[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

说明书

本发明提供了一种基于概率断裂力学的钢桥面板疲劳可靠度评估方法，利用车辆动态称重(WIM)实测数据，通过统计分析确定车辆荷载随机参数的概率分布模型，编制随机抽样程序实现多车道随机车流模拟，根据三维梁段有限元分析确定疲劳易损细节应力影响面，基于影响面加载获得疲劳评估荷载谱和应力谱；引入随机过程和断裂力学理论建立裂纹随机扩展理论模型，结合标准试样裂纹扩展试验并编写裂纹扩展模拟程序量化其模型参数；构建疲劳失效极限状态方程，结合可靠度理论评估钢桥面板构造细节疲劳可靠度时变规律。该方法为复杂钢桥面板的精细化疲劳评估提供了新思路，评估结果可作为潜在疲劳细节损伤状况评定以及制定维护决策方案的重要依据。

技术领域

本发明属于钢桥面板疲劳裂纹扩展模拟与疲劳可靠度分析领域，具体涉及一种基于概率断裂力学的钢桥面板疲劳可靠度评估方法，用于评估服役过程中随机交通荷载作用下钢桥面板典型构造细节的疲劳可靠性，为探究既有钢桥面板结构的疲劳损伤状态与服役安全性以及制定相应的管养检修策略提供依据和参考。

背景技术

正交异性钢桥面板是现代大跨及超大跨度钢结构桥梁其主梁的首选桥面板结构形式。但在随机交通荷载、构造特征、材料特性以及制造工艺等多重因素的耦合影响下，钢桥面板结构在服役早期即出现不同程度的疲劳开裂问题，严重影响桥梁结构在设计寿命服役期内的运营质量、使用安全和耐久性，造成巨大的经济损失和不良的社会影响，已成为阻碍钢结构桥梁可持续发展的控制性难题和技术瓶颈。

目前，既有大跨及超大钢结构桥梁已逐步安装结构健康监测系统，并且随着疲劳裂纹扩展测试技术的发展和完善。基于结构健康监测系统和疲劳裂纹扩展试验数据的实测和统计分析，可有效确定钢桥面板典型构造细节的疲劳失效部位、失效模式及其裂纹扩展特性，相应的疲劳寿命或疲劳可靠度预测结果可作为既有钢结构桥梁服役安全性和疲劳损伤状况评定、制定维护管养策略和后续加固维修方案的重要依据，从而采取针对性措施以延长其服役寿命，促进钢结构桥梁可持续发展。

然而，直接采用桥梁结构健康监测系统或疲劳裂纹扩展试验实测数据对钢桥面板进行疲劳评估具有成本高昂、测试数据有限、耗时且缺乏普适性等诸多不足。当前国内外钢结构桥梁疲劳设计与评估规范所推荐的确定性评估方法，以及基于概率疲劳强度曲线(S-N曲线)的可靠度评估方法则无法反映构造细节的承载历程并揭示其疲劳破坏过程，且忽略了关键因素随机性所导致的疲劳效应。钢桥面板的疲劳问题受诸多随机因素的影响且本质上属于不确定性问题，疲劳裂纹扩展过程呈现出显著的随机性特征。

发明内容

为了解决传统确定性疲劳评估方法忽略了关键影响因素随机性，以及基于疲劳强度曲线(S-N曲线)可靠度评估方法无法直观反映疲劳性能随裂纹扩展过程变化的问题，本发明提供一种准确高效且具有普适性的基于概率断裂力学的钢桥面板疲劳可靠度评估方法，以可靠度指标的形式对钢桥面板各构造细节及其典型失效模式的时变疲劳可靠性进行量化分析，从而为深入了解钢桥面板潜在的疲劳损伤部位、评定疲劳损伤状况以及制定维护方案和决策提供重要参考依据。

本发明提供的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(总体交通量及其增长特征)，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；