[发明专利]一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算方法，尤其涉及一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法。

背景技术

现代大跨度桥梁大多采用钢桥，例如从1997年中国虎门大桥首次采用钢箱梁桥以来，中国的跨江、跨海大桥普遍采用大跨钢箱梁桥。这些大桥是中国的交通枢纽，承担着巨大的车辆通行压力。然而，自从这些桥梁运营以来，钢桥疲劳开裂问题就一直困扰着这些桥梁。在中国经济发达的两个区域，珠三角和长三角，有两座桥梁最典型。虎门大桥1997年通车，5年后就疲劳开裂；江阴大桥1999年通车，9年后也发现了疲劳裂纹。钢桥的过早疲劳开裂问题导致了巨大的经济损失和安全隐患。然而，这些钢桥的焊接细节采用欧洲、美国或者中国等国内外钢桥疲劳设计规范计算的疲劳寿命都远大于桥梁设计使用寿命100年，这表明现有钢桥疲劳设计规范过高估计了焊接细节的疲劳寿命。因而急需提出一种能够准确计算估焊接钢桥结构疲劳寿命的方法。

现有钢桥疲劳设计规范认为焊接细节的疲劳寿命仅与应力幅有关，而与平均应力无关，然后通过大量不同焊接类型的实验获得各类焊接细节的S-N曲线模型，再依据应力幅计算疲劳寿命。实际上，钢材的疲劳寿命是由应力幅和平均应力共同影响的。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，以准确考虑平均应力效应对焊接钢桥疲劳寿命的影响，克服现有钢桥疲劳设计规范对疲劳寿命估计过高的弊端。

技术方案：本发明的一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，包括：

S1：建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S-N曲线模型；

S2：考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，计算钢桥焊接细节的真实应力时程；

S3：利用雨流计数法对所述真实应力时程进行处理，并基于处理结果计算应力幅、平均应力和单次通车下的应力循环次数；

S4：利用建立的所述考虑平均应力修正的全空间S-N曲线模型，计算与所述应力幅、平均应力相对应的总应力循环次数；

S5：基于所述单次通车下的应力循环次数以及总应力循环次数，计算钢桥焊接细节的疲劳寿命。

进一步的，所述建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S-N曲线模型具体包括：

S11：建立对称循环下钢材的全空间S-N曲线模型的基本公式：

σ_-1＝a(N+B)^b+c (1)

式中，σ_-1为对称循环下的应力幅，N为所述应力幅对应的疲劳寿命，参数a,c,B参见式(2)，参数b与材料有关；

其中，

σ_k＝0.5σ_u (5)

式中，σ_u为材料的极限拉伸强度，Hv为材料硬度；1,σ_u分别为所述曲线模型的起始点对应的疲劳寿命和应力幅；N_k,σ_k分别为所述曲线模型的第二个拐点对应的疲劳寿命和应力幅；N_GCF,σ_GCF分别为所述曲线模型的终止点对应的疲劳寿命和应力幅；

S12：Goodman方程如式(6)所示：

(σ/σ_-1)+(σ_m/σ_s)＝1 (6)

式中，σ_s为材料屈服强度；σ_-1是对称循环下的应力幅；σ和σ_m是任意循环下的应力幅和平均应力；

S13：由式(6)解出σ_-1，如式(7)所示：

S14：根据(7)式和(1)式，即得考虑平均应力σ_m修正的全空间S-N曲线模型，如式(8)：

进一步的，所述步骤S2，具体包括：根据钢桥结构设计图纸，首先建立包含焊接细节的全桥有限元模型，进而采用生死单元技术和热-结构耦合方法进行焊接细节的焊接过程模拟，焊接过程模拟完成后，继续施加车辆荷载，考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，得到焊接细节的真实应力时程σ_t。