斜拉索钢锚管锚固结构疲劳检测

杨镇声

摘要：工程实践表明，疲劳与断裂是导致结构服役性能降低甚至引发灾难性事故的关键因素，严重制约了钢结构桥梁发展应用。学者们从不同的角度对于钢结构桥梁疲劳问题进行了深入系统的研究，现聚焦于疲劳失效机理与抗力评估方法、抗疲劳设计与建造技术、环境因素及其疲劳抗力效应机制、疲劳裂纹识别与监测检测、疲劳开裂处置与性能强化等主要方面。

关键词：外置式锚固结构；疲劳与断裂；疲劳裂纹

Fatigue detection of cable-stayed steel anchor pipe anchoring structure

Yang Zhensheng

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China)

Abstract: Engineering practice shows that fatigue and fracture are the key factors that reduce the service performance of structures and even cause catastrophic accidents, which seriously restrict the development and application of steel structure bridges. Scholars have conducted in-depth and systematic research on the fatigue problem of steel structure bridges from different perspectives, and now focus on fatigue failure mechanism and resistance evaluation method, fatigue resistance design and construction technology, environmental factors and their fatigue resistance effect mechanism, fatigue crack identification and Main aspects of monitoring and detection, fatigue cracking treatment and performance enhancement.

Key words: External anchoring structure；Fatigue and racture；Fatigue crack

0绪 论

锚固结构的受力特点如下：

1)承受荷载巨大，受力状态复杂。随着斜拉桥跨度的不断增加，斜拉索的最大索力也在急剧的增大，如上海长江大桥最大设计索力已达到了11260kN，这也就意味着锚固点处需承受千吨级的集中力，如此巨大的集中力将导致锚固点和主梁在一定范围内产生较大的局部应力。

2)疲劳现象较为严重。疲劳始终都是钢结构相当重视的问题，而且因为锚固结构构造复杂，组成板件众多，连接焊缝密集，索力变化幅大，连接焊缝存在残余应力，潜在裂源点多等因素影响。

3)非线性突出。需使用非线性方法对结构的真实应力水平进行评估。

4)设计参数可优化。一方面，通过索梁锚固结构参数优化过程，能掌握结构的传力机理和应力分布规律，进一步加强对该结构体系的理论认识，为以后斜拉桥索梁锚固结构的设计、施工提供理论指导和数据资料；另一方面，对索梁锚固结构进行优化设计后能改善结构的受力性能和抗疲劳性能，提高结构的安全性、耐久性。

结构疲劳失效是关键构件局部性能衰退到一定程度发生的结果,这就要求桥梁结构的疲劳寿命评估必须在综合在线运营监测、动力测试和结构性能衰退分析等各种方法的基础上,尽早地发现疲劳损伤并跟踪其演化累积过程。

1锚固结构疲劳分析

ANSYS的Workbench中可以利用疲劳模块Fatigue Tool来进行疲劳分析，也可以利用ANSYS平台下的nCode Design Life来进行疲劳分析。主要是针对低周应变疲劳的情况，考虑E-N曲线。但外置式钢锚管锚固结构作为一个钢结构主要是产生高周疲劳，所以可以直接用疲劳工具来进行疲劳分析。Workbench的疲劳分析主要从以下5个步骤来进行：

①首先进行结构的静力分析；

②打开ANSYS软件的后处理，恢复之前静力分析的数据库；

③设置疲劳计算的各个参数；

④存储应力，确定结构的疲劳循环次数和标定系数；

⑤激活疲劳计算分析，观察分析计算结果，获得结构的疲劳使用系数。疲劳计算分析的结果输出有以下几项：Life-循环次数；Damage-结构的失效系数，结构的失效系数是结构的设计寿命与疲劳分析计算得到的寿命的比值，因此Damage值越大，得到的结果越不好；Safety Factor-安全系数，安全系数是设计寿命对应的应力值与当前评估的应力值的比值，安全系数越大，结构越能够满足安全要求。

2锚固结构疲劳裂纹检测

桥梁疲劳损伤通常发生在局部隐蔽位置，在裂纹较小时检测困难，但一旦扩展为长大裂纹，结构安全风险和维护成本均显著增加。当前传统人工巡检和接触式检测仍是桥梁损伤的主要检测监测手段，检测效率低、成本高、隐蔽性裂纹易漏检且难以检测微小裂纹。

为解决这一问题，亟需根据桥梁疲劳问题的属性及其检测监测的实际需求，集成无损检测的最新研究成果，建立钢结构桥梁疲劳损伤的实时监测评估系统，为钢结构桥梁的安全评估与运维决策提供科学依据。

结合智能检测技术的最新发展和钢结构桥梁疲劳问题的基本属性，初步探索了钢结构桥梁疲劳裂纹智能监测识别方法：

1)对超声导波在钢结构疲劳裂纹检测中的应用进行了系统的数值模拟和试验研究，结果表明，超声导波在钢结构桥梁关键受力构件裂纹定位检测方面具有良好的适用性；

2)研发了疲劳裂纹纳米涂层智能传感器，并对其进行了理论研究、数值模拟和试验研究，结果表明，该传感器对于微小裂纹具有较高的敏感度；

3)对于基于计算机视觉的疲劳裂纹识别方法进行了研究，提取了实际裂纹图像中的形态特征，与实测值的对比结果表明计算机视觉技术在疲劳裂纹识别方面有较高的可靠性；

4)将深度学习理论引入结构疲劳损伤状态的模式识别中，用于挖掘并识别时域信号和图像信号中的损伤信息，结果表明，以监测数据为基础、以损伤模式识别为目标的神经网络系统在实际工程中有广阔的应用前景。