腐蚀疲劳耦合作用下桥梁吊索损伤机理及可靠性评估

The corrosion of bridge suspender under poor protection greatly reduced the fatigue performance, which can easily leading to safety accidents. The damage mechanism of bridge suspender under the couple action of corrosion and fatigue is very complex. The fatigue relibility investigation is affected by lots of the uncertain factors. The novelties in the proposed study is the systematic information fusion framework for the fatigue reliability analysis based on the posterior distributions. The corrosion-fatigue damage mechanism was revealed based on the in-situ fatigue testing. The main research tasks include: mechanism-based equivalent initial flaw size model for the fatigue damage prognostics; a multi-resolution in-situ fatigue testing and imaging analysis for mechanism investigation; coupled corrosion and fatigue crack initiation and propagation criteria and limit state function development; uncertainty quantification and propagation for the fatigue analysis of suspender in bridges; efficient inverse first-order reliability method (i-FORM) for efficient probabilistic life prediction; maximum entropy-based information fusion and uncertainty updating framework for the reliability estimation, remaining useful life prediction and condition-based maintenance scheduling.

桥梁吊索防护不当腐蚀后，疲劳性能大大降低，易产生安全事故。腐蚀和疲劳耦合作用下吊索复合损伤机理复杂，其疲劳可靠性评估受很多不确定性影响。本项目创新在于基于跨尺度原位试验，揭示吊索腐蚀疲劳复合损伤机理，系统考虑信息及模型不确定性，提出基于信息融合和不确定性更新的腐蚀疲劳可靠性分析理论框架。主要研究内容包括：通过先进的跨尺度原位试验和图像处理技术，分析材料裂纹发生发展规律，建立基于等效初始裂纹寿命预测模型，揭示预应力吊索腐蚀疲劳复合损伤机理，提出疲劳损伤的萌生和扩展准则，建立多物理失效模式下的吊索疲劳性能衰减和极限状态方程，并结合试验进行验证；进行吊索疲劳可靠性预测过程中的不确定性定量和传递分析，建立基于先验分布和逆一次二阶矩方法的快速随机寿命预测方法；在此基础上，提出基于最大信息熵理论的信息融合和不确定性更新方法，为后继服役期桥梁吊索后验可靠性评定、剩余寿命预测和维修决策提供科学依据。

本项目开展了不同应力比、不同环境下的吊索钢丝材料腐蚀疲劳裂纹扩展试验，得到了不同应力比、不同环境下的疲劳裂纹扩展速率；对比了试件断口形貌、裂纹扩展路径，研究了钢丝的疲劳断裂机理。研究了缺口类型和缺口尺寸对钢丝疲劳寿命的影响，给出了钢丝应力范围-疲劳寿命的曲线方程。建立了缺口精细的有限元三维实体计算模型，分析了缺口附近的应力分布状态，解释了坑蚀形态导致钢丝性能退化的原因。建立了椭圆形缺口钢丝应力集中系数与缺口长度和缺口深度的定量关系，通过一系列转换系数建立了多缺口应力集中系数与缺口长度和深度之间的定量关系。.为研究腐蚀对钢丝疲劳性能影响，开展了钢丝腐蚀及疲劳性能试验，研究了锈蚀对钢丝弹性模量、名义屈服强度、极限承载力、伸长率、极限应变以及抗拉强度的影响。统计了腐蚀钢丝蚀坑深度，引入腐蚀参数来定量描述钢丝的腐蚀情况。研究了不同应力幅下锈蚀率对钢丝疲劳寿命的影响。分析了腐蚀钢丝应力分布，结合有限元分析，通过弹性断裂力学分析，发展了基于临界域法的钢丝疲劳寿命预测模型。.通过建立全桥杆系有限元模型，对整桥进行力学分析，然后取出桥梁中的吊杆，进行实体有限元建模，对钢丝的受力状况进行精细分析，最后取出单根钢丝，利用宏微观跨尺度裂纹扩展模型，分析了钢丝从微观缺陷到宏观断裂的过程与机理，建立了考虑微观效应的跨尺度疲劳裂纹扩展模型。建立了吊索钢丝疲劳裂纹增长分析模型，给出了含蚀坑及应力集中系数的应力强度因子表达式；基于等效裂纹原理，考虑应力重分布及蚀坑的影响，引入关联系数，提出了桥梁吊索疲劳寿命预测方法，并进行了参数敏感性分析；发展了反一次二阶矩原理的疲劳寿命高效分析方法。建立了主值区间、过渡带形式及整体结构形式正态型隶属函数，提出了模糊概率分析方法和最优拟合方法。利用最大相对熵通过连续的更新预测了疲劳裂纹扩展过程，提出了基于信息融合的疲劳寿命更新方法。