老化的铁路桁架桥的疲劳可靠性评估:概率应力-寿命方法的合理性外文翻译资料

 2022-03-25 20:15:02

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老化的铁路桁架桥的疲劳可靠性评估:概率应力-寿命方法的合理性

简要

bull;

摘要提出了一种精确的概率疲劳评估方法和最近提出的确定性疲劳评估方法。

bull;

确定性的方法捕获了可变振幅负载的加载序列效应,比使用矿工的方法更精确。

bull;

通过对一个老化的铁路桁架桥的剩余疲劳寿命进行预测,对两种评价方法进行了比较。

bull;

讨论了该方法的合理性、意义和有效性。

文摘

世界各地的铁路部门都在关注延长铁路桥梁的使用寿命。摘要采用确定性或概率疲劳评估方法,通常用于预测老化的铁路桥梁的疲劳寿命。在许多变幅加载条件下,由于矿工的规则没有正确地考虑加载顺序效应,所以人们发现生命预测是不可靠的。因此,本文提出了一种新的概率疲劳评估方法,该方法由一种新的损伤指示器组成,该方法比矿商的规则更精确地捕获了变幅值载荷的加载序列效应。通过应用两种疲劳评估方法对老旧铁路桥的疲劳寿命进行预测,并对其进行了比较。这一比较的目的是通过提出的概率疲劳评估方法,得出在加载序列效应后获取不确定性的可能性。本文首先介绍了这两种方法。然后,提出了一种预测老化的铁路桥梁疲劳寿命的方法。最后对疲劳寿命的预测进行了比较,讨论了该方法的合理性、意义和有效性。

关键字

铁路桥梁

疲劳寿命

加载顺序的影响

可靠性指标

破坏应力模型

1 .介绍

世界上大多数的铁路桥梁都超过了他们的设计寿命,而桥梁有关部门正在研究精确的寿命延长方法[1-3]。因此,对宝贵的结构健康监测和生命评估方法的发展进行了大量的研究。摘要由于铁路桥梁由于交通荷载的循环特性而易受疲劳损伤的影响,铁路桥梁对继续服务的剩余疲劳寿命的评估比以往任何时候都更加重要,尤其是在考虑结构更换和其他重大改造时。然而,由于阿克塞尔负荷的增加和桥梁的腐蚀恶化,这一任务很困难。

结构的疲劳评估主要是由确定性或概率的方法完成的。铁路桥的大多数确定性疲劳评估方法一般都是根据实际交通负荷下的实测应力历史的组合计算得出的,这是在实际的交通荷载作用下的[12,13],矿商[14]和铁路代码提供的疲劳曲线(也称为s-n或维勒曲线)。虽然所提到的确定性方法预测了剩余的疲劳寿命,但在疲劳评估过程中所固有的不确定性没有被捕获。这些不确定因素存在于应力历史的确定过程中(如结构分析、现场测量、负载测试、加载顺序和各自的历史)、选择细节类别、选择疲劳损伤理论[15, 16]。

概率疲劳评估的产生是为了更精确地捕捉这些不确定性的影响。这种方法通常基于疲劳失效相关可靠性指数的可能性。疲劳可靠性指数为预测剩余的疲劳寿命提供了一个工具。摘要对桥梁疲劳寿命预测进行了大量的可靠性分析研究。阿訇等[17]提出了一种基于历史和现在的火车荷载作用下的铁路桥的概率疲劳评估方法。权和弗朗波尔[18]采用了由归档测量数据获得的等效应力范围的概率密度函数(PDF),对钢桥进行了疲劳可靠性评估。摘要通过长期监测数据,提出了钢桥疲劳寿命和可靠性评估的疲劳可靠性模型,该模型将热点应力范围的概率分布与矿难累积规律的连续概率公式相结合。最近,权[15]和索利曼[16]提出了一种概率的双线性应力-寿命方法,用于改善钢桥的疲劳评估。矿工的规则被用作上述概率模型的疲劳损伤理论。

矿工的规则是最简单、最常用的疲劳寿命预测技术。其中一个有趣的特点是,当详细的载入历史未知时,生命计算是简单而可靠的。然而,在许多可变的振幅加载条件下,人们发现生命预测是不可靠的,因为它没有正确地考虑到负载序列效应[20—22]。因此,由于大部分的铁路桥梁都承受着变幅负荷,因此不确定使用矿工的规则来维持铁路桥的疲劳寿命估计。没有一项研究研究证实了对概率疲劳评估方法的加载顺序效应的考虑。

为了克服这一问题,本文的目标是将概率疲劳评估方法与由新的损伤指标(即损伤应力模型)相结合的确定性方法进行比较,该方法比矿商的规则更精确地捕捉可变振幅载荷的加载序列效应。通过应用两种疲劳评估方法对老旧铁路桥的疲劳寿命进行预测,并对其进行了比较。这一比较为老旧的铁路桥梁提供了概率应力-寿命疲劳方法的合理性。

2。使用应力-寿命方法的疲劳可靠性评估

本节介绍一种精确的概率疲劳评估方法和最近提出的确定性疲劳评估方法。第一个方法通常是基于疲劳失效相关可靠性指数的可能性。第二种方法是基于一个新的损伤指示器,它比矿工的规则更精确地捕获装载序列效果。

2.1。疲劳可靠性指数

摘要提出了一种基于概率双线性-n方法的桥梁疲劳可靠性指数的方法。结构构件或细节类别的疲劳可靠性与不违反某一特定疲劳极限状态的概率有关。根据极限状态函数(即g(t)=R- S),结构成员或细节类别的失败概率被定义为Pf=P(g(t)lt;0)。

可靠性指数为桥梁的考虑细节类别提供了一种疲劳损伤的测量方法。换句话说,可靠性指数定义了违反疲劳极限状态的概率。疲劳可靠性指数被定义为,

(1)beta;=ϕminus;1(1minus;Pf)

ϕminus;1是标准正态累积分布函数的倒数。相应的疲劳极限状态函数可以得到,

(2)g(t)=Delta;minus;D

矿工的临界损伤积累指数,被认为是对数正态分布,平均值为1.0,变异系数为0.3和D(COV)是矿工的损伤积累指数,可以推导出,

(3)D = { N(t)A1(SreL)m1forN(t)le;A1CAFTm1N(t)(CAFTm2minus;m1times;A1)(SreB)m2forN(t)gt; A1CAFTm1

SreL和斯雷伯是等效的恒定振幅应力范围,分别使用线性和双线性s-n方法计算,如图所示(4)。c船尾被指定为恒定的振幅疲劳阈值。m1和m2分别是应力-寿命疲劳曲线的斜率。A1是疲劳曲线尾部的疲劳细节系数。A2=A1CAFTm2 m1,是疲劳曲线的疲劳细节系数。N(t)是在t的生命周期中被认为是详细类别的循环次数。m1,m2,c艉和N(t)被认为是确定的参数。应力范围Sre,疲劳细节系数A1被认为是随机变量。

由于桥梁通常受变幅应力周期的影响,等效的恒幅应力范围可以计算为双线性s-n方法为16,

(4)Sre=[sum;(nioSrim1) (CAFTm1minus;m2)times;sum;(njoSrjm2)sum;(nio) sum;(njo)]1 / m1

在应力范围内,nio是应力范围内的循环次数,而不是c和njo,在应力范围内的循环次数小于c。(nio) (njo)是循环的总数量。或者,等效的恒定振幅应力范围可以用应力范围的PDF来计算,如下[16],

(5)Sre=[int;0 CAFT(CAFTm1minus;m2)times;Sm2times;f(s)times;ds int;CAFTinfin;Sm1times;f(s)times;ds)1 / m1

方程式。(2)和(3)可以用来计算疲劳可靠性指数(beta;)通过使用蒙特卡罗模拟应用软件如R,RELSYS CALREL或等疲劳可靠性指数(beta;)与生活的桥梁应策划并与目标可靠性指标(beta;target)来确定每一个细节的疲劳寿命的范畴。

2.2。损伤应力模型:一个新的损伤指示器

这一节介绍了一种新的损伤模型,该模型由一个新的指示器组成,它预测了确定性的疲劳寿命。

在相应的文献中,给出了损伤指示、Di的定义和对变幅值加载损伤应力模型的详细描述。

同时,通过比较理论疲劳寿命(即由矿工的规律和新的DSM)与实验观察到的疲劳寿命,对损伤应力模型(DSM)和在疲劳寿命预测中的全已知s-n曲线确定的准确性进行了确认。

本文仅对这一概念进行了总结,并提出了一种理解的算法。

例如,一个成员承受一定的应力幅度或应力范围,在负载水平上,i和Ni是与i对应的疲劳寿命(周期数)。

5)因此,在负载水平上的剩余生命可以得到(Ni)。

压力(i)与故障生命(Ni)相对应的应力(Ni)被命名为它的损伤应力幅度或应力范围(否则它可以作为应力幅值或与剩余寿命相关的应力范围)。

因此,新的伤害指示器,Di被声明为,

(6)Di =sigma;(i)情商minus;sigma;isigma;uminus;sigma;i

u是s-n曲线的截距,纵坐标是第一个疲劳周期的四分之一。此外,可以确定的是,u是极限的拉伸强度振幅或旋转弯曲试验的s-n曲线的范围,它是扭转疲劳试验-n-n曲线的极限抗剪强度幅度或范围。

同样的伤害被转化为负荷等级i 1因此,在等级i 1中,伤害等效应力是通过关系来计算的,

(7)Di =sigma;(i)情商minus;sigma;isigma;uminus;sigma;i =sigma;′(i 1)情商minus;sigma;i 1sigma;uminus;sigma;i 1

进一步简化Eq。(7)

(8)sigma;′(i 1)情商= Di(sigma;uminus;sigma;i 1) sigma;i 1

(i 1)eq是在i 1级上的伤害等效应力幅度或应力范围。因此,可以从图中所示的s-N曲线中获得相应的N#39;N#39;(i 1)R的相应数量的循环。1。i 1是在i 1级的应用应力的振幅或范围,当它受到N(i 1)的周期数时,相应的剩余寿命在负载水平i 1 N(i 1)R被计算为,

(9)N(i 1)R=N′(i 1)Rminus;n(i 1)

图1所示。全范围s-n曲线的参数表示。

因此,损伤应力幅值或应力范围(i 1)eq,对应于N(i 1)R在负载水平i 1,可以从图中所示的s-N曲线中得到。1。然后,负载等级i 1的累积伤害被定义为,

(10)D(i 1)=sigma;(i 1)eqminus;sigma;i 1sigma;uminus;sigma;i 1

在第一个周期中,损伤应力幅值或范围(i)eq等于应用的应力1,相应的损伤指示器变为Di=0。同样,在上一个循环中,当(i)eq等于u时,损害指示器就变成了Di=1。因此,损伤指示器在材料的疲劳失效中被规范化为1(Di=1),直到Di=1。在此,确定的疲劳失效是在结构构件最大应力位置的第一次过厚裂缝发生的时间。

这一新的损伤指标由DSM所组成,它已被证实为322,23材料的疲劳测试数据,并且已经证实,DSM对疲劳测试数据的预测比矿工的预测更接近。

3。案例研究——老化的铁路桥的疲劳可靠性评估

摘要讨论了老化的铁路桥梁的疲劳可靠性问题。评估是在第2部分中使用引入的新模型进行的。

1。认为铁路桥梁

所选的桥是斯里兰卡最长的铁路桥之一,跨度达160米(图2),是一根六根桥式的桥,有两车道的铁轨,有沃伦式的半经桁架,支撑在柱墩上。桥面由锻造的铁制而成,桥墩由铸铁外壳和填充的混凝土制成。这座桥建于1885年,位于海洋环境中。通过考虑图中所示的类似横截面特性,桥构件已被分类为若干组,名为“成员集”。3。桥上承载的列车及其频率的细节表明,该桥承受了24小时的变幅负载。

图2所示。考虑到桥梁的一般看法。

图3所示。成员组分类:(a)主桁架梁,(b)水平桥甲板3。

试验结果表明,该桥的超结构材料是锻铁,其弹性模量、屈服强度、拉伸强度、疲劳强度和密度分别为195点、240 MPa、383 MPa、155 MPa和7600公斤/立方米。

3.2。结构分析

使用通用的软件SAP 2000,对桥面进行了分析。摘要在实际荷载作用下,在实际荷载作用下,分析了桥上一个完整的中间跨度的三维(三维)模型(图4),确定了构件的应力和变形,以及在移动荷载作用下的应力变化。本分析采用了第3.1节和计算剖面特性所记录的材料特性。桥甲板用3D框架模型进行建模,而铆接的连接被假定为完全固定的5。对不同的过去和现在由业主指定的火车进行了动态分析。摘要通过对2001年3-24年结构评价过程中时间历史动态分析的结果进行比较,验证了该模型的有效性。这些比较表明,该模型的分析结果与实际桥梁的测量结果有良好的一致性。最后,该模型用于通过列车的每一段,获得每个成员的过去和现在的名义应力历史。

图4所示。移动列车荷载的有限元分析结果:(a)垂直位移在火车桥的中间(b)最大应力接管所有压力点在每个横截面当列车在桥的中间(c)最低压力接管所有压力点在每个横截面当列车在桥的中间(d)垂直位移当火车离开之前桥(e)最大应力接管所有压力点在每个横截面当火车离开之前桥(f)最低压力接管所有压力点在每个横截面当火车离开之前桥。(为了解释这个图中关于颜色的引用,读者可以参考本文的web版本)。

黄色:拉应力

红色:压应力

自由铆钉的收缩主要受连接板的限制,因此被压缩在厚度上。铆钉的残余抗拉力和板上的压力相互平衡;也就是所谓的夹紧力。因此,铆钉的夹紧力在铆钉孔附近的连接板上产生了一个复杂的三轴应力状态。最后,夹紧力似乎受应力分布的作用机理的影响。现场实践经验表明,由于正常情况下的夹紧力可能会发生很大的变化。因此,它不可能被赋予一个可靠的价值。此外,由于蠕变、板面表面的摩擦、超载(由于残余的塑性变形)等时间(当桥梁老化)时,可以假定一定程度的铆钉夹紧力。因此,在普通的间隙孔中,铆钉被保守地假定为非预装螺栓。因此,铆钉所在位置的网横截面,被认为是为了确定每一段列车的每一段的名义应力历史。

3.3。协同疲劳强度曲线

摘要桥梁主要构件间的二次应力(局部应力集中)效应是造成老化钢桥疲劳损伤的主要原因之一。进一步指出,铆接连接的旋转稳定性和铆钉的夹紧力的变化是引起铆接连接疲劳裂纹的主要原因。因此,细节类的s-n曲线(也称为细节类)通常被用于描述由于上述应力集中引起的应力集中所造成的疲劳损伤。通过对材料s-n曲线进行相应的修正,或通过对全尺寸铆接成员的实验结果,得到了s-n曲线的详细分类。通过考虑工艺的质量和铆接连接的现状,确定了细节类别。

现场调查显示,桥上铆接的铁连接是用普通的夹紧力来表示连接或拼接的连接行为。因此,铆接的连接被划分为“空心铆钉”(即空心铆钉细节类或类),

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