钢桁梁评估研究样本

中华人民共和国中铁股份有限公司科技研究开发筹划课题申请表课题名称大轴重长编组重载列车作用下钢桁梁检测评估办法及加固技术研究单位名称中铁西南科学研究院有限公司单位地址成都市金牛区西月城街118号邮编610031申请人姓名唐英性别女年龄47职称专家级高工电话课题总经费（万元）168申请股份公司经费（万元）168起始年度/03结束年度/09项目类别A-重大课题投送领域B-重点课题B重载铁路修建、既有铁路扩能提速及养护维修综合技术C-引导课题研究内容提要在大轴重长编组重载列车作用下，钢桁梁构件承受应力幅和频数均明显增长，疲劳损伤问题突出。针对钢桥疲劳计算所遇到荷载历程、材料属性和几何函数不拟定性，采用当代无损检测技术对疲劳裂纹进行检测，应用Montel-Carlo法实现荷载谱随机模仿，并依照实测应力谱修正数值模仿应力谱，考虑疲劳可靠度更新，以概率断裂力学为理论基本，同步充分考虑既有钢桥疲劳失效特点，推算疲劳寿命与拟定检测间隔，探求养护维修方略，提出典型疲劳破坏裂纹加固技术。申报单位审查意见：盖章一、国内外现状1.1研究意义国内铁路运送线上存在大量钢桥，这些桥梁承受着日益繁重交通荷载，其疲劳剩余寿命与使用安全已受到桥梁管理部门高度注重.在全国铁路多次提速及高速铁路开通形式下，大轴重长编组重载列车轨道上运营也将成为此后铁路运送趋势。当前国内浮现最长货运列车编组是12月12日大秦铁路上一列2万吨重载货运列车，它编组了201辆80吨运煤专用敞车。大轴重长编组重载列车提高了列车运送效率，但使铁路线路上桥梁面临着严峻考验。在历史上浮现过桥梁崩塌事件中，诸多就是由于过载和疲劳等因素导致。例如1994年10月，韩国汉城发生横跨汉江圣水大桥中央断塌50m，导致32人死亡，17人重伤，导致桥梁在行车高潮期间突然断裂因素是桥梁长期超负荷载运营，下部钢桁架螺栓及杆件疲劳破坏所致。11月7日凌晨四川省宜宾市小南门桥发生桥面某些断落事故，桥两侧短吊杆某些分别垮塌20m和40m，导致2人死亡，吊杆破断因素之一是钢丝腐蚀疲劳.1938~1942年间欧洲共有40座焊接钢桥崩塌。1962年澳大利亚墨尔本Kings桥在4.4℃时发生脆性断裂。但直到1967年12日西弗吉尼亚PointPleasant大桥在没有预兆状况下崩塌，46人死亡，桥脆性断裂问题才引起关注。人类结识到低温和构造内初始缺陷或裂纹扩展会导致疲劳破坏脆断。据美国ASCE疲劳与断裂分委会在1982年调查成果，80%~90%钢构造破坏与疲劳断裂关于。1.2国内外研究现状1.2.1疲劳裂纹检测技术钢桥疲劳裂纹检测普通有三个环节:①目测法;②铁锤敲打法;③运用当代电子技术无损检办法。在桥梁检测时普通采用无损检测办法来确裂纹或缺陷形状、位置和大小,再把它们抱负化穿透裂纹或椭圆半椭圆形裂纹。现今已发展了许多无损检测办法,重要有:渗入(Penetrating)、磁粉检测法(MagnetismTesting)、电涡法(eddy-current)[1]、X射线法(X-ray)、超声波法(ultrasonic)[2][3]、声发射法(acousticemission)等。这些办法各有优缺陷,重要体现为渗入检测法长处是应用广泛,原理简要易懂,检查经济,设备简朴,显示缺陷直观,并可以同步显示各个不同方向各类缺陷。但其缺陷是:不能检测埋藏于表皮层如下缺陷,它只能检查开口暴露于表面缺陷,此外操作工序繁杂。磁粉检测法长处是磁粉检测对构件表面缺陷检测敏捷度最高,缺陷是随着缺陷埋藏深度增长,其检测敏捷度迅速减少。此外,磁粉探伤仅局限于对铁磁材料表面和近表面缺陷进行检测,不能对奥氏体不锈钢、铝镁合金制品缺陷进行检测。电湍流检测长处是检测速度极快,易于实现自动化，合用于异形材和小零件检测。缺陷是:探头到试件表面距离要很小。X射线检测长处是检测成果可作为档案资料长期保存,检测图像较直观,对缺陷尺寸和性质判断比较容易。其缺陷是当裂纹面与射线近于垂直时就很难检查出来,对构件平面型缺陷(裂纹未熔和等缺陷)也具备一定检测敏捷度,但与其他惯用无损检测技术相比,对微小裂纹检测敏捷度较低,并且生产成本高于其他无损检测技术,其检查周期也较其他无损检测技术长,并且射线对人体有害,需要防护设备,X射线法重要对象是焊缝和铸件。超声波检测最大长处就是对裂纹、夹层、折叠、未焊透等类型缺陷具备很高检测能力。其缺陷就是难以辨认缺陷种类。对于表面缺陷检测,超声波法比磁粉法和渗入法敏捷度要低,但是,超声波法可以检测表面裂纹深度。声发射检测办法对线性缺陷较为敏感,它能探测到在外加构造应力下这些缺陷活动状况,可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化实时或持续信息,因而合用于在线监测。对于在用设备定期检测,声发射办法可以缩短检测停产时间,由于对构件几何形状不敏感,而适于检测其他办法受到限制形状复杂构件。其缺陷就在于解释声发射源并不容易和检测环境常有噪声干扰。1.2.2疲劳寿命评估办法在钢桥疲劳方面，西南交通大学钱冬生专家做出了突出贡献。她从20世纪50年代开始研究钢桥疲劳问题，出版了国内第一本全面阐述钢桥疲劳问题专著《钢桥疲劳设计》。1987~，潘际炎对铁路桥梁设计基本理论展开研究，完毕了铁路桥梁疲劳可靠度设计办法。近年来，随着交通运送发展，钢桥疲劳问题日渐突出并受到注重。科研部门、高校相继开展钢桥疲劳研究工作，铁科院史永吉专家，同济大学陈惟珍专家、吴冲专家，西南交大范文理专家、赵人达专家及长安大学王春生副专家结合实桥对钢桥疲劳剩余寿命评估进行了系统地研究和探讨，获得了很大成果[4]~[13]。但总体来说，国内疲劳问题研究与国外相比，尚有一定差距。疲劳问题研究始于19世纪初叶，德国人A.Wohler设计出了首台疲劳实验机，并对金属试样进行疲劳实验。1871年，系统阐述了疲劳寿命与循环应力关系，提出了用S-N曲线描述疲劳行为办法和疲劳“耐久极限”概念，拟定了应力幅是疲劳破坏决定因素，奠定了金属疲劳基本。前苏联Cepehoeh.C.B在20世纪40年代推导出了常规疲劳设计计算公式。依照S-N曲线水平段进行设计称为无限寿命设计;依照S-N曲线斜线段进行设计称为有限寿命设计。老式S-N曲线描述是没有初始裂纹构造,在承受交变载荷作用下,产生宏观裂纹及裂纹扩展,直至构造断裂全过程;而断裂力学描述是具备初始裂纹缺陷构造,在交变载荷作用下,裂纹处在亚临界状态下扩展规律。为理解决变幅应力下有限寿命设计问题，1945年，美国人M.A.Miner在对疲劳累积损伤问题进行了大量实验研究基本上，将J.V.Palmgren在1924年提出线性累积损伤理论公式化，形成Palmgren-Miner线性累积损伤法则。这一法则将变幅致伤效应换算为常幅致伤效应，从而将设计应力频值谱同疲劳抗力联系起来，以为每一应力脉对构件导致疲劳损伤同其作用先后顺序无关。结合近年来疲劳实验得出各种构造应力脉与疲劳寿命关系，线性累积损伤法则在钢桥疲劳设计和疲劳寿命评估中得到了广泛应用，并为各国规范采用。该评估办法必要要解决疲劳细节强度拟定和荷载谱模仿这两个核心问题。在计算疲劳寿命时,老式S-N曲线法需要尽量精确地概括投入运营后受载历史,这就有很大困难;而断裂力学办法从已观测到裂纹或假设裂纹出发,通过实测或数值办法模仿后来受载来拟定疲劳寿命,它长处是:不需要懂得受载历史,只需拟定钢桥材料常数值。与老式疲劳分析办法相比，断裂力学办法长处重要在于:①承认初始缺陷存在更符合实际状况;②评估立足点是构造当前状况，无需知晓受载历史。1957年Irwin一方面指出可用应力强度因子来表达裂纹顶端应力奇异性大小。1963年美国人Paris指出，在恒幅循环加载中，疲劳裂纹在每个应力循环过程中扩展量da/dN与应力强度因子范畴△K关于，提出了表达裂纹扩展规律Paris公式，在此基本上发展出了损伤容限设计。Paris公式仅考虑裂纹增长中间线性区段，并假设裂纹扩展速率仅与应力强度因子关于。随后，Foreman和Weertman在其基本上考虑了裂纹扩展非线性段(裂纹萌生初期及扩展末期)，引入应力比影响发展出了两种较复杂裂纹扩展模型(即:Foreman模型和Weertman模型)。MillerandGallagher，OrtizandKiremedjian和veers等学者也提出了各自不同模型。当前基于断裂力学损伤容限办法是行之有效办法，具备良好精度，己广泛应用于评估具有初始裂纹钢桥，拟定其剩余寿命及检测间隔。随后人们发现无论是对于新建桥梁还是在役老桥，荷载历程、材料属性和几何函数都具备不拟定性。疲劳损伤是一种随时间而累积缓慢过程，包括许多不拟定参数，因而，基于断裂力学疲劳损伤拟定性分析是不完善。为此，有学者将概率疲劳和概率断裂力学引入构造概率寿命与使用安全评估中去，逐渐形成构造疲劳可靠度评估办法。同步，在运用无损检测(NDI)成果更新时变疲劳可靠度方面，诸多学者进行了有益地探讨。1985年，Madsen一方面提出了运用无损检测技术进行失效概率更新。Zhan和Halder发展了这种办法，进一步研究了检测过程中不拟定因素对失效概率更新影响，提出了针对不同检测成果极限状态方程，并运用更新可靠度指数来安排检测时间，调节维护和修复筹划。Byersetal也尝试运用贝叶斯更新来进行疲劳评估。Zheng和Ellingwood对疲劳裂纹扩展模型进行修正，引入一种时间有关性噪声谱来解决一种宽幅荷载进程，并研究了腐蚀效应和疲劳破坏间互相作用，运用无损检测成果来更新裂纹尺寸概率分布。当前，基于概率断裂力学可靠度评估己成为研究热点。基于断裂力学疲劳可靠度剩余寿命评估办法，考虑了荷载历程、材料属性和几何函数不拟定性，并与当代无损检测技术相结合来考虑疲劳可靠度更新，但有关研究还处在初步阶段。1.2.3疲劳裂纹加固技术既有钢桥多为不同年代设计，采用不同钢材和不同连接办法建造桥梁，有些钢桥已无当时设计、施工原始资料，这给钢桥维修加固管理带来了一定难度。但由于钢材高强度、高延性、易于通过加固恢复或提高其承载力,钢桥往往不会被容易报废。当前对钢桁梁桥构件及节点加固是钢桥加固热点问题。某些文献建议宜用高强度螺栓拼接加固,慎用现场焊接拼接、补焊加固[14][15]。还是某些学者尝试采用碳纤维办法对钢桁梁疲劳裂纹进行加固[16]，研究了碳纤维与钢之间粘结滑移关系。参照文献[1]VladimirZilberstein,DarrellSchlicker.MWMeddycurrentsensorsformonitoringofcrackinitiationandgrowthduringfatiguetestsandinservice.InternationalJournalofFatigue.23():S477~S485[2]GeorgeA.Alers.Earlydetectionoffatiguedamagebyresonantultra-sonicsensorsinsteelcomponentsofbridges.AsntFallConferenceinPittsburgh.Oct’97[3]陈惟珍,王春生,徐磊.上海市外白渡桥剩余寿命与使用安全[J].桥梁建设.(2):6~7[4]王春生.铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估〔D].上海:同济大学，.[5]陈惟珍，AlbrechtG，KosteasD.老钢桥剩余安全度与剩余寿命预计[J].同济大学学报，，29(4)：384一389.[6]史永吉,杨妍曼等.铁路“老龄”铆接钢桥剩余寿命评估.中华人民共和国铁道科学.1994(3):66~81[7]徐济民.铁路旧钢桥中疲劳裂纹扩展寿命研究.铁道学报.1994(9):106~111[8]钱冬生.钢桥疲劳设计.西南交通大学出版社，1986[9]雷俊卿.20世纪中华人民共和国公路钢桥现状评估与对策.公路.（1）[10]徐俊.铁路钢桥疲劳寿命评估办法研究.西南交通大学研究生论文.[11]王春生等.既有铁路钢桥剩余疲劳寿命概率性评估.计算力学学报，(8).[12]陈忠安.铁路钢桥疲劳可靠性分析研究.西南交通大学研究生论文.1989(3)[13]J.WFisher著.钢桥疲劳设计解说.北京:人民铁道出版社，1980[14]刘德品，黄新明，宋荣兵.铁路钢桥维修加固对策[J].交通科技，.5:30~32[15]范洪军,刘铁英.土耳其耶迪库勒铁路钢桥疲劳寿命评估与加固[J],世界桥梁，.4:54~57[16]\t"result2"蔡洪能；\t"result2"陆玉姣；\t"result2"王雅生；\t"result2"并木宏德.FRP补强疲劳损伤钢构造裂纹扩展研究[J].材料工程，:378~381

二、重要研究内容及研究办法本项目将针对钢桥疲劳计算所遇到荷载历程、材料属性和几何函数不拟定性，对国内典型钢桁梁桥典型区域进行疲劳裂纹采用无损检测方式检测，总结归纳疲劳裂纹分布规律；应用Montel-Carlo法实现荷载谱随机模仿，并依照实测应力谱修正数值模仿应力谱，考虑疲劳可靠度更新，以概率断裂力学为理论基本，同步充分考虑既有钢桥疲劳失效特点，推算疲劳寿命与拟定检测间隔；结合现行实体桥梁加固办法，以有限元建模仿真分析及建立实体模型做实验，探求养护维修方略，提出典型疲劳破坏裂纹加固技术。三、要达到目的、成果形式及重要技术指标3.1预期目的(1)编制基于超声波法各典型区域疲劳裂纹检测技术指南；(2)提出基于概率断裂力学钢桁梁疲劳寿命评估办法，并开发面向对象可视化评估软件；(3)提出典型疲劳裂纹螺栓补强成套施工技术。3.2成果形式（1）编制基于超声波法各典型区域疲劳裂纹检测技术指南；（2）