桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法技术

本发明专利技术公开了一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法，包括如下步骤：S1、复杂服役环境作用数值复现；S2、桥梁结构性能数值分析；S3、易损部位耦合疲劳损伤计算；S4、桥梁结构剩余寿命预测。本发明专利技术可以准确评估在役桥梁多因素耦合作用疲劳损伤状况以及剩余寿命，定量分析易损部位疲劳损伤中各因素/作用效应及其耦合效应，为桥梁的运维管理、加固修复以及优化设计提供数据支撑和决策参考。考。考。

【技术实现步骤摘要】
桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法


[0001]本专利技术属于桥梁多因素灾害分析及寿命评估领域，涉及一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法。

技术介绍

[0002]桥梁结构服役环境复杂，其影响因素众多，包括车辆荷载、风、温度等疲劳作用以及腐蚀作用和磨损作用。复杂荷载
‑
环境作用下，大跨桥梁的损伤往往是众多因素/作用及其耦合效应导致的。各因素/作用的频率、强度存在着高度的随机性、不同的分布以及差异性的时间相位及频率，多因素作用下结构的疲劳损伤存机理不明、机制复杂，从而带来结构损伤和寿命评估困难。然而，随着服役年限的增加，桥梁结构耦合疲劳损伤事故愈发突出，严重影响桥梁的运维安全。以往研究主要考虑疲劳、腐蚀或磨损等单因素作用下桥梁性能分析与寿命评估，而多因素效应以笼统的系数或多个单因素作用重复叠加考虑，导致结果合理性和可靠性问题。为有效支撑桥梁运维决策，需要建立能全面考虑复杂在役环境多因素作用且准确评估桥梁结构性能的方法，研究多因素作用耦合疲劳损伤灾变机制，分析结构失效中各因素的影响规律。针对上述问题，本专利技术建立一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法。
[0003]目前，考虑多因素作用的结构评估方法包括：专利号201510225325.4公开了一种基于多因素融合修正的结构件裂纹扩展预测方法，专利号201510247506.7公开了一种基于多因素融合修正的结构件剩余寿命预测方法，专利号201710001052.4公开了一种基于多因素融合修正的结构件剩余强度评估方法，均是考虑了疲劳寿命、应力集中、应力分布情况、制造工艺、表面强度等能够对结构件损伤状态造成影响的因素，但这些因素的作用均是通过系数等对应力的影响考虑的，未能分辨各因素的作用且所有印度的影响均需转化到对应力的影响；专利号202111427626.7公开了一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，通过设定荷载放大系数、材性折减系数、截面损伤系数、支座变化系数调整有限元模型以分析性分析多个因素较不利折减因素组合的影响，不涉及多因素竞争关系的耦合疲劳模型且不涉及概率可靠度及其主导因素下降速率积分技术；专利号201811067793.3公开了一种基于腐蚀
‑
疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统，是一种测试方法及系统，仅考虑了腐蚀和疲劳的两个因素作用且耦合作用是笼统测试考虑的。

技术实现思路

[0004]为了实现复杂荷载
‑
环境作用下桥梁结构耦合疲劳损伤和寿命的评估，本专利技术提供了一种全面、准确、高效的桥梁结构易损部位多因素作用耦合疲劳损伤和寿命的评估方法，可用于分析运营环境下桥梁结构疲劳损伤状况和预测剩余寿命，为桥梁的维护决策、加固实施和优化设计提供支撑。
[0005]本专利技术的一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法，包括以下步骤：
[0006]S1、根据桥梁服役环境结构监测数据，建立车辆、风、温度、腐蚀、磨损等因素/作用表征参数的概率分布模型，按各因素/作用联合发生频率和持时的比例确定样本量并进行抽样生成各因素/作用表征参数样本；
[0007]S2、根据桥梁设计图纸、三维几何模型等，建立包含易损部位的整桥有限元模型；将所述步骤一中各因素/作用表征参数样本按联合发生频率和持时的比例以及作用区域组合形成样本系列；依次输入有限元模型进行桥梁结构性能数值分析，获得桥梁易损部位应力时程；采用雨流计数方法从应力时程计算获得等效应力幅和循环次数分布；
[0008]S3、根据疲劳、腐蚀、磨损单因素/作用下损伤指标和结构性能时变可靠度计算公式，分别计算当前计算步疲劳、腐蚀、磨损作用结构性能可靠度下降速率；以可靠度下降速率最大者为当前计算步的主导因素，由主导因素可靠度下降速率计算得到当前计算步可靠度下降量，即各因素作用下可靠度下降速率竞争确定，当前计算步可靠度采用上一计算步可靠度减去当前计算步可靠度下降量，其中第一计算步可靠度为初始可靠度；
[0009]S4、依次计算直至前计算步可靠度不小于临界可靠度，即可得到耦合疲劳寿命；否则计算步增加，返回S3。
[0010]进一步的，本专利技术方法中，S3中疲劳作用结构性能可靠度β
F
计算公式如下：
[0011][0012]其中，μ
lnx
和σ
lnx
分别表示lnx的均值和标准差，由μ
x
和σ
x
计算确定，其中x代表上式的Δ、A、N(t)、N0和S
eq
；Δ是Miner临界破坏累积指标，可采用对数正态分布函数来描述，其均值μ
Δ
为1.0，变异系数σ
Δ
为0.3；A是疲劳细节指标，由易损部位细节类型根据规范确定；N0是循环次数；S
eq
是等效应力幅，由下式计算；N(t)等于365
×
ADT
×
N0×
t，ADT是日均车流量，t是以年为单位的时间。
[0013][0014]其中，m为指数，一般可取为3；N为等效应力幅S
eq
下发生疲劳破坏所需的循环次数；n
i
为应力幅S
i
的实际循环次数。
[0015]进一步的，本专利技术方法中，S3中腐蚀作用结构性能可靠度β
C
计算公式如下：
[0016][0017]其中，μ
ac
和σ
ac
是腐蚀损伤临界指标的均值和标准差；a(t)是腐蚀损伤指标，由下式计算确定；μ
a(t)
和σ
(t)
是腐蚀损伤指标的均值和标准差。
[0018][0019]其中，α和β为腐蚀损伤指标计算公式参数，表示均匀腐蚀率和趋势，与金属类型和腐蚀环境条件有关，对于钢材腐蚀呈对数增长，钢材腐蚀呈对数增长，其β＝0.5；α服从对数正态分布，其平均值和偏差系数分别为7.91
×
10
‑6m/年和0.135；t0为初始时间；d为易损部
位腐蚀方向尺寸。
[0020]进一步的，本专利技术方法中，所述步骤三中磨损作用结构性能可靠度β
W
计算公式如下：
[0021][0022]其中，μ
Vc
和σ
Vc
是磨损损伤临界指标的均值和标准；V(t)是腐蚀损伤指标，由下式计算；μ
V(t)
和σ
V(t)
是腐蚀损伤指标的均值和标准差。
[0023][0024]其中，k为磨损深度发展速率公式参数；H为硬度；F为侧向力。
[0025]进一步的，本专利技术方法中，所述步骤三中各计算步主导因素为下降速率最大者，当前计算步可靠度下降量和可靠度由下列公式计算。
[0026][0027]β(t)＝β(t)
i
‑1‑
Δβ
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、复杂服役环境作用数值复现；S2、桥梁结构性能数值分析；S3、易损部位耦合疲劳损伤计算；S4、桥梁结构剩余寿命预测。2.根据权利要求1所述的一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法，其特征在于，S1的具体步骤为：根据桥梁服役环境结构监测数据，建立因素/作用表征参数的概率分布模型，按各因素/作用联合发生频率和持时的比例确定样本量并进行抽样生成各因素/作用表征参数样本。3.根据权利要求1所述的一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法，其特征在于，S2的具体步骤为：建立包含易损部位的整桥有限元模型；将S1中各因素/作用表征参数样本按联合发生频率和持时的比例以及作用区域组合形成样本系列；依次输入有限元模型进行桥梁结构性能数值分析，获得桥梁易损部位应力时程；采用雨流计数方法从应力时程计算获得等效应力幅和循环次数分布。4.根据权利要求1所述的一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法，其特征在于，S3的具体步骤为：根据疲劳、腐蚀、磨损单因素/作用下损伤指标和结构性能时变可靠度计算公式，分别计算当前计算步疲劳、腐蚀、磨损作用结构性能可靠度下降速率；以可靠度下降速率最大者为当前计算步的主导因素，由主导因素可靠度下降速率计算得到当前计算步可靠度下降量，即各因素作用下可靠度下降速率竞争确定，当前计算步可靠度采用上一计算步可靠度减去当前计算步可靠度下降量，其中第一计算步可靠度为初始可靠度。5.根据权利要求4所述的一种桥梁结构多因素耦合作用疲劳损伤与寿命的评估方法，其特征在于，S3中疲劳作用结构性能可靠度β
F
计算公式如下：其中，μ
lnx
和σ
lnx
分别表示lnx的均值和标准差，其中x代表上式的Δ、A、N(t)、N0和S
eq
；Δ是Miner临界破坏累积指标；A是疲劳细节指标；N0是循环次数；S
eq
是等效应力幅；N(t)等于365
×
ADT
...

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