1.一种服役桥梁吊索疲劳寿命概率评估方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤(1):实施吊索高强钢丝在不同应力比下的疲劳裂纹扩展试验:由疲劳试验数据确定钢丝疲劳裂纹扩展速率相关参数,并实施多次试验获得参数的概率分布特征,进而得到不同应力比下钢丝的疲劳裂纹增长分析概率模型;
步骤(2):基于等效初始裂纹原理实施在防护套保护状态下及防护套破损状态下吊索内钢丝的疲劳裂纹增长分析:在应力强度因子模型中考虑钢丝腐蚀引起的应力集中效应,对钢丝疲劳裂纹增长分析模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度进行积分,得到单根钢丝发生疲劳断裂所经历的疲劳周期数,结合实测荷载频率,计算单根钢丝疲劳裂纹扩展控制时间;
步骤(3):当钢丝发生断裂后引起吊索应力重新分布,由吊索的钢丝组成数量关系计算断丝后的应力大小;在单根钢丝疲劳寿命的基础上,引入钢丝间失效的相关性,将吊索经历6
2×10次疲劳循环的断丝率不大于5%作为技术指标,进而得到整根吊索的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的步骤(1)还包括以下步骤:高强钢丝的疲劳裂纹扩展速率可表示为
da/dN=C(ΔK-ΔKth)m (1)式中:da/dN为裂纹扩展速率;a为裂纹长度;N为疲劳循环次数;C、m为常数;ΔK为应力强度因子幅值;ΔKth疲劳裂纹扩展门槛值;
门槛值ΔKth计算式为
ΔKth=-1.6×10-3σy+5.42-1.16R (2)式中:σy为屈服强度;R为应力比;
应力强度因子幅值ΔK计算式为
式中:Δσ为应力范围,Δσ=σmax-σmin;Y为几何修正因子,其计算式为式中:D为钢丝直径;
实施吊索高强钢丝在不同应力比下的疲劳裂纹扩展试验,由试验数据确定钢丝疲劳裂纹扩展速率参数C、m与应力比R的关系表达式,通过反复试验获得参数的概率分布特征,进而得到不同应力比下钢丝的疲劳裂纹增长概率模型。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的步骤(2)还包括以下步骤:首先,等效初始裂纹尺寸可表示为
式中:ai为等效初始裂纹尺寸;Δσf为疲劳极限;
若吊索由I根平行钢丝组成,吊索所受的最大应力为σmax,最小应力为σmin,应力比大小为在防护套保护状态下,吊索内单根钢丝的疲劳寿命可由下式计算得到:式中:ac为钢丝发生疲劳断裂时的临界裂纹长度;
随着服役时间的增长,外界不利环境作用下导致吊索的PE护套老化损伤,钢丝易发生局部腐蚀,进而引起应力集中,考虑钢丝腐蚀导致的应力集中效应,采用下式来计算局部锈坑根部的应力强度因子Kd(t),即式中:Kt为应力集中因子;σ为远端应力;d(t)为锈坑深度;
钢丝腐蚀深度与服役时间t的关系式可表示为:d(t)=b·t (9)
式中:b为与环境相关的常数;
在防护套出现破损状态下,考虑锈蚀的影响,吊索内单根钢丝的疲劳寿命可由下式计算得到:式中:ΔKd(t)为考虑蚀坑影响的应力强度因子幅值。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的步骤(3)还包括以下步骤:吊索出现断丝后,其所受的最大内力未发生变化,但钢丝数量减小,由此导致吊索应力发生重分布,即式中:σfmax为发生应力重分布后的最大应力;σmax为初始应力最大值;n为疲劳断裂钢丝数量;
若每年车辆荷载循环次数平均值为Q,疲劳寿命积分上限a1,吊索防护套进行有效防护时间为T年,T年的荷载循环次数为QT,由式(12)得到积分上限a1:将疲劳寿命积分上限a1作为防护套破损状态下腐蚀疲劳寿命积分下限,确定经过时间T2后腐蚀疲劳寿命积分上限a2,蚀坑深度d为b,荷载循环次数为QT2,由式(13)求得:依此类推,计算得到a2...an,假设裂纹长度a到达af时,认为钢丝疲劳失效,则钢丝的疲劳寿命Nf为:重复以上步骤,求得各根钢丝的疲劳寿命NI。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,该方法还包括以下步骤:吊索疲劳寿命与各根钢丝的疲劳寿命关联,为简化计算,引入关联系数 假设其在0与
1之间服从均匀分布,即 若桥梁吊索由I根平行钢丝组成,其吊索疲劳寿命表示为:式中:Ng为吊索疲劳寿命;NI为第I根钢丝的疲劳寿命; 为第I根钢丝的关联系数,其服从均值为μ、标准差为σ的正态分布;吊索疲劳寿命Ng的概率密度函数记为PDF;钢丝断丝率为ξ;
将吊索经历2×106次疲劳循环后的断丝率不大于5%作为技术指标,可实现实际桥梁吊索的疲劳寿命评估。