服役载荷作用下的钢桥疲劳损伤预后分析方法

摘要

随着世界各地大跨桥梁的相继建成，结构在运营期内的状态评估成为当前桥梁工程领域的研究热点。大跨桥梁在服役过程中承受的载荷类型具有多样性，由此带来桥梁结构动态响应计算与疲劳损伤累积状态评估的复杂化，为了确保桥梁结构的安全，需要对结构进行连续的疲劳状态评估，通过对桥梁在当前服役载荷作用下现有疲劳损伤状态的认知来识别潜在的疲劳损伤和预测其未来可能发生的损伤演化过程，即进行桥梁结构疲劳损伤预后，为桥梁运营过程中损伤的及早检测和修复提供依据。近年来，桥梁结构健康监测系统(Structural Health Monitoring System-SHMS)开始广泛应用于重要的桥梁工程，以对结构运营过程中承受的各类载荷及其引起的结构响应进行实时监测。如何最大程度地利用这些监测信息和有限元模拟分析对结构进行疲劳损伤预后是目前亟待解决的问题。
　　本文在总结结合SHMS监测数据和有限元模拟的疲劳损伤预后分析方法的基础上，从润扬斜拉桥结构响应监测信息及其服役载荷因素分析出发，利用有限元方法计算了润扬斜拉桥钢箱梁结构在各类服役载荷作用下的结构动力响应，并在此基础上利用连续介质损伤力学模型和疲劳裂纹扩展模型比较分析不同载荷组合工况下的疲劳损伤累积和疲劳裂纹扩展过程，揭示了不同类型服役载荷对结构疲劳损伤累积的影响规律。最后，在预估桥梁未来服役期内主要服役载荷发展趋势的基础上，实现了桥梁疲劳损伤预后分析。完成的研究工作和主要成果如下:
　　1)通过对实测的润扬斜拉桥正常运营环境下结构应变时程分析可知，钢箱梁监测的应变响应主要由环境温度变化引起的低频响应和交通车辆引起的小振幅高频响应叠加而成，两者分属不同时间尺度内的结构响应信息，前者决定了对疲劳损伤累积有一定影响的平均应力的水平，而后者决定了对疲劳损伤累积有决定性作用的应力幅的取值。
　　2)利用基于子模型技术的有限元模型，计算了不同类型服役载荷引起的钢箱梁结构整体和局部动力响应。针对桥面板疲劳关键位置，利用连续介质损伤力学模型分别考察其在正常运营环境和突发性事故两种工况中各类载荷共同作用下的结构疲劳损伤累积规律。结果表明:在正常运营环境下，交通载荷是引起结构疲劳损伤累积的主要因素。环境温度变化单独作用引起的疲劳损伤值较小，与交通载荷相比几乎可以忽略。但是交通载荷与环境温度变化共同作用时，环境变温载荷的存在会放大交通载荷引起的结构疲劳损伤，且此放大作用亦随着服役期的推移逐渐累积。在突发性工况下，瞬间的过载会引起结构疲劳寿命的缩减，且较早发生的过载对桥梁结构疲劳寿命的影响较大。
　　3)利用子模型方法和断裂力学的疲劳裂纹扩展理论实现疲劳裂纹扩展的模拟分析。通过比较分析不同载荷工况下桥梁结构初始表面裂纹的扩展过程发现，较大尺寸的裂纹对温度变化较为敏感，突发性过载引起的细小疲劳裂纹的瞬间放大会导致后期疲劳裂纹以较快地速率扩展，且越早发生的突发性过载对疲劳裂纹扩展寿命的影响越明显。
　　4)针对桥梁结构当前的服役载荷和未来可能发生的主要载荷的发展趋势，对服役载荷作用下的钢箱梁结构中的关键细节部位的疲劳损伤累积过程进行了预后分析。结果表明:未来交通流量的增长会显著加速结构的疲劳损伤累积，而气候变暖引起的环境变温载荷的更新在疲劳损伤预后分析中可以忽略。多次突发性过载会导致钢箱梁结构疲劳寿命的大幅度缩减，早期的过载经历会增加后期过载导致的结构疲劳破坏的风险性，故对在役桥梁历史服役载荷及其引起的结构当前损伤状态的认知对结构疲劳损伤预后具有十分重要的意义。
　　5)针对斜拉桥的关键构件拉索的疲劳寿命预后问题，利用概率可靠度理论分析了所有拉索的疲劳可靠性和关键拉索表面裂纹扩展引起的疲劳可靠性衰减过程，并进一步考虑关键拉索完全失效引起的临近拉索可靠性指标的降低。结果表明:拉索的可靠度指标值均较高，关键拉索的失效会导致临近拉索尤其是与其处于相同位置的下游侧拉索的可靠性指标的大幅度降低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 桥梁疲劳损伤分析理论

1．2．2 服役载荷作用下的桥梁疲劳损伤分析

1．2．3 结构疲劳损伤预后分析方法

1．3 本文的主要工作

第2章 面向疲劳损伤预后分析的桥梁结构建模与服役载荷模拟

2．1 桥梁疲劳损伤分析方法概述

2．1．1 基于结构健康监测系统的疲劳损伤分析方法

2．1．2 结合监测数据和有限元模拟的疲劳损伤分析方法

2．2 大跨桥梁整体结构与局部易损构件的多尺度建模

2．2．1 面向疲劳损伤预后分析的桥梁结构建模策略

2．2．2 润扬斜拉桥结构及其监测系统概述

2．2．3 基于子模型技术的结构整体与局部之间的衔接

2．3 大跨桥梁服役载荷模拟

2．3．1 交通载荷模拟方法概述

2．3．2 环境变温载荷模拟方法

2．4 本章小结

第3章 服役载荷作用下的桥梁结构应力时程分析

3．1 大跨桥梁在正常运营环境下的结构应力时程分析

3．1．1 正常运营环境下应变响应监测信息的载荷因素分析

3．1．2 交通载荷引起的应力时程

3．1．3 环境温度变化引起的应力时程

3．2 大跨桥梁在突发载荷作用下的结构应力时程分析

3．2．1 撞击事故引起的结构应力时程

3．2．2 地震载荷引起的结构应力时程

3．3 本章小结

第4章 服役载荷作用下的桥梁疲劳损伤累积过程分析

4．1 桥梁疲劳损伤与疲劳裂纹扩展理论概述

4．1．1 疲劳损伤累积理论

4．1．2 疲劳裂纹扩展理论

4．2 服役载荷作用下桥梁疲劳关键位置的识别方法

4．2．1 桥梁疲劳关键位置的识别方法

4．2．2 服役载荷作用下桥梁疲劳关键位置的确定

4．3 服役载荷作用下钢箱梁疲劳损伤累积分析

4．3．1 正常运营环境下桥梁疲劳损伤累积

4．3．2 突发性事故对疲劳损伤累积过程的影响

4．4 服役载荷作用下钢箱梁疲劳裂纹扩展分析

4．4．1 基于线弹性断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展过程

4．4．2 影响疲劳裂纹扩展过程的载荷因素分析

4．5 本章小结

第5章 服役载荷作用下的桥梁疲劳损伤预后分析

5．1 疲劳损伤预后分析方法概述

5．2 服役载荷作用下钢箱梁疲劳损伤预后分析

5．2．1 正常运营环境下的钢箱梁疲劳损伤预后分析

5．2．2 考虑突发性因素的钢箱梁疲劳损伤预后分析

5．3 服役载荷作用下拉索疲劳可靠性预后分析

5．3．1 基于灰色可靠度模型的疲劳可靠性分析

5．3．2 基于断裂韧度可靠度模型的疲劳可靠性预后分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 完成的工作和主要成果

6．2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间撰写与发表的论文