腐蝕疲勞耦合作用下橋樑吊索損傷機理及可靠性評估

《腐蝕疲勞耦合作用下橋樑吊索損傷機理及可靠性評估》是依託長沙理工大學，由張建仁擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：腐蝕疲勞耦合作用下橋樑吊索損傷機理及可靠性評估
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張建仁
• 依託單位：長沙理工大學

項目摘要

橋樑吊索防護不當腐蝕後，疲勞性能大大降低，易產生安全事故。腐蝕和疲勞耦合作用下吊索複合損傷機理複雜，其疲勞可靠性評估受很多不確定性影響。本項目創新在於基於跨尺度原位試驗，揭示吊索腐蝕疲勞複合損傷機理，系統考慮信息及模型不確定性，提出基於信息融合和不確定性更新的腐蝕疲勞可靠性分析理論框架。主要研究內容包括：通過先進的跨尺度原位試驗和圖像處理技術，分析材料裂紋發生髮展規律，建立基於等效初始裂紋壽命預測模型，揭示預應力吊索腐蝕疲勞複合損傷機理，提出疲勞損傷的萌生和擴展準則，建立多物理失效模式下的吊索疲勞性能衰減和極限狀態方程，並結合試驗進行驗證；進行吊索疲勞可靠性預測過程中的不確定性定量和傳遞分析，建立基於先驗分布和逆一次二階矩方法的快速隨機壽命預測方法；在此基礎上，提出基於最大信息熵理論的信息融合和不確定性更新方法，為後繼服役期橋樑吊索後驗可靠性評定、剩餘壽命預測和維修決策提供科學依據。

結題摘要

本項目開展了不同應力比、不同環境下的吊索鋼絲材料腐蝕疲勞裂紋擴展試驗，得到了不同應力比、不同環境下的疲勞裂紋擴展速率；對比了試件斷口形貌、裂紋擴展路徑，研究了鋼絲的疲勞斷裂機理。研究了缺口類型和缺口尺寸對鋼絲疲勞壽命的影響，給出了鋼絲應力範圍-疲勞壽命的曲線方程。建立了缺口精細的有限元三維實體計算模型，分析了缺口附近的應力分布狀態，解釋了坑蝕形態導致鋼絲性能退化的原因。建立了橢圓形缺口鋼絲應力集中係數與缺口長度和缺口深度的定量關係，通過一系列轉換係數建立了多缺口應力集中係數與缺口長度和深度之間的定量關係。 為研究腐蝕對鋼絲疲勞性能影響，開展了鋼絲腐蝕及疲勞性能試驗，研究了鏽蝕對鋼絲彈性模量、名義屈服強度、極限承載力、伸長率、極限應變以及抗拉強度的影響。統計了腐蝕鋼絲蝕坑深度，引入腐蝕參數來定量描述鋼絲的腐蝕情況。研究了不同應力幅下鏽蝕率對鋼絲疲勞壽命的影響。分析了腐蝕鋼絲應力分布，結合有限元分析，通過彈性斷裂力學分析，發展了基於臨界域法的鋼絲疲勞壽命預測模型。 通過建立全橋桿系有限元模型，對整橋進行力學分析，然後取出橋樑中的吊桿，進行實體有限元建模，對鋼絲的受力狀況進行精細分析，最後取出單根鋼絲，利用宏微觀跨尺度裂紋擴展模型，分析了鋼絲從微觀缺陷到巨觀斷裂的過程與機理，建立了考慮微觀效應的跨尺度疲勞裂紋擴展模型。建立了吊索鋼絲疲勞裂紋增長分析模型，給出了含蝕坑及應力集中係數的應力強度因子表達式；基於等效裂紋原理，考慮應力重分布及蝕坑的影響，引入關聯繫數，提出了橋樑吊索疲勞壽命預測方法，並進行了參數敏感性分析；發展了反一次二階矩原理的疲勞壽命高效分析方法。建立了主值區間、過渡帶形式及整體結構形式正態型隸屬函式，提出了模糊機率分析方法和最優擬合方法。利用最大相對熵通過連續的更新預測了疲勞裂紋擴展過程，提出了基於信息融合的疲勞壽命更新方法。