在役鋼管混凝土拱橋吊桿損傷與系統(tǒng)可靠性分析方法.pdf

1、鋼管混凝土拱橋作為一種頗具中國特色且在大、中跨橋梁領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢的橋型，在我國有著十分廣闊的應(yīng)用前景。但由于鋼管混凝土拱橋的歷史較短，以致目前國內(nèi)尚未出臺完整的鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范，更無成熟的使用與養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，使得在役鋼管混凝土拱橋的病害現(xiàn)象十分復(fù)雜、橋梁事故時有發(fā)生。為了有計(jì)劃地改善此類橋梁結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，確保其安全運(yùn)營，最大限度地延長橋梁的使用壽命，需要系統(tǒng)地研究鋼管混凝土拱橋的主要病害與典型損傷的類型、關(guān)鍵構(gòu)件的實(shí)際受力

2、特征以及主要構(gòu)件及系統(tǒng)的可靠性分析方法。上述研究不僅是保證我國已建成的三百余座鋼管混凝土拱橋不再發(fā)生垮塌等工程事故的需要，也是保證該類具有中國特色的橋型長遠(yuǎn)發(fā)展的需要。故此，針對鋼管混凝土拱橋的上述相關(guān)問題，本文主要研究了如下內(nèi)容：
　　（1）研究鋼管混凝土拱橋的常見病害及其成因。分析了鋼管混凝土拱橋與傳統(tǒng)拱橋之間的差異，指出二者在結(jié)構(gòu)體系、材料性能和受力特點(diǎn)三個方面的差異是導(dǎo)致鋼管混凝土拱橋的病害現(xiàn)象、病害特征與檢測方法等諸多方

3、面有別于傳統(tǒng)拱橋的主要原因。通過整理多座在役鋼管混凝土拱橋的檢測結(jié)果與病害資料，將鋼管混凝土拱橋的常見病害劃分為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的病害、橋面系統(tǒng)的病害及附屬結(jié)構(gòu)的病害。進(jìn)而指出，上部結(jié)構(gòu)病害中的主拱肋內(nèi)混凝土缺陷、吊桿與系桿的各種常見病害是鋼管混凝土拱橋的典型病害，也是本文的主要研究對象。
　?。?）研究吊桿車輛荷載效應(yīng)隨機(jī)性的特征以及相應(yīng)的建模方法。介紹了拱橋吊桿車輛荷載效應(yīng)健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)吊桿車輛荷載效應(yīng)具有概

4、率密度函數(shù)形狀較為復(fù)雜等特征。針對在概率密度函數(shù)較為復(fù)雜的情況下，傳統(tǒng)方法無法建立吊桿車輛荷載效應(yīng)及其極值的概率模型的問題，分別基于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)與隨機(jī)過程極值理論，提出了建立吊桿車輛荷載效應(yīng)概率模型的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法和建立車輛荷載效應(yīng)極值概率模型的方法。工程應(yīng)用結(jié)果顯示，上述方法能夠很好地解決相關(guān)的建模問題。
　?。?）研究吊桿疲勞荷載效應(yīng)的特征及疲勞累積損傷的計(jì)算方法。采用雨流計(jì)數(shù)法與線性疲勞累積損傷理論，分析了吊桿疲勞荷載效應(yīng)與

5、疲勞累積損傷的特征。指出較重車輛荷載是導(dǎo)致吊桿疲勞累積損傷的主要荷載，其疲勞應(yīng)力幅與平均應(yīng)力具有近似呈線性的特點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上，引入車輛荷載效應(yīng)的概率模型，提出了非監(jiān)測時段內(nèi)疲勞累積損傷程度的計(jì)算方法和剩余服役期內(nèi)疲勞累積損傷程度預(yù)測方法。
　?。?）研究鋼絲損傷的演化規(guī)律、吊桿抗力的衰減過程及服役可靠度的計(jì)算方法。分析鋼絲的損傷演化過程，將其綜合為防護(hù)失效、均勻腐蝕、裂紋擴(kuò)展三個階段。通過分析鋼絲各種損傷的機(jī)理，基于損傷力學(xué)與斷

6、裂力學(xué)的基本理論，提出了鋼絲名義剩余強(qiáng)度的計(jì)算公式。分析了吊桿抗力的衰減過程，進(jìn)而采用脆性鋼絲模型作為吊桿剩余承載能力的計(jì)算模型，借鑒纖維束強(qiáng)度計(jì)算理論給出了吊桿在抗力衰減各階段的剩余承載能力的計(jì)算方法。將服役構(gòu)件抗力的不確定性歸結(jié)為構(gòu)件損傷的不確定性，提出了改進(jìn)的服役構(gòu)件抗力衰減獨(dú)立增量隨機(jī)過程模型并將其應(yīng)用于吊桿。
　?。?）研究鋼管混凝土拱橋的系統(tǒng)可靠性分析方法。通過分析現(xiàn)有失效模式搜索方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其在橋梁結(jié)構(gòu)工程中的適用

7、性，提出了適用于橋梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的階段臨界強(qiáng)度分枝-約界法，解決了大型橋梁結(jié)構(gòu)主要失效模式搜索的問題。比較了系統(tǒng)可靠度計(jì)算的區(qū)間估計(jì)法、PENT及FORM方法的適用范圍，指出區(qū)間估計(jì)法主要適用于對系統(tǒng)可靠度區(qū)間的估計(jì)；FORM方法與PENT法分別適合系統(tǒng)的失效模式分組特征不明顯和明顯兩種情況。最終，將上述系統(tǒng)可靠度分析方法應(yīng)用于某在役鋼管混凝土拱橋，分析了拱肋典型病害對鋼管混凝土拱橋系統(tǒng)可靠性的影響。結(jié)果表明：拱頂位置處的混凝土缺陷對鋼管