[发明专利]基于概率断裂力学的钢桥面板疲劳可靠度评估方法

权利要求书

1.一种基于概率断裂力学的钢桥面板疲劳可靠度评估方法，包括以下步骤：

第一步：利用拟评估桥梁结构上安装的健康监测系统获取随机交通荷载实测数据库，对随机交通荷载实测数据进行统计分析以确定统计数字特征，并建立疲劳车辆荷载模型，确定随机参数的概率分布模型；

第二步：基于随机参数的概率分布模型和统计数字特征，建立混合车型随机车流模拟数学模型，编制多车道随机交通荷载模拟程序，获取随机车流样本数据并建立钢桥面板构造细节疲劳评估荷载谱；

第三步：根据拟评估桥梁设计图纸，确定待评估疲劳易损细节及其所在梁段，建立梁段三维有限元仿真分析模型，采用单位疲劳车加载获得疲劳易损细节应力影响面；

第四步：将第二步所建立的钢桥面板构造细节疲劳评估荷载谱施加于第三步获得的各疲劳易损细节应力影响面即可获得应力时程，依据雨流计数法确定其日均等效应力幅Δσ_eq和相应的日均应力循环加载次数n_d，重复n次加载并进行统计分析，获得日均等效应力幅及其加载次数的分布模型和统计参数；

第五步：联合采用线弹性断裂力学和随机过程理论，建立裂纹随机扩展理论模型，利用紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展速率试验，根据实测数据确定裂纹扩展理论模型随机参数的概率统计特征；

第六步：设定裂纹扩展步长并确定裂纹扩展准则，编写三维空间复合型裂纹扩展模拟程序，计算每一扩展步裂纹扩展角和应力强度因子幅值，对典型疲劳细节各失效模式的裂纹扩展过程进行模拟；

第七步：根据疲劳失效准则建立疲劳失效极限状态方程，结合可靠度理论获得疲劳可靠度指标的表达式，计算钢桥面板典型疲劳细节服役历程各个时间点的疲劳可靠度指标，从而确定其疲劳可靠度的时变规律，通过与目标可靠度指标进行比较，评估钢桥面板结构的服役安全性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一步中，疲劳车辆荷载模型包括以下随机参数中的一个或多个：车辆类型、车辆总重、轴重、车间距、车道交通量比例、各车道车型分布比例、车辆中心迹线沿车道横向分布特征。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第二步中，建立混合车型随机车流模拟数学模型采用的抽样方法为蒙特卡罗(Monte Carlo)抽样或重要性抽样。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第三步中，所建立的梁段三维有限元仿真分析模型为板壳-实体混合仿真分析模型，梁段整体采用板壳单元进行模拟，典型构造细节局部采用三维实体单位模拟各板件间连接焊缝的真实几何构造尺寸，板壳-实体过渡区域采用多点约束(Multi-point Constraints,MPC)装配方式进行连接以确保自由度的一致性和力流传递的流畅。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第五步中，裂纹随机扩展理论模型采用下式表达：

da/dN＝C(ΔK_eff)ⁿZ(a) (1)

式(1)中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率；C和n为疲劳断裂参数；ΔK_eff为复合型裂纹有效应力强度因子幅值；Z(a)为中值为1的平稳对数正态过程。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第七步中，所建立的疲劳失效极限状态方程采用下式表达：

式(2)中，g(X)为极限状态功能函数；i＝1,2,…,r为裂纹扩展子步数；Δa_i为第i扩展步对应的裂纹扩展增量；k_i(a)为由构造细节形状和裂纹几何特性所决定的第i扩展步对应的函数值；μ_Z为随机过程Z(a)的均值；C和n为疲劳断裂参数；e为随机荷载误差系数；Δσ_eq为构造细节等效应力幅；N₀和N分别为裂纹尺寸扩展至a₀和a_N时构造细节所经历的累积应力循环次数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第七步中，疲劳失效极限状态方程包括以下随机变量中的一个或多个：疲劳断裂参数C和n、随机过程Z(a)的均值μ_Z、日均等效应力幅Δσ_eq及其加载次数n_d、随机荷载误差系数e。