鋼桁梁評估研究樣本

中華人民共和國中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)籌劃課題申請表課題名稱大軸重長編組重載列車作用下鋼桁梁檢測評估辦法及加固技術(shù)研究單位名稱中鐵西南科學(xué)研究院有限公司單位地址成都市金牛區(qū)西月城街118號郵編610031申請人姓名唐英性別女年齡47職稱專家級高工電話課題總經(jīng)費（萬元）168申請股份公司經(jīng)費（萬元）168起始年度/03結(jié)束年度/09項目類別A-重大課題投送領(lǐng)域B-重點課題B重載鐵路修建、既有鐵路擴能提速及養(yǎng)護維修綜合技術(shù)C-引導(dǎo)課題研究內(nèi)容提要在大軸重長編組重載列車作用下，鋼桁梁構(gòu)件承受應(yīng)力幅和頻數(shù)均明顯增長，疲勞損傷問題突出。針對鋼橋疲勞計算所遇到荷載歷程、材料屬性和幾何函數(shù)不擬定性，采用當代無損檢測技術(shù)對疲勞裂紋進行檢測，應(yīng)用Montel-Carlo法實現(xiàn)荷載譜隨機模仿，并依照實測應(yīng)力譜修正數(shù)值模仿應(yīng)力譜，考慮疲勞可靠度更新，以概率斷裂力學(xué)為理論基本，同步充分考慮既有鋼橋疲勞失效特點，推算疲勞壽命與擬定檢測間隔，探求養(yǎng)護維修方略，提出典型疲勞破壞裂紋加固技術(shù)。申報單位審查意見：蓋章一、國內(nèi)外現(xiàn)狀1.1研究意義國內(nèi)鐵路運送線上存在大量鋼橋，這些橋梁承受著日益繁重交通荷載，其疲勞剩余壽命與使用安全已受到橋梁管理部門高度注重.在全國鐵路多次提速及高速鐵路開通形式下，大軸重長編組重載列車軌道上運營也將成為此后鐵路運送趨勢。當前國內(nèi)浮現(xiàn)最長貨運列車編組是12月12日大秦鐵路上一列2萬噸重載貨運列車，它編組了201輛80噸運煤專用敞車。大軸重長編組重載列車提高了列車運送效率，但使鐵路線路上橋梁面臨著嚴峻考驗。在歷史上浮現(xiàn)過橋梁崩塌事件中，諸多就是由于過載和疲勞等因素導(dǎo)致。例如1994年10月，韓國漢城發(fā)生橫跨漢江圣水大橋中央斷塌50m，導(dǎo)致32人死亡，17人重傷，導(dǎo)致橋梁在行車高潮期間突然斷裂因素是橋梁長期超負荷載運營，下部鋼桁架螺栓及桿件疲勞破壞所致。11月7日凌晨四川省宜賓市小南門橋發(fā)生橋面某些斷落事故，橋兩側(cè)短吊桿某些分別垮塌20m和40m，導(dǎo)致2人死亡，吊桿破斷因素之一是鋼絲腐蝕疲勞.1938~1942年間歐洲共有40座焊接鋼橋崩塌。1962年澳大利亞墨爾本Kings橋在4.4℃時發(fā)生脆性斷裂。但直到1967年12日西弗吉尼亞PointPleasant大橋在沒有預(yù)兆狀況下崩塌，46人死亡，橋脆性斷裂問題才引起關(guān)注。人類結(jié)識到低溫和構(gòu)造內(nèi)初始缺陷或裂紋擴展會導(dǎo)致疲勞破壞脆斷。據(jù)美國ASCE疲勞與斷裂分委會在1982年調(diào)查成果，80%~90%鋼構(gòu)造破壞與疲勞斷裂關(guān)于。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1疲勞裂紋檢測技術(shù)鋼橋疲勞裂紋檢測普通有三個環(huán)節(jié):①目測法;②鐵錘敲打法;③運用當代電子技術(shù)無損檢辦法。在橋梁檢測時普通采用無損檢測辦法來確裂紋或缺陷形狀、位置和大小,再把它們抱負化穿透裂紋或橢圓半橢圓形裂紋?，F(xiàn)今已發(fā)展了許多無損檢測辦法,重要有:滲入(Penetrating)、磁粉檢測法(MagnetismTesting)、電渦法(eddy-current)[1]、X射線法(X-ray)、超聲波法(ultrasonic)[2][3]、聲發(fā)射法(acousticemission)等。這些辦法各有優(yōu)缺陷,重要體現(xiàn)為滲入檢測法長處是應(yīng)用廣泛,原理簡要易懂,檢查經(jīng)濟,設(shè)備簡樸,顯示缺陷直觀,并可以同步顯示各個不同方向各類缺陷。但其缺陷是:不能檢測埋藏于表皮層如下缺陷,它只能檢查開口暴露于表面缺陷,此外操作工序繁雜。磁粉檢測法長處是磁粉檢測對構(gòu)件表面缺陷檢測敏捷度最高,缺陷是隨著缺陷埋藏深度增長,其檢測敏捷度迅速減少。此外,磁粉探傷僅局限于對鐵磁材料表面和近表面缺陷進行檢測,不能對奧氏體不銹鋼、鋁鎂合金制品缺陷進行檢測。電湍流檢測長處是檢測速度極快,易于實現(xiàn)自動化，合用于異形材和小零件檢測。缺陷是:探頭到試件表面距離要很小。X射線檢測長處是檢測成果可作為檔案資料長期保存,檢測圖像較直觀,對缺陷尺寸和性質(zhì)判斷比較容易。其缺陷是當裂紋面與射線近于垂直時就很難檢查出來,對構(gòu)件平面型缺陷(裂紋未熔和等缺陷)也具備一定檢測敏捷度,但與其他慣用無損檢測技術(shù)相比,對微小裂紋檢測敏捷度較低,并且生產(chǎn)成本高于其他無損檢測技術(shù),其檢查周期也較其他無損檢測技術(shù)長,并且射線對人體有害,需要防護設(shè)備,X射線法重要對象是焊縫和鑄件。超聲波檢測最大長處就是對裂紋、夾層、折疊、未焊透等類型缺陷具備很高檢測能力。其缺陷就是難以辨認缺陷種類。對于表面缺陷檢測,超聲波法比磁粉法和滲入法敏捷度要低,但是,超聲波法可以檢測表面裂紋深度。聲發(fā)射檢測辦法對線性缺陷較為敏感,它能探測到在外加構(gòu)造應(yīng)力下這些缺陷活動狀況,可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化實時或持續(xù)信息,因而合用于在線監(jiān)測。對于在用設(shè)備定期檢測,聲發(fā)射辦法可以縮短檢測停產(chǎn)時間,由于對構(gòu)件幾何形狀不敏感,而適于檢測其他辦法受到限制形狀復(fù)雜構(gòu)件。其缺陷就在于解釋聲發(fā)射源并不容易和檢測環(huán)境常有噪聲干擾。1.2.2疲勞壽命評估辦法在鋼橋疲勞方面，西南交通大學(xué)錢冬生專家做出了突出貢獻。她從20世紀50年代開始研究鋼橋疲勞問題，出版了國內(nèi)第一本全面闡述鋼橋疲勞問題專著《鋼橋疲勞設(shè)計》。1987~，潘際炎對鐵路橋梁設(shè)計基本理論展開研究，完畢了鐵路橋梁疲勞可靠度設(shè)計辦法。近年來，隨著交通運送發(fā)展，鋼橋疲勞問題日漸突出并受到注重?？蒲胁块T、高校相繼開展鋼橋疲勞研究工作，鐵科院史永吉專家，同濟大學(xué)陳惟珍專家、吳沖專家，西南交大范文理專家、趙人達專家及長安大學(xué)王春生副專家結(jié)合實橋?qū)︿摌蚱谑Ｓ鄩勖u估進行了系統(tǒng)地研究和探討，獲得了很大成果[4]~[13]。但總體來說，國內(nèi)疲勞問題研究與國外相比，尚有一定差距。疲勞問題研究始于19世紀初葉，德國人A.Wohler設(shè)計出了首臺疲勞實驗機，并對金屬試樣進行疲勞實驗。1871年，系統(tǒng)闡述了疲勞壽命與循環(huán)應(yīng)力關(guān)系，提出了用S-N曲線描述疲勞行為辦法和疲勞“耐久極限”概念，擬定了應(yīng)力幅是疲勞破壞決定因素，奠定了金屬疲勞基本。前蘇聯(lián)Cepehoeh.C.B在20世紀40年代推導(dǎo)出了常規(guī)疲勞設(shè)計計算公式。依照S-N曲線水平段進行設(shè)計稱為無限壽命設(shè)計;依照S-N曲線斜線段進行設(shè)計稱為有限壽命設(shè)計。老式S-N曲線描述是沒有初始裂紋構(gòu)造,在承受交變載荷作用下,產(chǎn)生宏觀裂紋及裂紋擴展,直至構(gòu)造斷裂全過程;而斷裂力學(xué)描述是具備初始裂紋缺陷構(gòu)造,在交變載荷作用下,裂紋處在亞臨界狀態(tài)下擴展規(guī)律。為理解決變幅應(yīng)力下有限壽命設(shè)計問題，1945年，美國人M.A.Miner在對疲勞累積損傷問題進行了大量實驗研究基本上，將J.V.Palmgren在1924年提出線性累積損傷理論公式化，形成Palmgren-Miner線性累積損傷法則。這一法則將變幅致傷效應(yīng)換算為常幅致傷效應(yīng)，從而將設(shè)計應(yīng)力頻值譜同疲勞抗力聯(lián)系起來，以為每一應(yīng)力脈對構(gòu)件導(dǎo)致疲勞損傷同其作用先后順序無關(guān)。結(jié)合近年來疲勞實驗得出各種構(gòu)造應(yīng)力脈與疲勞壽命關(guān)系，線性累積損傷法則在鋼橋疲勞設(shè)計和疲勞壽命評估中得到了廣泛應(yīng)用，并為各國規(guī)范采用。該評估辦法必要要解決疲勞細節(jié)強度擬定和荷載譜模仿這兩個核心問題。在計算疲勞壽命時,老式S-N曲線法需要盡量精確地概括投入運營后受載歷史,這就有很大困難;而斷裂力學(xué)辦法從已觀測到裂紋或假設(shè)裂紋出發(fā),通過實測或數(shù)值辦法模仿后來受載來擬定疲勞壽命,它長處是:不需要懂得受載歷史,只需擬定鋼橋材料常數(shù)值。與老式疲勞分析辦法相比，斷裂力學(xué)辦法長處重要在于:①承認初始缺陷存在更符合實際狀況;②評估立足點是構(gòu)造當前狀況，無需知曉受載歷史。1957年Irwin一方面指出可用應(yīng)力強度因子來表達裂紋頂端應(yīng)力奇異性大小。1963年美國人Paris指出，在恒幅循環(huán)加載中，疲勞裂紋在每個應(yīng)力循環(huán)過程中擴展量da/dN與應(yīng)力強度因子范疇△K關(guān)于，提出了表達裂紋擴展規(guī)律Paris公式，在此基本上發(fā)展出了損傷容限設(shè)計。Paris公式僅考慮裂紋增長中間線性區(qū)段，并假設(shè)裂紋擴展速率僅與應(yīng)力強度因子關(guān)于。隨后，F(xiàn)oreman和Weertman在其基本上考慮了裂紋擴展非線性段(裂紋萌生初期及擴展末期)，引入應(yīng)力比影響發(fā)展出了兩種較復(fù)雜裂紋擴展模型(即:Foreman模型和Weertman模型)。MillerandGallagher，OrtizandKiremedjian和veers等學(xué)者也提出了各自不同模型。當前基于斷裂力學(xué)損傷容限辦法是行之有效辦法，具備良好精度，己廣泛應(yīng)用于評估具有初始裂紋鋼橋，擬定其剩余壽命及檢測間隔。隨后人們發(fā)現(xiàn)無論是對于新建橋梁還是在役老橋，荷載歷程、材料屬性和幾何函數(shù)都具備不擬定性。疲勞損傷是一種隨時間而累積緩慢過程，包括許多不擬定參數(shù)，因而，基于斷裂力學(xué)疲勞損傷擬定性分析是不完善。為此，有學(xué)者將概率疲勞和概率斷裂力學(xué)引入構(gòu)造概率壽命與使用安全評估中去，逐漸形成構(gòu)造疲勞可靠度評估辦法。同步，在運用無損檢測(NDI)成果更新時變疲勞可靠度方面，諸多學(xué)者進行了有益地探討。1985年，Madsen一方面提出了運用無損檢測技術(shù)進行失效概率更新。Zhan和Halder發(fā)展了這種辦法，進一步研究了檢測過程中不擬定因素對失效概率更新影響，提出了針對不同檢測成果極限狀態(tài)方程，并運用更新可靠度指數(shù)來安排檢測時間，調(diào)節(jié)維護和修復(fù)籌劃。Byersetal也嘗試運用貝葉斯更新來進行疲勞評估。Zheng和Ellingwood對疲勞裂紋擴展模型進行修正，引入一種時間有關(guān)性噪聲譜來解決一種寬幅荷載進程，并研究了腐蝕效應(yīng)和疲勞破壞間互相作用，運用無損檢測成果來更新裂紋尺寸概率分布。當前，基于概率斷裂力學(xué)可靠度評估己成為研究熱點?；跀嗔蚜W(xué)疲勞可靠度剩余壽命評估辦法，考慮了荷載歷程、材料屬性和幾何函數(shù)不擬定性，并與當代無損檢測技術(shù)相結(jié)合來考慮疲勞可靠度更新，但有關(guān)研究還處在初步階段。1.2.3疲勞裂紋加固技術(shù)既有鋼橋多為不同年代設(shè)計，采用不同鋼材和不同連接辦法建造橋梁，有些鋼橋已無當時設(shè)計、施工原始資料，這給鋼橋維修加固管理帶來了一定難度。但由于鋼材高強度、高延性、易于通過加固恢復(fù)或提高其承載力,鋼橋往往不會被容易報廢。當前對鋼桁梁橋構(gòu)件及節(jié)點加固是鋼橋加固熱點問題。某些文獻建議宜用高強度螺栓拼接加固,慎用現(xiàn)場焊接拼接、補焊加固[14][15]。還是某些學(xué)者嘗試采用碳纖維辦法對鋼桁梁疲勞裂紋進行加固[16]，研究了碳纖維與鋼之間粘結(jié)滑移關(guān)系。參照文獻[1]VladimirZilberstein,DarrellSchlicker.MWMeddycurrentsensorsformonitoringofcrackinitiationandgrowthduringfatiguetestsandinservice.InternationalJournalofFatigue.23():S477~S485[2]GeorgeA.Alers.Earlydetectionoffatiguedamagebyresonantultra-sonicsensorsinsteelcomponentsofbridges.AsntFallConferenceinPittsburgh.Oct’97[3]陳惟珍,王春生,徐磊.上海市外白渡橋剩余壽命與使用安全[J].橋梁建設(shè).(2):6~7[4]王春生.鉚接鋼橋剩余壽命與使用安全評估〔D].上海:同濟大學(xué)，.[5]陳惟珍，AlbrechtG，KosteasD.老鋼橋剩余安全度與剩余壽命預(yù)計[J].同濟大學(xué)學(xué)報，，29(4)：384一389.[6]史永吉,楊妍曼等.鐵路“老齡”鉚接鋼橋剩余壽命評估.中華人民共和國鐵道科學(xué).1994(3):66~81[7]徐濟民.鐵路舊鋼橋中疲勞裂紋擴展壽命研究.鐵道學(xué)報.1994(9):106~111[8]錢冬生.鋼橋疲勞設(shè)計.西南交通大學(xué)出版社，1986[9]雷俊卿.20世紀中華人民共和國公路鋼橋現(xiàn)狀評估與對策.公路.（1）[10]徐俊.鐵路鋼橋疲勞壽命評估辦法研究.西南交通大學(xué)研究生論文.[11]王春生等.既有鐵路鋼橋剩余疲勞壽命概率性評估.計算力學(xué)學(xué)報，(8).[12]陳忠安.鐵路鋼橋疲勞可靠性分析研究.西南交通大學(xué)研究生論文.1989(3)[13]J.WFisher著.鋼橋疲勞設(shè)計解說.北京:人民鐵道出版社，1980[14]劉德品，黃新明，宋榮兵.鐵路鋼橋維修加固對策[J].交通科技，.5:30~32[15]范洪軍,劉鐵英.土耳其耶迪庫勒鐵路鋼橋疲勞壽命評估與加固[J],世界橋梁，.4:54~57[16]\t"result2"蔡洪能；\t"result2"陸玉姣；\t"result2"王雅生；\t"result2"并木宏德.FRP補強疲勞損傷鋼構(gòu)造裂紋擴展研究[J].材料工程，:378~381

二、重要研究內(nèi)容及研究辦法本項目將針對鋼橋疲勞計算所遇到荷載歷程、材料屬性和幾何函數(shù)不擬定性，對國內(nèi)典型鋼桁梁橋典型區(qū)域進行疲勞裂紋采用無損檢測方式檢測，總結(jié)歸納疲勞裂紋分布規(guī)律；應(yīng)用Montel-Carlo法實現(xiàn)荷載譜隨機模仿，并依照實測應(yīng)力譜修正數(shù)值模仿應(yīng)力譜，考慮疲勞可靠度更新，以概率斷裂力學(xué)為理論基本，同步充分考慮既有鋼橋疲勞失效特點，推算疲勞壽命與擬定檢測間隔；結(jié)合現(xiàn)行實體橋梁加固辦法，以有限元建模仿真分析及建立實體模型做實驗，探求養(yǎng)護維修方略，提出典型疲勞破壞裂紋加固技術(shù)。三、要達到目的、成果形式及重要技術(shù)指標3.1預(yù)期目的(1)編制基于超聲波法各典型區(qū)域疲勞裂紋檢測技術(shù)指南；(2)提出基于概率斷裂力學(xué)鋼桁梁疲勞壽命評估辦法，并開發(fā)面向?qū)ο罂梢暬u估軟件；(3)提出典型疲勞裂紋螺栓補強成套施工技術(shù)。3.2成果形式（1）編制基于超聲波法各典型區(qū)域疲勞裂紋檢測技術(shù)指南；（2）