基于斷裂力學的鋼桁架橋安全性能評估

（重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074）

基于斷裂力學的鋼桁架橋安全性能評估

吳 華

（重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074）

為了更好評估鋼桁架橋在長期車輛荷載作用下的安全性能，基于斷裂力學分析方法，提出了對在役剛好桁架橋梁安全性能評估的流程。評估流程如下：識別臨界構件；求臨界裂紋大小；求解裂紋從初始長度到臨界尺寸的增長時間；計算鋼桁橋的剩余壽命以此為斷裂力學在鋼桁架橋中的應用提供了參考。

斷裂力學；鋼桁架橋；性能評估；橋梁工程

0 前言

從19世紀以來，隨著鋼材冶煉技術不斷提高，鋼結構在橋梁中運用步入了新的高速發展階段。然而對于已經建成的鋼桁架橋梁，當時設計時根據的舊規范，車輛荷載還處于比較低的情況，而如今的車輛荷載等級和車流量大小都發生了很大變化，因此這些上世紀建成的鋼桁架的結構性能不容樂觀。為了在不拆除舊橋，現在繼續一套正確評估鋼桁架橋的性能流程，并根據評估對結構進行加固改造。

1 鋼桁橋剩余壽命及其安全評估方法

在上世紀末，20世紀初，隨著鋼材冶煉技術的提高，大跨徑、高承載力的鋼桁架橋大肆推廣，全國各地都在建造，并且許多橋現在仍在處于服役狀態。但如今隨著城市化的推進，車流量日益增大，交通荷載相比于之前嚴重加大，在這樣的交通情況下，這些上世紀建造的剛桁架橋勢必不能承受這樣的荷載，因此這些橋梁中許多桁架節點、桁架桿件已經出現了明顯的裂紋。并且伴隨著裂紋發展的就是構件的脆性破壞，鋼桁架一旦出現疲勞裂紋后，結構抗力急劇下降，能量消耗相比于之前相差甚遠。這些疲勞裂紋對于鋼桁架橋梁來說是致命的，歷史上就有慘痛的教訓。對于前文所述的鋼桁架橋梁現狀，國內外學者進行了大量研究，并且也提出了一定鋼桁架橋剩余使用壽命計算方法[1]，但這其中仍然有許多不足之處。

2 斷裂力學方法

斷裂力學法是研究材料具備初始缺陷情況的一種方法。這種方法和傳統名義應力法和局部應力法相比，它不需要橋梁結構從建造以來的具體受載歷史，是從觀察或者假設的裂紋出發，模擬結構在已有這些裂紋，再對其剩余使用壽命進行評估。

近年來，國內外學者進行了一系列基于斷裂力學法的鋼桁架的安全性能研究。實踐表明運用斷裂力學方法計算剩余壽命更準確也更安全。

2.1 確定初始裂紋尺寸

由上文所述，斷裂力學法中，對結構的裂紋有兩種處理方法：一是結構已經產生的裂紋，則可以在橋梁檢測中直接測量；二是結構如果未發生裂紋，則在剩余使用壽命的計算過程中直接假設裂紋代替真實裂紋。可通過無損檢測確定桁架結構中的裂紋。

2.2 識別臨界構件

識別臨界構件，顧名思義，就是確定一座鋼桁架橋的關鍵構件，這些關鍵構件一旦破壞，橋梁結構也就會發生坍塌。因此，評估鋼桁架橋的性能就轉換到了評估關鍵構件的性能。

通過對全橋構件進行分類，確定各構件在結構中的重要性，進而確定進一步的評估方案或者剩余使用壽命計算模型[2]。本文將關鍵構件的識別過程總結為如下流程圖（見圖1）：

2.3 臨界裂紋尺寸的確定

在鋼桁橋橋梁結構中，鋼材的變形和抗裂性能有多重因素決定，比如鋼材晶體顆粒的大小，鋼結構所處環境的溫度，結構所在的應力狀態，結構所受的荷載情況等等。鋼材的韌性和溫度成正比關系，這個關系是由鋼材本身的性能決定，與鋼材的形狀、大小沒有直接關系。本文采用K準則法來確定臨界裂紋的尺寸，可按下式計算得到：

按上述方法確定臨界裂紋尺寸后，若acr≥aN ，則材料只發生屈服，對應構件發生塑性破壞，即韌斷；若acr＜aN ，則材料發生脆斷。臨界裂紋長度必須小于構件實際所能承受的最大長度amax。按以上分析可知臨界裂紋長度為

利用簡化模型計算凈截面屈服裂紋長度aN，其近似表達式為：

2.4 鋼桁橋剩余壽命計算方法

對于常幅加載且裂紋處于簡單應力場的情況，裂紋增長公式宜采用Paris公式：

圖 1 重要與臨界構件識別

在橋梁結構中，裂紋增長速度較低，考慮閥值的因素，裂紋增長公式宜采用由Kesnil和Lukas修正的Paris公式：

2.5 探測間隔

上述公式可得出裂紋擴展曲線。值得注意的是，在工程實際中，由于人為因素和探測儀器的不穩定性，因此在根據公式推測裂紋擴展曲線和剩余使用壽命的計算過程中，應當考慮一定的安全系數。本文根據研究者做出的成果，將安全系數取為2，意思就是人為在結構檢測過程中存在一次漏檢的可能。

3 結語

應用斷裂力學法對在役鋼桁架橋進行安全性能評估，直接通過監測現有裂紋或者對裂紋進行假設，從而有效的減小了評估誤差。本文介紹了基于斷裂力學法的鋼桁架安全性能評估流程，首先識別臨界構件；求臨界裂紋大小；求解裂紋達到臨界尺寸所需時間，以確定調查間隔；根據計算結果討論構件的修補和更換。

[1]陳惟珍. 老鋼橋疲勞剩余壽命的計算方法. 第十四屆全國橋梁學術會議論文集. 南京, 2000:5-7

[2]王春生, 陳艾榮, 陳惟珍. 鉚接鋼橋剩余壽命與使用安全評估實例.同濟大學學報（自然科學版）. 2006 年, 第 34 卷（第 4 期）: 461-466

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1007-6344（2017）08-0354-01

姓名：吳華 (1991.12--) 性別：男，四川省廣安市人，學歷：在讀碩士研究生，專業或職業：橋梁與隧道工程。