大跨铁路钢桁拱桥结构服役状态监测与安全评价方法研究

摘要

大跨铁路钢桁拱桥在运营期间的服役性能优劣直接关系到高速列车行驶的安全问题。如何利用在实际服役环境中的监测数据对钢桁拱桥服役性能进行实时监控和安全评价，仍是高速铁路桥梁领域面临的一大挑战。本文以南京大胜关长江大桥的边榀钢桁拱架为研究对象，基于杆件截面温度场、列车荷载参数、杆件轴向应变和支座纵向位移的长期监测数据，深入研究在温度场和列车荷载作用下大跨钢桁拱桥服役性能的安全评价方法，创新性地提出了杆件截面温差标准值的计算方法、支座纵向静位移的三维数学模型建立方法、支座老化识别及其实时监控方法等。本文的主要研究工作和取得成果如下:
　　1.钢桁拱桥温度场与列车荷载长期监测与分析。基于大胜关长江大桥温度场和列车荷载参数监测数据，深入研究钢桁拱架上弦杆、斜腹杆、下弦杆和桥面弦杆的截面温差的时变监测规律，建立杆件截面温差的概率统计模型并计算其标准值，详细考察列车荷载加载位置、车厢节数和行驶速度在实际运营环境中的时变监测规律。
　　2.温度场与列车荷载下桁架轴向应变的长期监测与分析。深入研究桁架上弦杆、斜腹杆、下弦杆和桥面弦杆的轴向静应变和轴向动应变的时变监测规律，揭示这四类杆件的夜晚均匀温度和白天梯度温度对轴向静应变的影响规律并建立轴向静应变与温度场之间的数学模型。详细考察上弦杆、斜腹杆、下弦杆和桥面弦杆的动力荷载系数的时变规律和空间分布规律，明确列车荷载加载位置、车厢数量和行驶速度对桁架各杆件轴向动应变的影响规律。
　　3.温度场与列车荷载下支座纵向位移的长期监测与分析。详细分析支座纵向静位移和小振幅动位移累积值的时变监测规律，在此基础上深入研究支座纵向静位移与结构整体温度、弦杆之间温差的相关特性以及各支座纵向静位移之间的空间相关特性，建立主梁纵向静位移随位置、时间变化的多元线性回归数学模型。详细考察列车次数对支座动位移累积行程的影响，深入研究单次列车作用下支座动位移累积值的概率统计特性，最终对多次列车作用下的支座累积行程进行蒙特卡洛模拟和验证。
　　4.基于监测数据的钢桁拱桥服役性能安全评价方法。基于静应变残差对钢桁拱桥的静力性能进行实时监控，基于静应变标准值对钢桁拱桥在设计使用寿命内的静力性能极限状态进行安全评价;计算实测动力荷载系数值大于规范规定值的失效概率，提出通过跟踪失效概率的时变趋势来对钢桁拱桥的动力性能进行实时监控，利用动力荷载系数的概率统计模型计算其标准值并与各国规范设计值进行对比;基于支座纵向静位移数学模型提出支座老化识别及其实时监控方法，计算支座小振幅动位移累积行程达到磨损上限的失效概率，以此来判断支座在设计使用寿命内是否会达到磨损上限值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 桥梁健康监测的意义

1．2 桥梁健康监测的研究与应用现状

1．3 高速铁路桥梁健康监测的研究与应用现状

1．4 本文课题来源

1．5 本文主要研究内容

第2章 钢桁拱桥温度场与列车荷载长期监测与分析

2．1 引言

2．2 钢桁拱桥温度场长期监测与分析

2．2．1 杆件温度的时变监测规律

2．2．3 杆件截面温差概率统计特性分析

2．2．4 钢桁拱桥杆件截面温差标准值

2．3 钢桁拱桥列车荷载长期监测与分析

2．4 本章小结

第3章 温度场与列车荷载下桁架轴向应变长期监测与分析

3．1 引言

3．2 桁架轴向应变的时变监测规律

3．2．1 桁架轴向静应变的时变监测规律

3．2．2 桁架轴向动应变的时变监测规律

3．3 温度场对桁架静应变的影响分析

3．3．1 夜晚均匀温度作用下桁架静应变的数学模型

3．3．2 白天梯度温度作用下桁架静应变的数学模型

3．4 列车荷载对桁架动应变的影响分析

3．4．1 动力荷载系数分析法

3．4．2 动力荷载系数的时变规律

3．4．3 不同杆件动力荷载系数的空间分布规律

3．4．4 动力荷载系数与列车荷载参数之间的相关特性

3．5 本章小结

第4章 温度场与列车荷载下支座纵向位移长期监测与分析

4．1 引言

4．2 支座纵向位移的时变监测规律

4．2．1 支座纵向静位移的时变监测规律

4．2．2 支座小振幅动位移累积值的时变监测规律

4．3 温度场对支座纵向静位移的影响分析

4．3．1 支座纵向静位移与温度场之间的相关特性

4．3．2 各支座纵向静位移之间的空间相关特性

4．3．3 支座纵向静位移的数学模型构建与验证

4．4 列车荷载对支座动位移的影响分析

4．4．1 列车次数对支座动位移累积行程的影响分析

4．4．2 单次列车作用下支座动位移累积值的概率统计分析

4．4．3 多次列车作用下支座累积行程的蒙特卡洛模拟与验证

4．5 本章小结

第5章 基于监测数据的钢桁拱桥服役性能安全评价方法

5．1 引言

5．2 基于静应变效应的钢桁拱桥静力性能安全评价方法

5．2．1 钢桁拱桥静力性能实时监控方法

5．2．2 钢桁拱桥静力性能极限状态安全评价方法

5．3 基于动力荷载系数的钢桁拱桥动力性能安全评价方法

5．3．1 动力荷载系数的概率统计模型

5．3．2 动力荷载系数标准值分析

5．3．3 钢桁拱桥动力性能实时监控方法

5．3．4 钢桁拱桥动力性能极限状态安全评价方法

5．4 基于纵向位移效应的支座服役性能安全评价方法

5．4．1 支座服役性能实时监控方法

5．4．2 支座累积磨损寿命安全评价方法

5．5 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果和奖励

致谢