钢桁梁评估研究

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1、2011年度中国中铁股份有限公司科技研究开发计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方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职称教授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2011/03结束年度2012/09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，钢桁梁构件承受的应力幅和频数均明显增加，疲劳损伤问题突出。针对钢桥疲劳计算所遇到荷载历程、材

2、料属性和几何函数的不确定性，采用现代无损检测技术对疲劳裂纹进行检测，应用Montel-Carlo法实现荷载谱的随机模拟，并根据实测应力谱修正数值模拟应力谱，考虑疲劳可靠度的更新，以概率断裂力学为理论基础，同时充分考虑既有钢桥疲劳失效特点，推算疲劳寿命与确定检测间隔，探求养护维修策略，提出典型疲劳破坏裂纹的加固技术。申报单位审查意见： 盖章一、国内外现状1.1研究意义我国铁路运输线上存在大量钢桥，这些桥梁承受着日益繁重的交通荷载，其疲劳剩余寿命与使用安全已受到桥梁管理部门的高度重视.在全国铁路的多次提速及高速铁路开通的形式下，大轴重长编组重载列车轨道上运营也将成为今后铁路运输的趋势。目前国内出现

3、的最长货运列车的编组是2004年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吨的运煤专用敞车。大轴重长编组重载列车提高了列车的运输效率，但使铁路线路上的桥梁面临着严峻的考验。在历史上出现过的桥梁倒塌事件中，很多就是因为过载和疲劳等原因造成的。例如1994年10月，韩国汉城发生横跨汉江的圣水大桥中央断塌50m，造成32人死亡，17人重伤，造成桥梁在行车高潮期间突然断裂的原因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。2001年11月7日凌晨四川省宜宾市小南门桥发生桥面部分断落事故，桥两侧短吊杆部分分别垮塌20 m和40 m，造成2人死亡，吊杆破断的原因之一是钢

4、丝的腐蚀疲劳. 19381942年间欧洲共有40座焊接钢桥倒塌。1962年澳大利亚墨尔本的Kings桥在4.4时发生脆性断裂。但直到1967年12日西弗吉尼亚的Point Pleasant大桥在没有预兆的情况下倒塌，46人死亡，桥的脆性断裂问题才引起关注。人类认识到低温和结构内初始的缺陷或裂纹扩展会导致疲劳破坏的脆断。据美国ASCE疲劳与断裂分委会在1982年的调查结果，80%90%的钢结构破坏与疲劳断裂有关。上述桥梁的疲劳破坏同样威胁着在大轴重长编组重载列车作用下的铁路钢桁梁桥的安全。因此，对大轴重长编组重载列车作用下的钢桁梁桥的疲劳检测技术、疲劳寿命评估方法及加固技术进行研究具有重要的科学

5、意义和工程应用价值。1.2国内外研究现状疲劳裂纹检测技术钢桥疲劳裂纹的检测通常有三个步骤:目测法;铁锤敲打法;利用现代电子技术的无损检方法。在桥梁检测时一般采用无损检测方法来确裂纹或缺陷的形状、位置和大小,再把它们理想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方法,主要有:渗透(Penetrating)、磁粉检测法(MagnetismTesting)、电涡法(eddy-current)1、X射线法(X-ray)、超声波法(ultrasonic)23、声发射法(acoustic emission)等。这些方法各有优缺点,主要表现为渗透检测法的优点是应用广泛,原理简明易懂,检查经济,设

6、备简单,显示缺陷直观,并可以同时显示各个不同方向的各类缺陷。但其缺点是:不能检测埋藏于表皮层以下的缺陷,它只能检查开口暴露于表面的缺陷,另外操作工序繁杂。磁粉检测法的优点是磁粉检测对构件表面的缺陷检测灵敏度最高,缺点是随着缺陷的埋藏深度的增加,其检测灵敏度迅速降低。另外,磁粉探伤仅局限于对铁磁材料的表面和近表面缺陷进行检测,不能对奥氏体不锈钢、铝镁合金制品的缺陷进行检测。电湍流检测的优点是检测速度极快,易于实现自动化，适用于异形材和小零件的检测。缺点是:探头到试件表面的距离要很小。X射线检测的优点是检测结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。其缺点是当裂纹面与

7、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)也具有一定的检测灵敏度,但与其它常用的无损检测技术相比,对微小裂纹的检测灵敏度较低,并且生产成本高于其它无损检测技术,其检验周期也较其它无损检测技术长,并且射线对人体有害,需要防护设备,X射线法主要对象是焊缝和铸件。超声波检测的最大优点就是对裂纹、夹层、折叠、未焊透等类型的缺陷具有很高的检测能力。其缺点就是难以识别缺陷的种类。对于表面缺陷的检测,超声波法比磁粉法和渗透法的灵敏度要低,但是,超声波法可以检测表面裂纹的深度。声发射检测方法对线性缺陷较为敏感,它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况,可提供缺陷随载荷、时间、温度等

8、外变量而变化的实时或连续信息,因而适用于在线监测。对于在用设备的定期检测,声发射方法可以缩短检测的停产时间,由于对构件的几何形状不敏感,而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。其缺点就在于解释声发射源并不容易和检测环境常有噪声干扰。疲劳寿命评估方法在钢桥疲劳方面，西南交通大学钱冬生教授做出了突出贡献。他从20世纪50年代开始研究钢桥疲劳问题，出版了我国第一本全面阐述钢桥疲劳问题的专著钢桥疲劳设计。19872002年，潘际炎对铁路桥梁设计基础理论展开研究，完成了铁路桥梁疲劳可靠度设计方法。近年来，随着交通运输的发展，钢桥疲劳问题日渐突出并受到重视。科研部门、高校相继开展钢桥疲劳的研究工作，铁

9、科院史永吉教授，同济大学陈惟珍教授、吴冲教授，西南交大范文理教授、赵人达教授及长安大学王春生副教授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，取得了很大的成果413。但总体来说，国内疲劳问题的研究与国外相比，还有一定差距。疲劳问题的研究始于19世纪初叶，德国人A.Wohler设计出了首台疲劳试验机，并对金属试样进行疲劳试验。1871年，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了用S-N曲线描述疲劳行为的方法和疲劳“耐久极限”的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。前苏联的Cepehoeh.C.B在20世纪40年代推导出了常规疲劳的设计计算公式。根据S-N曲线的

10、水平段进行的设计称为无限寿命设计;根据S-N曲线斜线段进行的设计称为有限寿命设计。传统的S-N曲线描述的是没有初始裂纹的结构,在承受交变载荷的作用下,产生宏观裂纹及裂纹扩展,直至结构断裂的全过程;而断裂力学描述的是具有初始裂纹缺陷的结构,在交变载荷的作用下,裂纹处于亚临界状态下的扩展规律。为了解决变幅应力下的有限寿命设计问题，1945年，美国人M.A.Miner在对疲劳的累积损伤问题进行了大量试验研究的基础上，将J.V.Palmgren在1924年提出的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

11、抗力联系起来，认为每一应力脉对构件造成的疲劳损伤同其作用的先后顺序无关。结合多年来疲劳试验得出的各种构造的应力脉与疲劳寿命的关系，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。该评估方法必须要解决疲劳细节强度的确定和荷载谱模拟这两个关键问题。在计算疲劳寿命时,传统的S-N曲线法需要尽可能准确地概括投入运营后的受载历史,这就有很大困难;而断裂力学方法从已观察到的裂纹或假设的裂纹出发,通过实测或数值方法模拟以后的受载来确定疲劳寿命,它的优点是:不需要知道受载历史,只需确定钢桥材料的常数值。与传统的疲劳分析方法相比，断裂力学方法的优点主要在于:承认初始缺陷的存在更符

12、合实际情况;评估的立足点是结构的目前状况，无需知晓受载历史。1957年Irwin首先指出可用应力强度因子来表示裂纹顶端应力奇异性的大小。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的扩展量da/dN与应力强度因子范围K有关，提出了表达裂纹扩展规律的Paris公式，在此基础上发展出了损伤容限设计。Paris公式仅考虑裂纹增长的中间线性区段，并假设裂纹扩展速率仅与应力强度因子有关。随后，Foreman和Weertman在其基础上考虑了裂纹扩展的非线性段(裂纹萌生初期及扩展末期)，引入应力比的影响发展出了两种较复杂的裂纹扩展模型(即:Foreman模型和Weertm

13、an模型)。MillerandGallagher， OrtizandKiremedjian和veers等学者也提出了各自不同的模型。目前基于断裂力学的损伤容限方法是行之有效的方法，具有良好精度，己广泛应用于评估含有初始裂纹的钢桥，确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有不确定性。疲劳损伤是一个随时间而累积的缓慢过程，包含许多不确定参数，因此，基于断裂力学的疲劳损伤确定性分析是不完善的。为此，有学者将概率疲劳和概率断裂力学引入结构概率寿命与使用安全评估中去，逐渐形成结构疲劳可靠度评估方法。同时，在利用无损检测(NDI)结果更新时变疲

14、劳可靠度方面，很多学者进行了有益地探讨。1985年，Madsen首先提出了利用无损检测技术进行失效概率的更新。Zhan和Halder发展了这种方法，进一步研究了检测过程中不确定因素对失效概率更新的影响，提出了针对不同检测结果的极限状态方程，并利用更新的可靠度指数来安排检测时间，调整维护和修复计划。Byersetal也尝试利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，引入一个时间相关性噪声谱来处理一个宽幅荷载进程，并研究了腐蚀效应和疲劳破坏间的相互作用，利用无损检测结果来更新裂纹尺寸概率分布。目前，基于概率断裂力学的可靠度评估己成为研究的热点。基于断裂

15、力学的疲劳可靠度剩余寿命评估方法，考虑了荷载历程、材料属性和几何函数的不确定性，并与现代无损检测技术相结合来考虑疲劳可靠度的更新，但相关研究还处于初步阶段。疲劳裂纹加固技术现有钢桥多为不同年代设计，采用不同钢材和不同连接方法建造的桥梁，有些钢桥已无当时设计、施工的原始资料，这给钢桥的维修加固管理带来了一定的难度。但由于钢材的高强度、高延性、易于通过加固恢复或提高其承载力,钢桥往往不会被轻易报废。目前对钢桁梁桥构件及节点的加固是钢桥加固的热点问题。一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1415。还是一些学者尝试采用碳纤维的方法对钢桁梁疲劳裂纹进行加固16，研究了碳纤维与钢

16、之间的粘结滑移关系。参考文献1Vladimir Zilberstein,Darrell Schlicker.MWM eddy current sensors for monitoring of crack initiation and growth during fatigue tests and in service.International Journal of Fatigue.23(2001):S477S4852George A.Alers.Early detection of fatigue damage by resonant ultra-sonic sensors in stee

17、l components of bridges.Asnt Fall Conference in Pittsburgh.Oct973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.2002(2):674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，2003.5陈惟珍，Albrecht G, Kosteas D.老钢桥剩余安全度与剩余寿命估计J.同济大学学报，2001, 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.中国铁道科学.1994(3):66817徐济民.铁路旧钢桥中疲劳裂纹扩展寿命的研究.铁道学报.1994(9):10

18、61118钱冬生.钢桥疲劳设计.西南交通大学出版社，19869雷俊卿.20世纪中国公路钢桥的现状评估与对策.公路.2000（1）10徐俊.铁路钢桥疲劳寿命评估方法研究.西南交通大学硕士论文.200311王春生等.既有铁路钢桥剩余疲劳寿命的概率性评估.计算力学学报，2006(8).12陈忠安.铁路钢桥疲劳可靠性分析的研究.西南交通大学硕士论文.1989(3)13J.WFisher著.钢桥疲劳设计解说.北京:人民铁道出版社，198014刘德品，黄新明，宋荣兵.铁路钢桥维修加固对策J.交通科技，2009.5:303215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，2009.

19、4:545716 蔡洪能; 陆玉姣; 王雅生; 并木宏德. FRP补强疲劳损伤钢结构裂纹扩展研究J.材料工程，2006:378381二、主要研究内容及研究方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的不确定性，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法实现荷载谱的随机模拟，并根据实测应力谱修正数值模拟应力谱，考虑疲劳可靠度的更新，以概率断裂力学为理论基础，同时充分考虑既有钢桥疲劳失效特点，推算疲劳寿命与确定检测间隔；结合现行实体桥梁加固方法，以有限元建模仿真分析及建立实体模型做试验，探求养护维修策略，提

20、出典型疲劳破坏裂纹的加固技术。三、要达到的目标、成果形式及主要技术指标3.1预期目标(1) 编制基于超声波法的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的钢桁梁疲劳寿命评估方法，并开发面向对象可视化的评估软件；(3) 提出典型疲劳裂纹螺栓补强的成套施工技术。3.2成果形式（1）编制基于超声波法的各典型区域疲劳裂纹检测技术指南；（2）开发基于概率断裂力学的钢桁梁疲劳寿命评估方法的面向对象的可视化软件；（3）结合典型疲劳裂纹补强技术申请发明专利一项；（4）公开发表的国内外期刊及会议论文23篇，争取被三大检索收录12篇； （5）项目研究报告。四、前期工作基础2010年8月份中铁西南

21、科学研究院有限公司受成都铁路局委托对辖区内的172座桥梁进行了检测评估。检测中发现铁路钢桁梁出现了不同程度的老化，包括铆钉、高强度螺栓锈蚀，焊缝锈蚀、裂纹等。在铁路荷载长期反复作用下，势必会引起构件的疲劳断裂，因此对铁路钢桁梁检测评估及加固技术的研究具有重要的意义和工程应用价值。河海大学结构工程实验室为河海大学“211”工程、“小985”工程重点建设的实验室，拥有美国MTS公司动静万能试验机、大型拟动力液压伺服实验系统，各种相关试验测试设备齐全，具有开展各类大型结构试验的条件和基础。申请者长期从事科研工作，熟悉各相关设备的操作，能够确保该项目试验研究顺利进行。参研人员承担过交通部科技攻关及江苏

22、省交通运输厅科技支撑项目“缆索支承桥梁缆索及钢箱梁维护关键技术研究”、 “江苏高速公路梁式桥梁质量通病研究”和 “预应力混凝土空心板梁典型病害防治措施研究”等项目的研究，这些均与桥梁的病害和防治措施有关，尤其是“缆索支承桥梁缆索及钢箱梁维护关键技术研究”详细的以江阴长江大桥、南京三桥为依托工程对钢箱梁的疲劳损伤机理、疲劳寿命的预测及钢箱梁的加固补强技术进行深入的研究，许多成果可以为项目借鉴，从而为本项目的研究奠定了良好的基础。五、经费概算六、合作单位人员费：18万；设备费：40万；材料费：45万；测试化验加工费：30万； 燃料动力费：10万；差旅费：8万； 会议费：5万； 出版/文献/信息传播/知识产权事务费：4万； 专家咨询费：5万；管理费：3万河海大学