基于长期监测数据的大跨桥梁环境作用模型及其效应研究

摘要

大跨桥梁结构的状态评估对于其安全运营具有重要意义，是目前土木工程领域的研究热点。结构健康监测系统在国内外一些大型桥梁上的成功实施为全面深入理解桥梁结构在服役期的安全状态及性能退化规律提供了良好的平台。随着实时监测数据的不断积累，如何有效地处理和分析监测数据，建立环境作用、车辆荷载等服役期荷载与桥梁结构状态输出之间的关系并探求结构在外部荷载作用下的响应机理、提升桥梁设计水平和分析技术是目前桥梁结构健康监测领域的重要问题。
　　 本文以润扬大桥悬索桥为研究对象，围绕大跨桥梁环境作用及其效应这个主题，基于结构健康监测系统获取的长期实时环境监测数据，准确地建立了包括温度作用和风荷载在内的环境作用的长期统计模型，系统地研究了环境作用下大跨桥梁结构的整体响应，并进一步深入分析了环境作用下大跨桥梁结构的局部响应，主要内容包括:
　　 (1)详细地研究了润扬大桥悬索桥扁平钢箱梁温度作用的特性。基于长期实测数据，分析了扁平钢箱梁温度和温差的时变规律，建立了高斯混合分布和联合分布分别对扁平钢箱梁的温度和温差的统计特性进行准确描述，预测了润扬大桥悬索桥设计基准期内的温差极值并与Eurocode1进行了对比，总结了扁平钢箱梁横截面的横向温差模式，提出了扁平钢箱梁全寿命温度场模拟的数值逆变换抽样方法，模拟了润扬大桥悬索桥扁平钢箱梁为期五年的温度场。研究结果表明，建立的概率密度函数能准确描述扁平钢箱梁温度和温差的统计规律，数值逆变换抽样方法可准确模拟扁平钢箱梁的温度场。
　　 (2)详细地研究了润扬大桥悬索桥桥址区的日常风特性。基于长期实测数据，得到了塔顶风场和主梁跨中风场的平均风速、平均风向、风速沿高度变化规律、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风功率谱密度、风场空间相关性等日常风特征参数及其统计规律，对比了塔顶风场参数和主梁跨中风场参数的相关性和差异性，分析了风场特征参数之间以及风场特征参数不同分量之间的相关性，并将分析结果与该地区的台风特性和相关规范进行了对比，最后总结了用于结构状态评估的日常风功率谱密度函数。研究结果表明，实测日常风特性与台风特性及规范推荐结果相差较大，总结的功率谱密度函数可准确反映日常风的脉动能量分布。
　　 (3)详细地研究了环境作用下大跨桥梁结构的整体响应。针对环境作用下大跨桥梁结构整体响应的特点，以抖振响应为主要研究对象，采用大型数值分析软件和大型有限元分析软件，实现了从随机风场模拟、全桥有限元模型建立到考虑气动自激力影响的大跨度桥梁抖振响应非线性时域分析的程序化方法，在此基础上讨论了基于实测谱和规范谱的模拟风荷载作用下大跨桥梁结构抖振响应的差异，分析了实测日常风和实测台风荷载作用下大跨桥梁结构抖振响应的区别，并进一步研究了温度变化对悬索桥动力特性和抖振响应的影响。研究结果表明，环境作用参数对大跨桥梁结构的整体响应有显著的影响。
　　 (4)详细地研究了环境作用对大跨悬索桥扁平钢箱梁局部应力响应和长期疲劳性能的影响。以扁平钢箱梁正交异性桥面板的顶板—U型肋对接和U型肋对接两类典型焊接细节为研究对象，建立了扁平钢箱梁节段局部精细有限元模型并分析了车辆荷载、温度作用以及温差作用下焊接细节的应力特征，建立了全桥多尺度有限元模型并分析了日常风荷载和台风荷载下焊接细节的应力特征，总结了国内外规范推荐的疲劳评估方法的特点并指出其对大跨悬索桥扁平钢箱梁焊接细节的适用性，选取Eurocode规范的疲劳评估方法深入分析了温度、日常风和台风引起的焊接细节疲劳累积损伤，讨论了外部作用的变异性对焊接细节疲劳性能的影响。研究结果表明，建立的有限元模型能对环境作用下焊接细节的应力进行准确模拟，环境作用对扁平钢箱梁正交异性桥面板的应力分布有明显的影响，温度、日常风和台风均会造成焊接细节疲劳损伤的累积。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 桥梁结构健康监测系统研究现状

1．3 大跨桥梁环境作用模型

1．3．1 温度作用模型研究

1．3．2 风荷载的现场实测及模型的建立

1．4 环境作用下大跨桥梁的整体响应

1．4．1 温度作用下的整体响应

1．4．2 风荷载下的整体响应

1．5 环境作用下大跨桥梁的局部响应

1．5．1 环境作用下大跨桥梁局部响应的主要特点

1．5．2 疲劳评估问题的提出

1．5．3 基于疲劳强度曲线的疲劳寿命评估

1．6 本文主要研究内容

参考文献

第二章 扁平钢箱梁温度场统计模型及全寿命温度场模拟

2．1 引言

2．2 润扬大桥悬索桥扁平钢箱梁温度监测子系统

2．3 扁平钢箱梁温度场统计分析

2．3．1 扁平钢箱梁的温度特性

2．3．2 扁平钢箱梁的温差特性

2．4 扁平钢箱梁全寿命温度场模拟

2．4．1 数值逆变换抽样方法

2．4．2 温度场模拟

2．4．3 模拟结果验证

2．5 本章小结

参考文献

第三章 基于长期监测数据的日常风特性分析

3．1 引言

3．2 润扬大桥悬索桥风场监测子系统

3．3 风场测试数据分析方法

3．3．1 平均风特性

3．3．2 脉动风特性

3．4 润扬大桥悬索桥实测数据分析

3．4．1 平均风速和风向

3．4．2 风速沿高度的变换规律

3．4．3 湍流度和阵风因子

3．4．4 湍流积分尺度

3．4．5 脉动风功率谱密度

3．4．6 空间相关性

3．5 实用日常风功率谱密度函数

3．6 本章小结

参考文献

第四章 环境作用下大跨桥梁整体响应分析

4．1 引言

4．2 大跨桥梁结构抖振响应时域分析程序化方法

4．2．1 随机风场模拟

4．2．2 全桥有限元模型

4．2．3 抖振响应时域分析

4．3 基于规范谱和实测谱的抖振响应对比分析

4．3．1 风荷载特性

4．3．2 抖振响应对比分析

4．4 日常风与台风作用下的抖振响应对比分析

4．4．1 风场特性对比

4．4．2 抖振响应对比

4．5 温度作用对大跨悬索桥整体响应的影响

4．5．1 概述

4．5．2 模态频率——温度相关性分析

4．5．3 抖振响应——温度相关性分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 环境作用下扁平钢箱梁局部应力响应分析

5．1 引言

5．2 润扬大桥悬索桥扁平钢箱梁计算模型

5．2．1 扁平钢箱梁设计参数

5．2．2 扁平钢箱梁局部焊接细节的选取

5．2．3 扁平钢箱梁节段局部精细有限元模型

5．3 车辆荷载下焊接细节应力特征

5．3．1 疲劳车辆荷载模型

5．3．2 车辆荷载作用下焊接细节的应力特征

5．4 温度作用下焊接细节的应力特征

5．4．1 扁平钢箱梁有限元模型节段长度的选取

5．4．2 整体温度变化下钢箱梁的应力特征

5．4．3 竖向温差下的应力特征

5．4．4 横向温差下的应力特征

5．5 风荷载作用下焊接细节的应力特征

5．5．1 多尺度有限元模型

5．5．2 模型验证

5．5．3 日常风荷载下焊缝细节的应力特征

5．5．4 台风荷载下焊接细节的应力特征

5．6 本章小结

参考文献

第六章 环境作用对扁平钢箱梁焊接细节疲劳性能的影响分析

6．1 引言

6．2 钢箱梁焊接细节疲劳寿命评估方法

6．2．1 疲劳应力数据处理方法

6．2．2 Palmgren-Miner线性损伤累积理论

6．2．3 疲劳强度曲线

6．2．4 焊接细节疲劳损伤累积计算方法

6．3 车辆荷载对焊接细节疲劳寿命的影响

6．4 温度作用对焊接细节疲劳寿命的影响

6．5 风荷载对焊接细节疲劳寿命的影响

6．6 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢