平行钢丝斜拉索全寿命安全评定方法研究

摘要

斜拉桥是大跨度桥梁的主要桥型，斜拉索是斜拉桥最关键的受力构件之一，起着牵一发动全身的重要作用，但斜拉索易遭受腐蚀损伤和疲劳累积损伤，严重威胁着斜拉桥服役安全。结构健康监测技术是保障大型桥梁服役安全的有效手段之一，基于健康监测的桥梁结构安全评定理论和全寿命设计理论是近年来土木工程领域研究的热点和前沿问题。本文充分利用健康监测系统监测的数据和实际服役的斜拉索，系统研究基于健康监测的桥梁车辆荷载模型、斜拉桥拉索车辆荷载效应模型、腐蚀拉索力学和疲劳性能及平行钢丝拉索全寿命安全评定方法。
　　本文的主要研究内容包括：
　　首先，根据Hasofer-Lind可靠指标的几何意义，建立可靠指标的优化模型，提出采用计算效率高的粒子群优化算法(PSO)对可靠指标优化模型进行求解，研究优化过程中随机变量候选解的统计特性，提出基于可靠度指标的随机变量敏感性分析的“相对收敛率法”，并采用优化策略组保证相对收敛率的一致性。与传统随机变量敏感性分析方法计算结果比较表明，本文方法能求解更复杂的优化问题。
　　其次，结合山东滨州黄河公路大桥健康监测系统实测车辆荷载数据，根据轻型车辆与重型车辆不同的出现概率、不同的分布参数，建立一般高速公路桥梁车辆荷载的概率分布分析模型；根据车辆荷载的概率分布研究一般运行状态下车辆荷载的极值分布及其参数；基于线性累积损伤理论建立高速公路桥梁疲劳荷载谱，根据高速公路服务交通量、服务水平和通行能力，采用Logistic模型建立交通流量预测模型，并采用健康监测数据对Logistic模型、进而对桥梁疲劳荷载谱车流量进行更新。形成系统的基于健康监测技术的高速公路桥梁车辆荷载建模方法和车辆荷载模型，为桥梁结构的设计及服役期内安全评定奠定基础。
　　第三，利用国内某斜拉桥健康监测系统中智能拉索实测的拉索荷载效应数据，建立斜拉索荷载效应的概率分布和极值分布及其参数，提出基于Bayes理论的荷载效应概率分布更新方法；建立智能拉索等效疲劳荷载效应分析方法，分析智能拉索疲劳累积损伤发展规律；分析长索和短索荷载效应及其极值、以及疲劳累积损伤的特点。
　　第四，对国内某斜拉桥换下服役18年的腐蚀斜拉索的腐蚀程度、力学性能、疲劳性能进行系统的试验研究。研究斜拉索钢丝的均匀腐蚀程度和点蚀程度及其概率分布；研究腐蚀对钢丝弹性模量、屈服强度、极限强度、极限应变、延伸率、反复弯曲性能的影响，建立腐蚀钢丝应力－应变本构关系模型及其模型特征点的概率分布模型，研究腐蚀拉索的荷载－应变本构关系；研究腐蚀钢丝及拉索的疲劳寿命，揭示腐蚀对钢丝和拉索疲劳寿命的影响。
　　第五，利用各种钢丝强度试验数据和智能拉索现场监测数据，采用纤维束强度模型，研究平行钢丝斜拉索安全评定方法。研究新的、未腐蚀和腐蚀三种钢丝和拉索的强度概率分布参数及拉索承载力可靠度，分析拉索长度和钢丝数量对拉索强度的影响规律，揭示腐蚀导致钢丝截面减小和相关长度减小从而降低拉索强度的机理，采用PSO方法进行基于拉索可靠度的参数敏感性分析。利用试验数据，统计分析腐蚀钢丝疲劳寿命概率分布参数和中值S-N曲线及不同保证率下的腐蚀钢丝P-S-N曲线；建立基于累积损伤理论的拉索疲劳寿命分析方法，研究长度效应、拉索S-N曲线参数、拉索内钢丝数、钢丝疲劳寿命变异性及钢丝应力不均匀性对拉索疲劳寿命的影响；统计分析不同断丝率腐蚀拉索中值S-N曲线，建议拉索终止寿命的断丝率标准；建立基于疲劳极限状态的拉索可靠度计算方法，研究新索和腐蚀拉索疲劳可靠度指标随服役时间的衰减规律，揭示腐蚀是拉索疲劳极限状态的控制因素，腐蚀后拉索的安全由疲劳极限状态控制，而腐蚀对拉索承载力极限状态影响较小。
　　最后，分别以桥梁结构全寿命成本最小及全寿命收益最大为目标建立桥梁结构全寿命经济性分析模型；根据斜拉索服役期间检测和维护成本所占总成本比例较小的特点，以承载力和疲劳极限状态为约束条件，以拉索在全寿命周期内总成本最小，建立斜拉索全寿命优化设计方法；采用事件树模型对一般桥梁结构全寿命成本进行分析，研究抗力衰减规律、折现率、检测精度、失效费用、初始造价对桥梁结构全寿命周期可靠指标及总成本的影响规律。

目录

平行钢丝斜拉索全寿命安全评定方法研究

STUDY ON LIFE-CYCLE SAFETY ASSESSMENT METHODS FOR PARALLEL WIRE STAY CABLE

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 斜拉桥的建设与服役现状

1.3 结构可靠度及安全评定理论研究与发展

1.4 桥梁结构全寿命设计研究与发展

1.5 本文的主要研究内容

第2章 结构可靠度及其随机变量敏感性分析的PSO算法

2.1 引言

2.2 结构可靠指标的优化模型

2.3 粒子群优化算法

2.4 随机变量敏感性分析

2.5 本章小结

第3章 基于健康监测技术的高速公路桥梁车辆荷载模型

3.1 引言

3.2 山东滨州黄河公路大桥简介

3.3 桥梁车辆荷载模型

3.4 桥梁车辆疲劳荷载模型

3.5 本章小结

第4章 基于健康监测技术的斜拉桥斜拉索荷载效应分析与模型

4.1 引言

4.2 平行钢丝智能拉索

4.3 拉索车辆活荷载效应

4.4 拉索疲劳荷载效应

4.5 本章小结

第5章 腐蚀斜拉索力学性能和疲劳性能退化试验研究

5.1 引言

5.2 国内某斜拉桥拉索检测结果分析

5.3 旧索腐蚀试验与评定

5.4 腐蚀拉索强度试验与分析

5.5 腐蚀拉索剩余疲劳寿命评定

5.6 本章小结

第6章 平行钢丝斜拉索安全评定

6.1 引言

6.2 平行钢丝拉索强度评定

6.3 平行钢丝拉索疲劳寿命评定

6.4 本章小结

第7章 桥梁结构全寿命设计方法

7.1 引言

7.2 桥梁结构全寿命经济分析与模型

7.3 斜拉索全寿命设计

7.4 基于事件树模型的桥梁结构全寿命分析

7.5 本章小结

结论

参考文献

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

个人简历