文摘
桥梁基础设施维护和保证足够的安全是至关重要的交通运输工程和维护管理行业。腐蚀会导致强度恶化,导致损伤的操作和结构的逐步削弱。自实际腐蚀表面不同于对方,只是实验性的方法估计的剩余强度是不够的腐蚀。在现代实践,然而,数值模拟被用来取代耗时和昂贵的实验工作和理解知识的缺乏在力学行为,应力分布,最终行为,等等。介绍了非线性有限元分析结果,许多腐蚀钢板和比较他们各自的拉伸测试优惠券。进一步,建立准确的可行性分析方法来预测腐蚀钢构件的残余强度能力较小数量的计量点也进行了讨论。
1。介绍
主要钢桥梁通常是公路和铁路基础设施的关键元素。通常他们构成一个关键的一部分高度装扮领域之间的联系。因此,关闭或交通容量减少主要原因不便的用户,导致重大的经济损失。与老化、腐蚀成为钢桥的恶化的主要原因,及其损害严重影响其耐久性。很难翻新或重建岁桥梁在同一时间。因此,重要的是要评估这些桥梁的剩余强度的能力,以保持他们在服务直到他们在适当的时候需要必要的改造或重建。
近期许多老钢桥结构的损害赔偿由于腐蚀引起注意老桥的条件的重要性,导致了检验协议和众多的最终改造或更换(1- - - - - -3]。已经证明,腐蚀扮演重要角色在灾难性崩溃的银桥(西弗吉尼亚州点愉快的)在1967年和Mianus河大桥(康涅狄格州)1983年,美国(1]。此外,有超过50000钢铁路桥梁在日本,超过一半的人已经使用超过60年,一些桥梁是超过100岁4),发现腐蚀造成的损失,在修复的主要因素之一,强化和更换钢桥。
详细和定期检查是必要的,以确保足够的安全并确定维修需求,在桥梁基础设施管理。这些检查应形成重要的信息来源进行综合评价的能力。这里,最终或抗拉强度可以被定义为材料能承受的最大应力,拉伸或柱头之前,和最大承载力的最大力量是一个结构成员都可以维持。钢桥的基础设施的数量在稳步增加的结果建立新的钢结构和延长老年人的生活结构。大多数这些结构受到腐蚀是由于环境暴露可以减少他们的承载能力。所以,需要更快速、准确的评价方法可以用来做出可靠的决策影响的成本和安全。
此外,众所周知,腐蚀损耗和应力集中引起的腐蚀钢板的表面不规则的剩余强度影响腐蚀钢板(5]。因此,研究不同形式的腐蚀的影响,现有结构的剩余强度的能力是一个重要的任务钢高速公路和铁路基础设施的维护管理。
2。概述和研究的范围
通常,准确的预测是基于如何准确统计参数估计,因此主要取决于实验和现场数据。在过去的几十年里,一些实验研究和详细调查的腐蚀表面被一些研究者为了做介绍的方法估算的剩余强度能力腐蚀钢板(6- - - - - -8]。但是,只开发一个更可靠的强度估计技术,实验方法是不够的实际腐蚀表面不同于对方。此外,由于经济的限制,不可能进行测试每岁桥结构在他们的预算。因此,桥梁工程师面临缺乏实验和现场数据。因此,如今,利用数值分析方法可以被认为是一个可靠的估计在桥梁养护行业(9]。
Sidharth [10]规定的重要性和回顾了同步发展的有限元分析技术用于研究腐蚀影响盘子。Ahmmad和烟灰墨11)调查的可变形性腐蚀钢板在准静态单向拉伸实验和数值分析。他们提出的经验公式来估算可变形性和能量吸收能力的降低由于点状腐蚀和一般单轴拉伸下腐蚀。沉重的一击等。(12,13)研究与板的极限强度下轴向压缩和剪切平面。他们还推导出经验公式预测的极限抗压强度和抗剪强度的盘子。好等。(14)进行了非线性有限元分析板不同位置和大小的点状腐蚀,和多元回归方法应用于推导的新公式预测极限强度非加强的板块局部腐蚀。因此,可以看出,有限元分析方法已成为最常见的,强大和灵活的工具理性的结构分析,可以更准确地预测复杂结构的强度比现有的经典理论方法。因此,本文的目的之一是目前许多实际腐蚀钢构件的分析结果和比较他们的实验结果,以建立一个分析方法估计剩余的产量和抗拉强度。
进一步,它是不容易测量几千分,通过数值方法模拟腐蚀表面,和更精确地预测腐蚀成员的行为。因此,研究腐蚀表面数据的测量强度的影响当前的负载能力,和调查的可能性建立一个简单的和准确的过程来预测腐蚀钢构件的剩余强度能力通过测量较小数量的点与一个可接受的精度水平将是一个至关重要的任务为钢的高速公路和铁路基础设施的维护管理。本文的第二个目标是调查测量的影响分和建立一个方法来估计的剩余强度侵蚀的钢构件通过数值方法。
3所示。腐蚀标本的初步调查和分类
在这项研究中,42个样本(21各法兰和web,表示英国《金融时报》和WT resp)削减从钢桥主梁在高知县Ananai河县的太平洋海岸线,已经使用了几百年。之前进行厚度测量,表面的铁锈和油漆被用钢丝刷,然后应用高压水为了保持原来的腐蚀表面的违规行为。然后所有挠标本的厚度测量用激光位移计,厚度和统计参数,如平均厚度(),最小厚度(),标准偏差(),变异系数(CV)测量结果的计算。首先,四个任何腐蚀标本进行了拉伸试验(每两个法兰和web)减少腐蚀钢板两边都顺利。材料的基本力学性能(没有参与标本)的几何形状,如弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、伸长,得到如表所示1。指出,这些标本有平等与SS400日本工业标准。还有网络和法兰几乎相同的属性。然后拉伸测试是由使用一个液压加载测试机(最大负载:120 kN)和0.2毫米/分钟的速度加载弹性区域和0.5毫米/分钟塑料区域所有42腐蚀标本为了澄清自己的剩余强度的能力。JIS 5号试样如图1。
需要分类的不同腐蚀条件下实际钢结构中可以看到,为更好的理解一些通用类型他们的剩余强度能力考虑视觉特殊性,腐蚀,其预期机械及最终的行为(15]。图2显示名义极限应力比之间的关系()和最小厚度比(),名义极限应力(即应力计算的基础上的净截面试样没有考虑几何不连续的影响)和是任何腐蚀板的极限应力。在这里,最小厚度比()被定义为: 因此,三种不同类型的腐蚀水平确定根据他们的严重腐蚀,和他们相应的分类如下: 在那里,初始厚度(法兰的标本和web标本为10.5毫米,和分别为10.0毫米。三的意义提出了腐蚀条件下的视觉检查可以发现即使成员,成员有轻微腐蚀小腐蚀坑深度(小于3毫米)成员,成员有中度腐蚀几个巨大的腐蚀坑的深度(3 - 5毫米)在一些地方仍很大,虽然许多noncorroded部分有严重腐蚀和成员有几个广泛的腐蚀区域(最大腐蚀深度超过5毫米)。三个标本,FT-22 FT-18, FT-15很小,温和,和严重腐蚀条件下,分别在图所示3。
(一)
(b)
(c)
4所示。数值分析
4.1。分析模型
标本的非线性有限元分析和不同腐蚀条件下为了澄清产量和拉伸优势,失败的表面,最终侵蚀的成员的行为。三维等参的八节点六面体的固体元素点(HX8 M)和基于增量理论采用更新拉格朗日方法的分析。非线性弹塑性材料,牛顿流动法则,·冯·米塞斯屈服准则被认为对物质属性。此外,自动incremental-iterative解决方案过程终止执行,直到他们达到预定义的限制。
分析模型与长度和宽度尺寸70毫米×25毫米(和方向)建模与各自的腐蚀状况。一个边缘成员的翻译,,方向是固定的,只有和翻译方向的边缘(边缘加载)固定来模拟实际的实验条件。然后统一的增量位移被应用于加载如图4。
4.2。韧性断裂准则
“压力修改临界应变模型(smc)”提出了由Kavinde和Deierlein评估韧性断裂的起始多轴塑性应变和应力的函数(16]。采用这种方法的分析研究。smc判据、临界塑性应变()是由以下表达式: 在哪里韧性指数和应力三轴吗比率的均值或静水压力()和有效或•冯•米塞斯应力()。韧性指数是物质的基本属性,因此从拉伸试验获得noncorroded标本进行。每个腐蚀标本的极限强度计算相应采用smc标准并与他们的实验最终能力理解剩余强度的数值模拟方法的可行性评估不同腐蚀条件下的腐蚀钢板。
4.3。分析结果
产量和最终优势分析预测估计和比较与实验获得的值来评估使用分析模型的准确性。产量和抗拉强度的百分比误差分析预测计算 起初,noncorroded标本的有限元建模是完成了上述建模和分析特性来理解收养程序的准确性。发现分析模型结果几乎是一样的实验结果有误差比例可以忽略不计产量和抗拉强度的0.03%和0.02%。然后,所有其他相应建模实验成功的标本,其产量和最终的优势与实验值进行比较。
图5展示了实验的比较和分析载荷伸长曲线和应力分布在试件的极限荷载FT-22,有轻微的腐蚀。图5(一个)载荷伸长的行为显示了一个很好的协议,和错误百分比收益率和抗拉强度的预测分析模型是2.11%和0.56%,分别。此外,类似的失败表面得到如图5 (b)。
(一)
(b)
然后,中度腐蚀的成员也与各自的实验结果分析和比较。图6(一)显示的比较适度的载荷伸长行为腐蚀成员,FT-18,它显示了一个很好的对比实验和分析结果。,产量和抗拉强度的预测错误比例分别为0.84%和0.49%,分别。此外,图6 (b)标本FT-18显示最终的应力分布和,表明实验和分析失败的表面都是在良好的协议。
(一)
(b)
最后,严重侵蚀的成员也分析和观察他们的产量和最终的行为和他们的失败的表面。图7(一)显示了实验的比较和分析载荷伸长的行为严重腐蚀标本FT-15。产量和抗拉强度的预测错误比例成员FT-15如图7(一)分别是0.19%和4.48%。在这里,即使最终的行为严重的腐蚀标本显示了一个微小的区别,人物7 (b)显示一个类似的破坏面可以获得分析结果和实验分析。
(一)
(b)
4.4。讨论
图8展示了极限载荷能力的对比实验和数值分析进行所有的法兰和web标本实验成功。的相关系数显示的准确性和数值研究方法的可能性预测实际腐蚀试样的抗拉强度。
尽管数值预测产量和轻微和中度腐蚀成员的终极优势显示出很好的与实验结果进行比较,严重腐蚀成员显示有点偏差极限强度的预测。原因可能是,一些微小的裂缝也可以组成腐蚀的发展,这可能最终导致失去力量。因此,我们可以看到一个损失超过预期的抗拉强度实验分析或预测的分析模型在严重腐蚀标本。所以,仔细观察细微的严重腐蚀表面,并平滑整齐能减少这样的错误分析预测。
5。测量的影响分
即使它是一项紧急的任务进行详细调查的所有现有钢结构,钢结构的数量稳步增加,有必要定期评估的结构,以确保他们的安全,并确定必要的维护。因此,开发一种快速、准确的方法来估计剩余强度钢能力基础设施维修工程中是一项至关重要的任务。
5.1。数值模拟与常规腐蚀表面测量(RCSMs)方法
5.1.1。分析模型
6个不同的有限元模型,如图9,每个腐蚀标本进行了建模和分析的结果并与模型1与1毫米网格数据理解表面腐蚀的影响强度与剩余产量和抗拉强度的能力。模型的总测量分1、2、3、4、5和6是1846年,504年,90年,32岁,18岁和8位。相同的建模特性和分析方法描述了在第四节都是采用RCSM模型分析。
5.1.2中。分析结果和讨论
图10显示的载荷伸长行为三个标本,FT-22 FT-18, FT-15,不同数量的测量。注意到,载荷伸长的行为几乎是相同的所有模型如图10 ()腐蚀表面的测量,不论他们的强度轻微腐蚀成员。这个事实可以理解为整体的腐蚀或腐蚀攻击特定位置非常小的小腐蚀成员。但数据10 (b)和10 (c)表明,载荷伸长行为是影响粗糙度的测量分中度和重度腐蚀成员。产量和抗拉强度随着各自的错误百分比如表所示2。可以看出错误百分比收益率和抗拉强度估计的强度增加而减少腐蚀表面测量在中度和重度腐蚀成员。失踪的原因可能是最大的腐蚀位置或严重腐蚀部分在这种常规数据测量。因此,应力集中的影响会减少一些模型认为在这个RCSM方法,具有较小的测量点数。所以剩下的优势是高估了粗糙度测量的数据的增加,这可能会导致基础设施的危险在决策方面维护管理计划。所以,一个特殊的表面测量方法与较小的测量点数,有关腐蚀的严重程度和应力集中,中度和重度腐蚀需要成员。
(一)
(b)
(c)
5.2。数值模拟与特殊腐蚀表面测量(SCSMs)方法
5.2.1。分析模型
五个不同的模型是由考虑腐蚀表面的不规则性和应力集中效应,和他们的分析结果进行了比较与1毫米腐蚀表面数据与模型(模型1)。图11显示不同的SCSM分析模型用于这项研究。外缘作为初始厚度(在所有模型除了模型1)。模型2是由使用最小厚度测量的点(只)。,表面不规则性建模通过使用一个线性变化点和腐蚀板的边缘。模型3和模型4了点和另外两个厚度测量在腐蚀坑的边缘在纵向方向和宽度方向,分别。这些模型也由考虑测量分板块边界之间的线性变化。模型5 a和5 b由五个厚度测量包括其腐蚀坑和两个点分别在纵向和宽度方向。然后,线性和花键变化模型的腐蚀模型5 a和5 b部分,分别。进一步,表面不规则是建模通过使用一个线性变化之间的腐蚀坑和板边模型。
相同的建模特性、非线性弹塑性材料特性和分析过程采用上述模型,并分析直到他们达到预定义的终止限制。他们的载荷伸长行为,产量和抗拉强度和极限行为比较与模型1与1毫米腐蚀表面数据,了解SCSM模型的影响较小数量的计量点。
5.2.2。分析结果和讨论
的载荷伸长行为不同的SCSM模型中等腐蚀标本FT-18和严重腐蚀标本FT-15数据所示12(一个)和12 (b)分别。这里,显著差异载荷伸长行为模型2中可以看出,3和4相比,模型1的发达与更详细的数据测量腐蚀表面。这些差异出现因为模型2、3和4可能无法准确的模型表面腐蚀坑和不规则的腐蚀标本。另一方面,可以看出,载荷伸长行为上的差异是相对较小的模型5 a和5 b,因为他们比其他模型可以更准确地模拟腐蚀坑。由于这些模型(模型5 a和5 b)只需要五个中等或严重腐蚀的厚度测量部分,它们可以被认为是一种非常有用的分析方法在轻快的剩余强度评估腐蚀钢板的能力。
(一)
(b)
收益率和抗拉强度以及各自的错误百分比如表所示3。那里,有证据显示模型5 a和5 b显示产量和抗拉强度的预测误差百分比小于另一个模型和模型5给最近的剩余力量能力估计模型1的结果。进一步指出,即使中等腐蚀标本(FT-18)显示了一个微不足道的错误百分比估算他们的产量和抗拉强度,严重腐蚀标本(FT-15)有点大的值。失踪的原因可能是一些其他的严重腐蚀,严重腐蚀标本有几个广泛的腐蚀坑腐蚀表面。因此,进一步发展SCSM模型被认为是必要的为了更准确地代表腐蚀表面不规则严重腐蚀成员在将来的研究中。
6。结论
表面不规则性测量、拉伸试验和非线性有限元分析进行了腐蚀钢从报废的板梁获得标本用于大约100年有严重腐蚀。从这项研究获得的主要结论如下。(1)钢板的腐蚀会导致强度降低,和最小厚度比()可以用作衡量腐蚀和强度退化的程度。(2)非线性有限元分析结果显示很好的实验比较和分析载荷伸长对所有三种分类腐蚀行为。进一步,失败表面的标本也显示出很好的与实验结果进行比较。因此,采用数值模拟技术可以用于预测的剩余强度能力实际腐蚀成员更准确。(3)尽管腐蚀表面的强度对轻微腐蚀测量不是很重要成员,它揭示了影响中度和重度腐蚀成员在他们的剩余强度预测能力。(4)因此,常规的粗糙表面轻微腐蚀成员的数据测量是充分的。但一个特殊的表面测量方法点和几个厚度测量的腐蚀坑腐蚀的严重程度和应力集中是必要的对中度和重度腐蚀成员来估计其剩余强度的能力。