钢筋混凝土斜拉桥状态评估与整体极限承载力研究

摘要

借助经济高速发展的契机，我国许多大型桥梁安装了健康监测系统，加之桥梁运营过程中的定期检测，为研究实际桥梁结构在运营过程中的性能演化规律提供了大量的宝贵数据。本文研究利用检测/监测数据揭示桥梁性能演化规律的方法，对建立桥梁结构异常状态的分级预警机制、编制桥梁结构全寿命设计规范具有重要的意义。
　　本文的主要研究内容包括：
　　本文首先以山东滨州黄河公路大桥为工程对象，设计斜拉桥模型及其健康监测系统；然后利用该模型及其健康监测系统试验研究不同位置、不同数量和不同程度斜拉索损伤对斜拉桥受力性能和动力特性的影响规律。试验结果表明，在试验研究的斜拉索损伤工况下，斜拉索的损伤对斜拉桥静力性能影响较大，但对自振频率影响很小。
　　提出基于检测与监测技术的钢筋混凝土斜拉桥结构服役期内整体失效模式及其极限承载力演化规律的分析方法。首先利用检测/监测数据和耐久性理论得到时变的修正结构有限元模型，通过改变结构体系考虑结构的非线性效应，在变结构体系上施加逐级增加的车辆荷载，计算分析斜拉桥主梁的整体失效模式及其相应的整体极限承载力。利用上述方法对一座实际钢筋混凝土斜拉桥的检测/监测数据进行计算分析，揭示实际斜拉桥结构在服役期内的主梁整体失效模式与极限承载力的演化规律。
　　在分析斜拉索损伤对斜拉桥性能影响规律的基础上，提出基于斜拉索损伤的斜拉桥失效模式及其极限承载力的分析方法。首先，建立损伤斜拉索模型和斜拉桥模型；然后，通过逐步施加车辆荷载分析斜拉桥结构的整体失效模式及其极限承载力。利用上述方法，以我国某一座斜拉桥为例研究不同位置，不同数量斜拉索在不同损伤程度下斜拉桥结构失效模式及其极限承载力。分析结果表明斜拉索损伤对斜拉桥失效模式和极限承载力的影响较大，斜拉桥的失效模式（包括主梁失效和桥塔失效）依赖于斜拉索的损伤位置。
　　针对实际斜拉桥结构中时变环境对损伤识别精度的不利影响问题，提出时变环境温度下结构损伤识别的模态参数误差因子法。首先，利用结构实时健康监测系统累积的数据，建立桥梁结构环境温度与结构频率及阻尼比等模态参数关系的BP神经网络模型（将神经网络模型预测的模态参数与实测的模态参数之差定义为模态参数误差因子），构建不同温度下实测模态参数的误差因子及其概率分布模型；通过分析不同阶段模态参数误差因子与健康桥梁结构模态误差因子的相交概率比识别结构损伤。研究结果表明，结构自振频率、尤其是低阶自振频率可以较好地识别结构损伤。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 桥梁极限承载力的研究现状

1.3 损伤识别的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 斜拉桥结构试验模型及其健康监测系统的设计与实现

2.1 引言

2.2 试验模型工程背景及缩尺模型设计

2.3 缩尺模型的有限元分析

2.4 缩尺模型的制作

2.5 实验室健康监测系统的设计和实现

2.6 模型初始状态测试

2.7 本章小结

第3章 斜拉索损伤下的斜拉桥模型性能试验

3.1 引言

3.2 单根拉索损伤对斜拉桥性能的影响

3.3 同一主梁截面的一对拉索损伤对斜拉桥性能的影响

3.4 相邻2根拉索损伤对斜拉桥性能的影响

3.5 本章小结

第4章 钢筋混凝土斜拉桥寿命期内整体极限承载力分析方法

4.1 引 言

4.2 基于检测和监测技术的斜拉桥主梁服役期内整体失效模式及其极限承载力逐步“推覆”分析方法

4.3 算例分析

4.4 本章小结

第5章 基于斜拉索损伤的斜拉桥整体极限承载能力分析方法

5.1 引言

5.2 单对斜拉索损伤对斜拉桥结构性能的影响规律分析

5.3 基于斜拉索损伤的斜拉桥整体失效模式及其极限承载力分析方法

5.4 拉索损伤下斜拉桥整体失效模式及其极限承载力分析

5.5 拉索拉断下斜拉桥整体失效模式及其极限承载力分析

5.6 本章小结

第6章 时变环境与损伤耦合下桥梁结构损伤的统计识别方法

6.1 引言

6.2 模态参数识别算法

6.3 结构模态参数与环境温度的神经网络模型

6.4 时变环境下结构模态参数的统计分析

6.5 时变环境与损伤耦合下我国某斜拉桥损伤识别

6.6 本章小结

结论和展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

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