然地将有限元法和裂纹扩展分析联系在一起，从而形成了模拟裂纹扩展的有限元法；然而，由于裂尖的奇异性(拓扑不连续)、结构几何复杂性、裂纹自主扩展多维性、整体与局部交互性、荷载的随机性等因素，因此裂纹扩展分析存在较大难度和特殊性。本专利技术即针对上述问题展开并建立一套分析方法。
技术实现思路
技术问题：为了弥补在役钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法的空白，本专利技术提供了一种全面、准确、高效的钢桥细节基于在役随机荷载考虑整体影响的疲劳裂纹扩展评估方法，可实现运营环境下钢桥细节裂纹的自主扩展模拟和疲劳寿命的预测，从而为后续的桥梁维护、加固工作提供指导。技术方案：本专利技术的钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法，包括以下步骤：第一步：按照桥梁结构设计图纸，建立3维有限元整桥模型和细节区域带初始裂纹的实体子模型，同时设置裂纹初始长度、裂纹临界长度Lc、裂后关键点编号、裂尖关键点编号、裂纹扩展增量和裂纹扩展角；第二步：按照车辆随机荷载变量的概率分布特征，采用抽样函数生成随机变量样本；第三步：将所述第二步得到的随机变量样本输入整桥模型，对于每一组随机变量样本进行车辆荷载经过整桥的有限元分析，从整桥模型中提取各组随机变量样本下实体子模型对应的边界条件时程；第四步：将所述裂后关键点编号、裂尖关键点编号、裂纹扩展增量和裂纹扩展角输入实体子模型，得到扩展后的裂尖关键点编号，进行局部区域网格重划分和裂纹的更新；以当前裂尖关键点编号更新当前裂后关键点编号，以所述扩展后裂尖关键点编号更当前裂尖关键点编号；实体子模型根据随机变量样本对应的边界条件时程提取应力强度因子时程；第五步：根据应力强度因子时程计算当前裂纹长度下各组随机变量样本下的所有应力强度因子幅、应力强度因子幅的数量、平均裂纹扩展速率、平均裂纹扩展角；第六步：根据所述裂纹扩展增量ΔL计算扩展后裂纹长度L，如果L<Lc，则返回第四步，否则，进入第七步；第七步：根据应力强度因子幅、平均裂纹扩展速率、平均裂纹扩展角，计算各裂纹长度下裂纹扩展所需循环次数，然后根据下式计算钢桥细节疲劳寿命T： T = N 365 · A D V · N c ‾ ]]>其中，N是扩展到裂纹临界长度的总循环次数，ADV是日平均车流量，是单个车辆经过时所引起的应力强度因子幅的平均数量。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤一中，整桥模型中的钢箱梁采用分层壳单元模拟，桥塔采用梁单元模拟，拉索采用只受拉不承压的杆单元模拟，并通过耦合单元节点位移建立与桥塔连接部位的接触关系；所述实体子模型中采用实体单元模拟，根据各材料的弹模和泊松比定义线弹性材料本构关系并分别赋予整桥模型和实体子模型中相应单元。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤二中的抽样方法是截断拉丁超立方体抽样、重要性抽样或蒙特卡洛抽样。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤三中，边界条件时程采用子模型技术获取。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤七中，根据下式计算平均裂纹扩展角 θ ‾ = Σ i = 1 n ( d L d N ) i · θ i Σ i = 1 n ( d L d N ) i ]]>其中，i是随机变量样本组号，是第i组随机变量样本作用时的裂纹扩展速率，采用帕里斯公式计算；θi是第i组随机变量样本作用时的裂纹扩展角，采用最大应变能密度因子准则计算，n为抽样次数。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤二中，随机变量样本包括车型、轴重、轴距、车道、各车型车道分布比例和温度。本专利技术方法的优选方案中，步骤一中，为了提高计算效率，整桥3维有限元模型中正交异性桥面板可采赋予正交异性的壳单元模拟，而所研究区域附近的桥面板根据实际建模并采用实际弹模和泊松比；细节区域带裂纹的实体子模型的初始裂纹长度L0可由现场检测获得或采用一般宏观裂纹起始长度设定为0.1mm。材料本构为一般的线弹性本构；桥端与桥墩的接触能保证桥能顺桥自由，横桥向受约束；主梁与桥塔或桥墩具有相同的横桥和竖向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步：按照桥梁结构设计图纸，建立3维有限元整桥模型和细节区域带初始裂纹的实体子模型，同时设置裂纹初始长度、裂纹临界长度Lc、裂后关键点编号、裂尖关键点编号、裂纹扩展增量和裂纹扩展角；第二步：按照车辆随机荷载变量的概率分布特征，采用抽样函数生成随机变量样本；第三步：将所述第二步得到的随机变量样本输入整桥模型，对于每一组随机变量样本进行车辆荷载经过整桥的有限元分析，从整桥模型中提取各组随机变量样本下实体子模型对应的边界条件时程；第四步：将所述裂后关键点编号、裂尖关键点编号、裂纹扩展增量和裂纹扩展角输入实体子模型，得到扩展后的裂尖关键点编号，进行局部区域网格重划分和裂纹的更新；以当前裂尖关键点编号更新当前裂后关键点编号，以所述扩展后的裂尖关键点编号更当前裂尖关键点编号；实体子模型根据随机变量样本对应的边界条件时程提取应力强度因子时程；第五步：根据应力强度因子时程计算当前裂纹长度下各组随机变量样本下的所有应力强度因子幅、应力强度因子幅的数量、平均裂纹扩展速率、平均裂纹扩展角；第六步：根据所述裂纹扩展增量ΔL计算扩展后裂纹长度L，如果L<Lc，则返回第四步，否则，进入第七步；第七步：根据应力强度因子幅、平均裂纹扩展速率、平均裂纹扩展角，计算各裂纹长度下裂纹扩展所需循环次数，然后根据下式计算钢桥细节疲劳寿命T：T=N365·ADV·Nc‾]]>其中，N是所有裂纹长度下扩展到裂纹临界长度的总循环次数，ADV是日平均车流量，是单个车辆经过时所引起的应力强度因子幅的平均数量。...

【技术特征摘要】
1.一种钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步：按照桥梁结构设计图纸，建立3维有限元整桥模型和细节区域带初始裂纹的实体子模型，同时设置裂纹初始长度、裂纹临界长度Lc、裂后关键点编号、裂尖关键点编号、裂纹扩展增量和裂纹扩展角；第二步：按照车辆随机荷载变量的概率分布特征，采用抽样函数生成随机变量样本；第三步：将所述第二步得到的随机变量样本输入整桥模型，对于每一组随机变量样本进行车辆荷载经过整桥的有限元分析，从整桥模型中提取各组随机变量样本下实体子模型对应的边界条件时程；第四步：将所述裂后关键点编号、裂尖关键点编号、裂纹扩展增量和裂纹扩展角输入实体子模型，得到扩展后的裂尖关键点编号，进行局部区域网格重划分和裂纹的更新；以当前裂尖关键点编号更新当前裂后关键点编号，以所述扩展后的裂尖关键点编号更当前裂尖关键点编号；实体子模型根据随机变量样本对应的边界条件时程提取应力强度因子时程；第五步：根据应力强度因子时程计算当前裂纹长度下各组随机变量样本下的所有应力强度因子幅、应力强度因子幅的数量、平均裂纹扩展速率、平均裂纹扩展角；第六步：根据所述裂纹扩展增量ΔL计算扩展后裂纹长度L，如果L<Lc，则返回第四步，否则，进入第七步；第七步：根据应力强度因子幅、平均裂纹扩展速率、平均裂纹扩展角，计算各裂纹长度下裂纹扩展所需循环次数，然后根据下式计算钢桥细节疲劳寿命T： T = N 365 · A D V · N c ‾ ]]>其中，N是所有裂纹长度下扩展到裂纹临界长度的总循环次数，ADV是日平均车流量，是单个车辆经过时所引起的应力强度因子幅的平均数量。2.根据权利要求1所述的钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，所述步骤一中，整桥模型中的钢箱梁采用分层壳单元模拟，桥塔采用梁单元模拟，拉索采用只受拉不承压的杆单元模拟，并通过耦合单元节点位移建立与桥塔连接部位的接触关系；所述实体子模型中采用实体单元模拟，根据各材料的弹模和泊松比定义线弹性材料本构关系并分别赋予整桥模型和实体子模型中相应单元。3.根据权利要求1所述的钢桥细节疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，所述步骤二中的抽样方法是截断拉丁超立方体抽...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭彤，刘中祥，刘杰，柴舜，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32