基于SHM测量和多级有限元模型的过焊孔细节疲劳评估

《Journal of Infrastructure Intelligence and Resilience》：Fatigue assessment of cope hole details by SHM measurements and multi-level FE models

　　

过焊孔细节被认为是多裂纹萌生位置。具有两条对接焊缝的过焊孔将临界点移至过焊孔顶部。FAT 63等级产生过焊孔最大的名义应力日损伤。FAT 225比FAT 200产生更大的有效缺口日损伤。运营条件的变化影响焊接细节的疲劳性能。

**基于SHM与多级FE模型的过焊孔细节疲劳评估研究解读**

钢铁路桥是交通与贸易的重要基础设施，其安全性和长期性能直接关系到运营保障。疲劳是钢桥最常见的损伤机制之一，虽然运营应力通常低于屈服强度，但反复荷载仍可能导致裂纹萌生与扩展。已有调查表明，超过90%的钢桥疲劳损伤与变形诱发效应有关，许多疲劳裂纹出现在承受次应力或畸变应力的焊接细节中。过焊孔(cope hole)是钢桥焊接构件中为便于腹板与翼缘连接而设置的几何开口，但其制造过程会引起明显应力集中，因此被公认为疲劳敏感细节。传统设计规范通常将过焊孔细节的疲劳临界点假定在角焊缝趾部，并按标准构造给出疲劳等级。然而，匈牙利新建的南方多瑙河铁路桥(SDRB)采用了一种非标准过焊孔构造：在过焊孔区域同时存在翼缘横向对接焊缝和腹板横向对接焊缝。现行规范未覆盖此类组合焊缝形式，其局部应力场和裂纹萌生位置可能与标准假设明显不同。为此，研究人员将结构健康监测(SHM)与多级有限元(FE)模型结合，提出了一套基于实测交通荷载谱和有效缺口应力(ENS)的疲劳评估方法。该研究发表于《Journal of Infrastructure Intelligence and Resilience》。

研究人员采用三级FE模型开展分析：全局壳模型模拟列车移动荷载，局部壳模型模拟目标横梁，再嵌入经过细化的实体子模型以解析过焊孔附近的局部应力场。子模型按IIW建议在焊趾处引入1 mm虚拟缺口半径，并采用20节点SOLID186单元模拟翼缘、腹板和焊缝。利用SHM长期应变数据和静、动态荷载试验结果对FE模型进行验证，数值结果与实测吻合良好。同时开展网格收敛研究，确定临界区、过渡区和粗网格区的合适单元尺寸。通过回归分析建立应变测点应力与名义应力、最大主应力和von Mises应力之间的关系，决定系数R²=0.988，表明线性关系显著。对2021年12月至2024年12月连续监测的应变时程进行雨流计数，并基于Eurocode和IIW的S-N曲线以及Miner线性损伤准则计算疲劳损伤。监测数据来自SDRB真实运营列车荷载。

研究结果主要包括以下方面：

**应力集中因子分析。** 数值分析识别出三个热点位置：HS1位于过焊孔附近的角焊缝趾部，HS2位于腹板侧对接焊缝趾部，HS3位于翼缘侧对接焊缝趾部。HS3的应力集中水平明显低于HS1和HS2，因此不作为关键点。名义应力集中因子为1.11；HS1和HS2的von Mises应力集中因子分别为4.19和4.35；最大主应力集中因子分别为4.70和4.99。HS2的应力集中最高，说明腹板侧对接焊缝显著改变了过焊孔区域的局部应力分布。

**名义应力法疲劳评估。** 按EN 1993-1-9和IIW建议，该构造可初步归入FAT 71等级。但进一步计算得到剪应力与正应力比Δτ/Δσ=0.11，根据IIW建议应降低至FAT 63等级。损伤计算表明，Eurocode双斜率S-N曲线（m=3和m=5）给出的日损伤明显高于IIW曲线（m=3和m=22），原因是部分应力循环在IIW曲线中落入极高周次区段，损伤贡献减小。FAT 71和FAT 63 Eurocode曲线的日损伤分别为5.9×10^-8和58.3×10^-8。

**有效缺口应力法疲劳评估。** 按IIW推荐，基于最大主应力采用FAT 225曲线，基于von Mises应力采用FAT 200曲线。由于HS2的应力范围和应力集中因子略高，HS2控制该细节的疲劳性能。FAT 200和FAT 225的日损伤分别为69.0×10^-8和93.0×10^-8，均高于名义应力法结果，反映出局部缺口效应的影响。

**长期疲劳损伤。** 监测期内日损伤并不随时间均匀累积。2022年6月至2023年2月期间损伤较大，对应桥上列车荷载较高的阶段；部分数据缺失对应桥梁临时关闭时段。累积损伤曲线斜率随交通强度变化，说明实际运营历史对疲劳评估至关重要。该评估方法还可扩展至多个敏感细节，将实测应变与经FE标定的应力转换系数结合，可同时评估多个细节的应力循环和累积损伤，从而确定检测和维护优先级。

讨论指出，疲劳评估结果对所选S-N曲线、疲劳等级和应力评估方法高度敏感。对于非标准焊接细节，不能仅依赖常规疲劳分类或预设临界点，而应通过局部应力分析验证实际控制位置。SHM长期测量能够提供真实应力循环，弥补设计交通假设的不足；FE与ENS结合可捕捉局部应力集中，给出更直接的疲劳性能估计。研究结论可概括为：HS1和HS2是关键位置，HS3不敏感；名义应力SCF为1.11，HS2的von Mises和最大主应力SCF分别为4.35和4.99；HS2控制疲劳性能，传统认为HS1总是临界点的假设不适用于非标准构造；疲劳损伤对S-N曲线和评估方法敏感，有效缺口应力法产生更高损伤，FAT 225最大主应力评估最为严重；非标准焊接细节的疲劳评定需结合实测数据、局部焊缝几何和应力评估方法综合判断。