基于健康监测的平胜大桥钢箱梁细节疲劳可靠度研究

摘要

在运营期的反复车辆荷载作用下，桥梁结构面临着疲劳损伤的问题。考虑到结构参数与荷载的随机性，桥梁结构的疲劳破坏具有一定的概率特征。作为国内最大跨度的独塔自锚式悬索桥—平胜大桥钢梁箱结构正交异性桥面板的疲劳可靠性值得进行安全评估。由于平胜大桥已经安装健康监测系统，该系统能够提供钢桥面板的疲劳应力数据，这为平胜大桥钢箱梁桥面板的疲劳可靠度评估提供了有利条件。为了研究大跨度独塔自锚式悬索桥的钢箱梁构造细节在随机荷载作用下的疲劳可靠度，以国内最大跨度的独塔自锚式悬索桥—平胜大桥为工程背景，在健康监测应力数据的基础上采用疲劳可靠度理论对其钢箱梁桥面板构造细节疲劳性能进行了研究。首先基于Palmegren-Miner线性累积损伤准则建立了疲劳可靠度的极限状态方程，其次基于平胜大桥健康监测的典型应力和温度数据建立了疲劳应力谱，最后分析了不同交通量增长系数下平胜大桥钢箱梁细节疲劳可靠度。论文的主要研究内容与研究成果包括:
　　(1)简述了钢结构疲劳可靠度理论与相应的分析方法。以S-N曲线和Miner线性损伤准则为基础，建立疲劳损伤的极限状态方程，并给出疲劳可靠度评估的关键步骤。主要从结构可靠度理论及其分析方法、钢箱梁的疲劳性能和疲劳可靠度评估方法三个方面展开讨论。针对疲劳可靠度分析的极限状态表达式，本文重点介绍了结构可靠度分析中的JC方法，该方法为后文对疲劳可靠指标计算奠定基础。从钢箱梁结构的疲劳性能入手，建立钢结构疲劳失效的极限状态方程，对3个重要的疲劳失效准则进行了讨论。从目前疲劳可靠度评估方法的综述中给出本文疲劳可靠度评估的流程图。
　　(2)针对平胜大桥健康监测系统的疲劳应力进行了统计分析。介绍了平胜大桥的健康监测系统，对平胜大桥健康监测的整个系统和传感器布置两个方面进行了描述。通过引入雨流计数法和谷峰方法两种方法介绍了监测应力数据提取与分析方法。针对实测数据进行了处理分析，提取了应力循环及循环次数，并对多组应力数据进行了统计分析。建立了平胜大桥疲劳荷载效应的概率模型。采用K-S检验获取Seq和Nd的概率分布类型和分布特征值。由分析结果可知:中跨跨中BCV-5-2传感器所在位置的疲劳损伤最大，Seq的均值为5.31MPa，标准差为1.58MPa，对应的日损伤值为1.3×10-6。
　　(3)平胜大桥的疲劳可靠度分析结果表明:平胜大桥钢箱梁的应力数据具有低应力和高循环的特点，可基于Erucode规范对构造细节和低应力幅值的处理方法和等效损伤得出等效应力幅值。平胜大桥钢箱梁细节疲劳可靠指标为5.274;当交通量增长系数分别为0、0.1和0.2时，平胜大桥钢箱梁细节疲劳可靠指标在100年后分别下降为2.305、1.681和1.395;交通量增长系数在前期对疲劳可靠指标的影响较小，而后期对疲劳可靠指标的影响较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钢结构疲劳问题

1．2．2 疲劳可靠度的研究

1．2．3 疲劳寿命评估

1．2．4 桥梁健康监测系统

1．3 本文的主要研究内容

第二章 疲劳可靠度理论及其分析方法

2．1 结构可靠度理论及其分析方法

2．1．1 结构可靠度理论

2．1．2 可靠度分析方法

2．2 钢箱梁的疲劳性能

2．2．1 钢结构疲劳失效准则

2．2．2 钢结构疲劳失效极限状态方程

2．3 疲劳可靠度评估方法

2．3．1 S-N曲线和Miner线性损伤累积准则

2．3．2 Miner线性损伤累积理论

2．3．3 疲劳可靠度分析步骤

2．4 本章小结

第三章 平胜大桥长期健康监测系统及疲劳应力概率模型

3．1 平胜大桥的健康监测系统

3．1．1 健康监测系统概述

3．1．2 传感器布置

3．2 监测数据提取与分析

3．2．1 温度传感器与监测数据

3．2．2 应力监测数据分析

3．3 疲劳应力统计分析

3．3．1 雨流计数方法

3．3．2 谷峰方法

3．3．3 应力提取分析

3．3．4 应力统计分析

3．4 本章小结

第四章 平胜大桥钢箱梁疲劳可靠性评估

4．1 平胜大桥钢箱梁疲劳可靠性评估的数学模型

4．1．1 疲劳可靠度的极限状态方程

4．1．2 疲劳可靠度算法

4．2 平胜大桥钢箱梁疲劳可靠性评估

4．3 交通量增长对钢箱梁疲劳可靠性的影响

4．4 本章小结

第五章 目标可靠指标下平胜大桥的疲劳寿命

5．1 钢结构疲劳寿命的预测方法

5．1．1 基于S-N曲线的疲劳寿命

5．1．2 基于可靠度的疲劳寿命预测

5．2 目标可靠指标的选取

5．3 平胜大桥疲劳寿命预测

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

一、学习期间发表的论文

二、研究生期间参加的课题项目和获奖项目