老钢桥疲劳剩余寿命的计算方法

[摘要]许多铆接和焊接老钢桥经过长时间的运营后，安全度已逐步耗散，它们的剩余寿命以及使用安全性已引起桥梁工程界的重视。本文就疲劳损伤方面，对老钢桥疲劳剩余寿命的计算方法做了较深入的探讨，对名义应力法与断裂力学方法的应用做了详尽的比较。
关键词 老钢桥 剩余寿命

一、引言
回首过去200年，钢桥结构已有了长足发展。从材料方面看，先是铸铁（1870～1910），再是锻铜（1910～）。作为连接手段，首先是销接、铆接，再是20世纪的焊接和栓接。许多在这各个时期建造的钢桥至今仍在运营，有些可能已达到了寿命枯竭的地步。在对铁路桁架桥的调查中，已发现受拉斜腹杆中有微小裂纹。欧洲许多建于50～60年代高速公路网扩建时的焊接钢桥，在今天大轴重大流量交通荷载作用下，许多部位出现疲劳裂纹。面对这样一大批老钢桥，剩余寿命问题日益突出，即在什么样的检测条件下能够连续保持老桥使用多久，它在经济上具有重要意义。尽管许多国家规范规定了对疲劳的验算，但是对剩余寿命的计算还存在不足之处，甚至还需研究一套全新的计算方法。
计算构件寿命除试验方法外，今天已有三种较成熟的方法：名义应力法、局部应力应变法和断裂力学法。名义应力法计算寿命直到断裂，局部应力应变法计算寿命直到技术起裂，对表面裂纹约为 0.5mm深。寿命的剩余部分，即从起裂至最终断裂，可由断裂力学方法计算：
TR=TL-TA
其中TL--构件至断裂时的寿命；
TA--构件至起裂时的寿命。
对光滑试件TR仅占5%～10%。但对切口试件，或是真实构件，TR的份额很高，有时甚至占全部寿命。

二、剩余寿命计算方法
L名义应力法
名义应力法计算寿命是建立在损伤积累理论之上，其受力与抗力是通过名义应力来描述的。描述细节抗力的韦勒曲线是由疲劳试验得出的，在预测应力谱基础之上，就可以计算桥梁剩余寿命。
（1）韦勒曲线
建筑钢细节韦勒曲线的一般形式在欧洲规范第3篇中定义为如图1所示，具体的参数可查自文献资料或试验结果。疲劳曲线中斜线部分可用下式表示：

图中每根曲线可用应力循环2,000,000 处的相关疲劳强度来定义。每个相关疲劳强度对应一个细节状态，一般m1取为3.0，常幅疲劳极限定义为5,000,000处的疲劳强度，为了适应于变幅应力情况，让曲线按m2＝m1十2继续向下延伸至 1,000,000,00 处。这些疲劳曲线已包括下列受力和影响因素：
·高残余应力
·高应力比
·温度、尺寸、装配或贴合的影响。
为了应用方便，各种构造细节都按细节状况进行分类。
(2）应力谱
疲劳受力是由许多荷载工况组成，取决于受载的频率和大小以及桥梁结构型式。桥梁结构中的疲劳应力是一个随机过程，经雨流法计数后可以得到一个台阶式的应力诸图（图2)。根据损伤相同的原则可用下式计算等代应力幅