基于次序定律的新损伤识别指数在既有铁路桥梁剩余疲劳寿命评估中的应用

Miner准则是铁路桥梁寿命评估的疲劳准则，在用于未知详细加载历史下的桥梁设计中是非常简单的。但在已知详细加载历史的既有铁路桥梁例子中，由于忽略了荷载次序效应，Miner准则可能提供错误的结果。近年来，一种基于次序定律的新损伤识别指数被提出同来准确获得荷载次序效应。但是，次序定律在既有铁路桥梁剩余疲劳寿命评估中还未得到适当的研究。本项目主要基于现场测试应力和桥梁目前的状况，将次序定律应用于铁路桥梁剩余疲劳寿命评估中，从而介绍一种用于评估既有铁路桥梁剩余疲劳寿命的新方法。这种方法拟通过理论分析、现场静动力测试和数值计算等技术手段，基于桥梁实际应力历史、次序定律和完全已知的W?hler曲线三者相结合，编制基于结构估计的相当精确的程序，通过对桥梁构件单轴和多轴应力的分析，确定桥梁每个关键部位的剩余疲劳寿命。最后得出将次序定律应用在已知详细应力历史的既有铁路桥梁剩余疲劳寿命评估中是非常明智的。

针对Miner准则在进行疲劳寿命评估时，忽略荷载次序效应而导致评估结果不可靠的情况，引入基于次序定律的新损伤识别指数，提出一种新疲劳模型。为了解新疲劳模型的评估效果，考查了两个Wöhler曲线模型，对比分析不同加载情况下新疲劳模型预测结果、文献数据、Miner准则预测结果和试验结果。结果表明新疲劳模型的预测结果与试验结果及文献数据符合较好，Miner准则预测结果偏大。使用基于次序定律的新疲劳模型可以得到更精确的疲劳寿命，这个方法主要基于预测的应力历程、完全已知的Wöhler曲线和次序定律。首先通过材料试验、现场静动力测试以及有效分析模型，评估桥梁结构状态；编制基于结构评估的相当精确的程序，以此获得桥梁过去和将来的应力历程；讨论将部分已知的Wöhler曲线转变为完全已知曲线的技术；接着通过对比一些材料的理论与实际的损伤行为和疲劳寿命，证实了次序定律和完全已知的Wöhler曲线模化技术能获得更好的与试验相符的结果；最后将新方法应用在疲劳寿命评估实桥中，结果表明对于铆接钢桥的桁架下弦杆、斜杆和竖杆，基于次序定律的剩余疲劳寿命评估值大于Miner准则评估值，但是对于桥面板构件横梁和纵梁来说恰好相反，符合著名的Lemaître和Bathias理论。基于次应力的疲劳寿命评估表明铆钉夹紧力和活动性是疲劳损伤的两个很重要因素。精确检测应力集中位置的情况，比如缺口、裂缝或者旧桥连接区域，可以更准确地评估疲劳寿命。考虑的次应力通常处于多轴状态，为了评估所谓的次应力，需要对构件铆接区域进行更精细的有限元分析。因为次应力评估考虑了关键的次应力历程和建造材料真实的疲劳损伤行为，使用这种方法可以得出更实际的疲劳损伤预测结果。但是此方法也是宏观范围的方法，随着桥梁寿命增加，不同结构构件的微小改变，都会导致高应力区域受力行为的改变，实际的疲劳寿命也会与此项评估有一定偏差。所以，基于次应力疲劳寿命评估的主要目的不在于给出桥梁疲劳寿命精确的结果，而是将次序定律应用在多轴疲劳剩余寿命评估中。综上所述将次序定律应用于已知详细应力历程的既有铁路桥梁剩余疲劳寿命评估中是非常明智的，可为既有铁路桥梁的疲劳使用寿命评估提供新方法，进而保障既有铁路桥梁的安全使用，避免不必要的维护与更换，建立合理的既有铁路桥梁使用安全评估体系，具有重要的学术意义和实用价值。