（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

基于斷裂力學(xué)的鋼桁架橋安全性能評(píng)估

吳 華

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

為了更好評(píng)估鋼桁架橋在長(zhǎng)期車輛荷載作用下的安全性能，基于斷裂力學(xué)分析方法，提出了對(duì)在役剛好桁架橋梁安全性能評(píng)估的流程。評(píng)估流程如下：識(shí)別臨界構(gòu)件；求臨界裂紋大小；求解裂紋從初始長(zhǎng)度到臨界尺寸的增長(zhǎng)時(shí)間；計(jì)算鋼桁橋的剩余壽命以此為斷裂力學(xué)在鋼桁架橋中的應(yīng)用提供了參考。

斷裂力學(xué)；鋼桁架橋；性能評(píng)估；橋梁工程

0 前言

從19世紀(jì)以來(lái)，隨著鋼材冶煉技術(shù)不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)在橋梁中運(yùn)用步入了新的高速發(fā)展階段。然而對(duì)于已經(jīng)建成的鋼桁架橋梁，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)的舊規(guī)范，車輛荷載還處于比較低的情況，而如今的車輛荷載等級(jí)和車流量大小都發(fā)生了很大變化，因此這些上世紀(jì)建成的鋼桁架的結(jié)構(gòu)性能不容樂(lè)觀。為了在不拆除舊橋，現(xiàn)在繼續(xù)一套正確評(píng)估鋼桁架橋的性能流程，并根據(jù)評(píng)估對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造。

1 鋼桁橋剩余壽命及其安全評(píng)估方法

在上世紀(jì)末，20世紀(jì)初，隨著鋼材冶煉技術(shù)的提高，大跨徑、高承載力的鋼桁架橋大肆推廣，全國(guó)各地都在建造，并且許多橋現(xiàn)在仍在處于服役狀態(tài)。但如今隨著城市化的推進(jìn)，車流量日益增大，交通荷載相比于之前嚴(yán)重加大，在這樣的交通情況下，這些上世紀(jì)建造的剛桁架橋勢(shì)必不能承受這樣的荷載，因此這些橋梁中許多桁架節(jié)點(diǎn)、桁架桿件已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的裂紋。并且伴隨著裂紋發(fā)展的就是構(gòu)件的脆性破壞，鋼桁架一旦出現(xiàn)疲勞裂紋后，結(jié)構(gòu)抗力急劇下降，能量消耗相比于之前相差甚遠(yuǎn)。這些疲勞裂紋對(duì)于鋼桁架橋梁來(lái)說(shuō)是致命的，歷史上就有慘痛的教訓(xùn)。對(duì)于前文所述的鋼桁架橋梁現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并且也提出了一定鋼桁架橋剩余使用壽命計(jì)算方法[1]，但這其中仍然有許多不足之處。

2 斷裂力學(xué)方法

斷裂力學(xué)法是研究材料具備初始缺陷情況的一種方法。這種方法和傳統(tǒng)名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力法相比，它不需要橋梁結(jié)構(gòu)從建造以來(lái)的具體受載歷史，是從觀察或者假設(shè)的裂紋出發(fā)，模擬結(jié)構(gòu)在已有這些裂紋，再對(duì)其剩余使用壽命進(jìn)行評(píng)估。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列基于斷裂力學(xué)法的鋼桁架的安全性能研究。實(shí)踐表明運(yùn)用斷裂力學(xué)方法計(jì)算剩余壽命更準(zhǔn)確也更安全。

2.1 確定初始裂紋尺寸

由上文所述，斷裂力學(xué)法中，對(duì)結(jié)構(gòu)的裂紋有兩種處理方法：一是結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋，則可以在橋梁檢測(cè)中直接測(cè)量；二是結(jié)構(gòu)如果未發(fā)生裂紋，則在剩余使用壽命的計(jì)算過(guò)程中直接假設(shè)裂紋代替真實(shí)裂紋?？赏ㄟ^(guò)無(wú)損檢測(cè)確定桁架結(jié)構(gòu)中的裂紋。

2.2 識(shí)別臨界構(gòu)件

識(shí)別臨界構(gòu)件，顧名思義，就是確定一座鋼桁架橋的關(guān)鍵構(gòu)件，這些關(guān)鍵構(gòu)件一旦破壞，橋梁結(jié)構(gòu)也就會(huì)發(fā)生坍塌。因此，評(píng)估鋼桁架橋的性能就轉(zhuǎn)換到了評(píng)估關(guān)鍵構(gòu)件的性能。

通過(guò)對(duì)全橋構(gòu)件進(jìn)行分類，確定各構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的重要性，進(jìn)而確定進(jìn)一步的評(píng)估方案或者剩余使用壽命計(jì)算模型[2]。本文將關(guān)鍵構(gòu)件的識(shí)別過(guò)程總結(jié)為如下流程圖（見圖1）：

2.3 臨界裂紋尺寸的確定

在鋼桁橋橋梁結(jié)構(gòu)中，鋼材的變形和抗裂性能有多重因素決定，比如鋼材晶體顆粒的大小，鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度，結(jié)構(gòu)所在的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)所受的荷載情況等等。鋼材的韌性和溫度成正比關(guān)系，這個(gè)關(guān)系是由鋼材本身的性能決定，與鋼材的形狀、大小沒(méi)有直接關(guān)系。本文采用K準(zhǔn)則法來(lái)確定臨界裂紋的尺寸，可按下式計(jì)算得到：

按上述方法確定臨界裂紋尺寸后，若acr≥aN ，則材料只發(fā)生屈服，對(duì)應(yīng)構(gòu)件發(fā)生塑性破壞，即韌斷；若acr＜aN ，則材料發(fā)生脆斷。臨界裂紋長(zhǎng)度必須小于構(gòu)件實(shí)際所能承受的最大長(zhǎng)度amax。按以上分析可知臨界裂紋長(zhǎng)度為

利用簡(jiǎn)化模型計(jì)算凈截面屈服裂紋長(zhǎng)度aN，其近似表達(dá)式為：

2.4 鋼桁橋剩余壽命計(jì)算方法

對(duì)于常幅加載且裂紋處于簡(jiǎn)單應(yīng)力場(chǎng)的情況，裂紋增長(zhǎng)公式宜采用Paris公式：

圖 1 重要與臨界構(gòu)件識(shí)別

在橋梁結(jié)構(gòu)中，裂紋增長(zhǎng)速度較低，考慮閥值的因素，裂紋增長(zhǎng)公式宜采用由Kesnil和Lukas修正的Paris公式：

2.5 探測(cè)間隔

上述公式可得出裂紋擴(kuò)展曲線。值得注意的是，在工程實(shí)際中，由于人為因素和探測(cè)儀器的不穩(wěn)定性，因此在根據(jù)公式推測(cè)裂紋擴(kuò)展曲線和剩余使用壽命的計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮一定的安全系數(shù)。本文根據(jù)研究者做出的成果，將安全系數(shù)取為2，意思就是人為在結(jié)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中存在一次漏檢的可能。

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用斷裂力學(xué)法對(duì)在役鋼桁架橋進(jìn)行安全性能評(píng)估，直接通過(guò)監(jiān)測(cè)現(xiàn)有裂紋或者對(duì)裂紋進(jìn)行假設(shè)，從而有效的減小了評(píng)估誤差。本文介紹了基于斷裂力學(xué)法的鋼桁架安全性能評(píng)估流程，首先識(shí)別臨界構(gòu)件；求臨界裂紋大??；求解裂紋達(dá)到臨界尺寸所需時(shí)間，以確定調(diào)查間隔；根據(jù)計(jì)算結(jié)果討論構(gòu)件的修補(bǔ)和更換。

[1]陳惟珍. 老鋼橋疲勞剩余壽命的計(jì)算方法. 第十四屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 南京, 2000:5-7

[2]王春生, 陳艾榮, 陳惟珍. 鉚接鋼橋剩余壽命與使用安全評(píng)估實(shí)例.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. 2006 年, 第 34 卷（第 4 期）: 461-466

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姓名：吳華 (1991.12--) 性別：男，四川省廣安市人，學(xué)歷：在讀碩士研究生，專業(yè)或職業(yè)：橋梁與隧道工程。