基于断裂力学的钢桁架桥安全性能评估

（重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074）

基于断裂力学的钢桁架桥安全性能评估

吴 华

（重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074）

为了更好评估钢桁架桥在长期车辆荷载作用下的安全性能，基于断裂力学分析方法，提出了对在役刚好桁架桥梁安全性能评估的流程。评估流程如下：识别临界构件；求临界裂纹大小；求解裂纹从初始长度到临界尺寸的增长时间；计算钢桁桥的剩余寿命以此为断裂力学在钢桁架桥中的应用提供了参考。

断裂力学；钢桁架桥；性能评估；桥梁工程

0 前言

从19世纪以来，随着钢材冶炼技术不断提高，钢结构在桥梁中运用步入了新的高速发展阶段。然而对于已经建成的钢桁架桥梁，当时设计时根据的旧规范，车辆荷载还处于比较低的情况，而如今的车辆荷载等级和车流量大小都发生了很大变化，因此这些上世纪建成的钢桁架的结构性能不容乐观。为了在不拆除旧桥，现在继续一套正确评估钢桁架桥的性能流程，并根据评估对结构进行加固改造。

1 钢桁桥剩余寿命及其安全评估方法

在上世纪末，20世纪初，随着钢材冶炼技术的提高，大跨径、高承载力的钢桁架桥大肆推广，全国各地都在建造，并且许多桥现在仍在处于服役状态。但如今随着城市化的推进，车流量日益增大，交通荷载相比于之前严重加大，在这样的交通情况下，这些上世纪建造的刚桁架桥势必不能承受这样的荷载，因此这些桥梁中许多桁架节点、桁架杆件已经出现了明显的裂纹。并且伴随着裂纹发展的就是构件的脆性破坏，钢桁架一旦出现疲劳裂纹后，结构抗力急剧下降，能量消耗相比于之前相差甚远。这些疲劳裂纹对于钢桁架桥梁来说是致命的，历史上就有惨痛的教训。对于前文所述的钢桁架桥梁现状，国内外学者进行了大量研究，并且也提出了一定钢桁架桥剩余使用寿命计算方法[1]，但这其中仍然有许多不足之处。

2 断裂力学方法

断裂力学法是研究材料具备初始缺陷情况的一种方法。这种方法和传统名义应力法和局部应力法相比，它不需要桥梁结构从建造以来的具体受载历史，是从观察或者假设的裂纹出发，模拟结构在已有这些裂纹，再对其剩余使用寿命进行评估。

近年来，国内外学者进行了一系列基于断裂力学法的钢桁架的安全性能研究。实践表明运用断裂力学方法计算剩余寿命更准确也更安全。

2.1 确定初始裂纹尺寸

由上文所述，断裂力学法中，对结构的裂纹有两种处理方法：一是结构已经产生的裂纹，则可以在桥梁检测中直接测量；二是结构如果未发生裂纹，则在剩余使用寿命的计算过程中直接假设裂纹代替真实裂纹。可通过无损检测确定桁架结构中的裂纹。

2.2 识别临界构件

识别临界构件，顾名思义，就是确定一座钢桁架桥的关键构件，这些关键构件一旦破坏，桥梁结构也就会发生坍塌。因此，评估钢桁架桥的性能就转换到了评估关键构件的性能。

通过对全桥构件进行分类，确定各构件在结构中的重要性，进而确定进一步的评估方案或者剩余使用寿命计算模型[2]。本文将关键构件的识别过程总结为如下流程图（见图1）：

2.3 临界裂纹尺寸的确定

在钢桁桥桥梁结构中，钢材的变形和抗裂性能有多重因素决定，比如钢材晶体颗粒的大小，钢结构所处环境的温度，结构所在的应力状态，结构所受的荷载情况等等。钢材的韧性和温度成正比关系，这个关系是由钢材本身的性能决定，与钢材的形状、大小没有直接关系。本文采用K准则法来确定临界裂纹的尺寸，可按下式计算得到：

按上述方法确定临界裂纹尺寸后，若acr≥aN ，则材料只发生屈服，对应构件发生塑性破坏，即韧断；若acr＜aN ，则材料发生脆断。临界裂纹长度必须小于构件实际所能承受的最大长度amax。按以上分析可知临界裂纹长度为

利用简化模型计算净截面屈服裂纹长度aN，其近似表达式为：

2.4 钢桁桥剩余寿命计算方法

对于常幅加载且裂纹处于简单应力场的情况，裂纹增长公式宜采用Paris公式：

图 1 重要与临界构件识别

在桥梁结构中，裂纹增长速度较低，考虑阀值的因素，裂纹增长公式宜采用由Kesnil和Lukas修正的Paris公式：

2.5 探测间隔

上述公式可得出裂纹扩展曲线。值得注意的是，在工程实际中，由于人为因素和探测仪器的不稳定性，因此在根据公式推测裂纹扩展曲线和剩余使用寿命的计算过程中，应当考虑一定的安全系数。本文根据研究者做出的成果，将安全系数取为2，意思就是人为在结构检测过程中存在一次漏检的可能。

3 结语

应用断裂力学法对在役钢桁架桥进行安全性能评估，直接通过监测现有裂纹或者对裂纹进行假设，从而有效的减小了评估误差。本文介绍了基于断裂力学法的钢桁架安全性能评估流程，首先识别临界构件；求临界裂纹大小；求解裂纹达到临界尺寸所需时间，以确定调查间隔；根据计算结果讨论构件的修补和更换。

[1]陈惟珍. 老钢桥疲劳剩余寿命的计算方法. 第十四届全国桥梁学术会议论文集. 南京, 2000:5-7

[2]王春生, 陈艾荣, 陈惟珍. 铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估实例.同济大学学报（自然科学版）. 2006 年, 第 34 卷（第 4 期）: 461-466

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1007-6344（2017）08-0354-01

姓名：吴华 (1991.12--) 性别：男，四川省广安市人，学历：在读硕士研究生，专业或职业：桥梁与隧道工程。