大跨度悬索桥设计寿命期内的监测、维护与管理策略研究

摘要

目前，桥梁工程的重点已经从新桥的设计逐渐变成了新建与养护加固并重的阶段。为了实现可持续发展，保证桥梁结构在整个使用寿命期内安全运营，须进行桥梁的监测、维护与管理策略研究。本文基于全寿命的思想，对大跨度悬索桥在使用寿命期内的监测、维护与管理进行了深入研究，建立了相应的总体框架、流程，制定了相应的管理对策。本文的研究工作主要有以下几个方面：
　　 1、分析了悬索桥的主要受力构件的病害。由施工过程中滞留的雨水和运营过程中防护的损伤而造成的主缆腐蚀是最主要的危害。吊杆的常见病害有护套划伤、锚头、吊杆钢丝、附属构件的病害等，其中护套损伤、钢丝锈蚀和开裂是吊杆损伤退化的主要机理。钢丝锈蚀与开裂出现频率高，检测困难，降低拉索承载力，无法修复的特点，对缆索的危害性最大。钢桥面板容易开裂的部位主要是各部件连接处的焊缝和因应力集中导致易开裂的部位。
　　 2、在对BS5400，AASETO以及Eurocode等桥梁设计规范的分析基础上，针对我国现行公路桥梁设计规范未对车辆荷载谱进行明确规定的不足，通过对江阴长江大桥的车辆状况调查，提出了用于大跨度钢桥的疲劳累积损伤计算的典型车辆荷载谱，并考虑冲击系数、车道分布效应以及交通量变化等因素。在疲劳累计损伤计算方法基础上，建立了钢桥的疲劳等级评定的判定项目：疲劳的累积损伤度、疲劳损伤的“进展性”、构件的“冗余度”、劣化状态对结构机能的影响程度。根据疲劳损伤等级评定结果，采用相应检测与维修措施。
　　 3、根据钢丝裂纹扩展“先圆后扁”的特点，提出了一种拟合的实用的几何修正系数来考虑钢丝的裂纹特征，建立了基于断裂力学的钢丝强度评定方法，并用于江阴长江大桥主缆钢丝的断裂强度分析，以辅助养护决维修决策。在分析缆索钢丝腐蚀机理与锈蚀特点的基础上，用钢丝腐蚀分级的方法来评估钢丝强度与承载力。根据主缆的长度、截面尺寸与细节的局部损伤的分析尺度上相差甚远的特点，建立了主缆的三个分析尺度：钢丝的尺度、索股的尺度、主缆的尺度。
　　 4、将桥梁运营阶段的全寿命成本分为检测成本、维修成本、用户成本和失效成本，并详尽阐述了各个成本的组成及计算方法。其中桥梁失效后果可用失效费用来表示，其主要费用包括重建费用、交通延迟费用、道路与交通管理费用、人身损害赔偿费用以及其它间接费用等。
　　 5、提出了桥梁构件的检测与维修优化模型，将检测与维修优化问题变为：在构件满足最小允许可靠度的条件下，总费用最小。该优化模型可以用于结构疲劳与腐蚀养护优化，并研究了主要参数(检测费用、维修费用、失效费用以及折现率等)对最优检测时间的影响。
　　 6、根据桥梁在寿命期内的评估预测以及养护需求，从建立桥梁监测、维护与管理策略与方案的目标出发，确定桥梁监测、维护与管理的原则，建立基于全寿命成本的桥梁监测、维护与管理策略；根据桥梁使用中可能出现的病害问题，建立桥梁构件监测、维护与管理的方案与方法，建立了桥梁监测、维护与管理的流程。
　　 7、以江阴长江大桥为分析实例，制定了吊杆、主缆与钢箱梁的养护维修策略，建立了各主要构件的检测维修的内容、方法、设备和时机等。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1我国现代悬索桥的发展

1.2问题的提出

1.3悬索桥的典型病害

1.3.1主缆的病害

1.3.2吊杆的病害

1.3.3钢箱梁的病害

1.3.4小结

1.4国内外研究现状

1.4.1吊杆的养护管理现状

1.4.2主缆的养护管理现状

1.4.3钢箱梁的养护管理现状

1.4.4寿命成本分析在桥梁工程中应用的研究现状

1.5本文的工作

第二章 疲劳与腐蚀分析理论

2.1钢桥疲劳寿命评估

2.1.1基于S-N曲线的疲劳寿命评估

2.1.2基于线弹性断裂力学的疲劳寿命评估

2.2基于可靠度的钢桥疲劳寿命评估

2.2.1基于S-N曲线的疲劳寿命可靠性评估

2.2.2基于LEFM的疲劳寿命可靠性评估

2.3腐蚀分析方法

2.4小结

第三章 大跨度悬索桥的疲劳退化分析与评定

3.1疲劳荷载统计模型

3.2大跨度钢桥疲劳车辆荷载模型

3.2.1国外公路桥梁疲劳荷载谱

3.2.2主要车辆类型的划分

3.2.3代表车型轴重及尺寸参数的确定

3.2.4各代表车型车道分布规律

3.2.5标准疲劳车模型

3.2.6简化疲劳车模型轴重及轴距的确定

3.3交通量预测模型

3.3.1交通量预测的内容

3.3.2交通量预测的方法

3.4钢桥疲劳损伤计算方法

3.5钢桥的疲劳评定

3.6悬索桥吊杆的疲劳损伤计算与疲劳评定

3.6.1过桥车辆的调研

3.6.2江阴大桥吊杆的疲劳退化

3.6.3吊杆的疲劳评定

3.7小结

第四章 缆索的断裂评估与腐蚀分析

4.1带裂纹钢丝的应力强度因子

4.1.1轴力作用下的应力强度因子

4.1.2弯矩作用下的应力强度因子

4.2索的断裂安全评估

4.3主缆钢丝断裂研究

4.4主缆的多尺度分析

4.4.1钢丝的尺度

4.4.2索股的尺度

4.4.3缆索的尺度

4.5锈蚀检测与评估

4.5.1缆索锈蚀的特点

4.5.2锈蚀分级

4.5.3截面锈蚀分布检测

4.6小结

第五章 桥梁运营阶段的全寿命成本分析

5.1检测成本

5.2维修成本

5.2.1维修事件树

5.2.2维修种类

5.2.3维修费用

5.3用户成本

5.4失效成本

5.5总成本

5.6失效成本组成

5.7小结

第六章 桥梁检测与维修策略优化与分析方法

6.1桥梁维护策略

6.2基于概率的桥梁检测维修优化

6.3吊杆的检测时机优化

6.4疲劳检测优化

6.5参数分析

6.5.1最优的维修时间

6.5.2检测费用的影响

6.5.3维修费用的影响

6.5.4失效费用的影响

6.5.5折现率的影响

6.6小结

第七章 大跨度桥梁的监测、维护与管理策略

7.1养护需求分析

7.1.1桥梁性能退化

7.1.2桥梁性能评价指标

7.1.3桥梁监测、养护需求分析

7.2桥梁监测、维护和维修策略

7.2.1监测、维护与管理的原则

7.2.2桥梁构件维修策略的合理选择

7.2.3桥梁构件的维修决策流程

7.3桥梁监测、维护与管理方法

7.3.1桥梁监测主要内容和方法

7.3.2桥梁养护与维修方法

7.3.3桥梁监测、维护与管理的处理过程

7.4监测、维护与管理策略的主要内容

7.5小结

第八章 江阴大桥设计寿命期内的监测、维护与管理策略

8.1江阴大桥简介

8.2吊杆的养护策略

8.2.1吊杆的护套维护

8.2.2吊杆的索力测试

8.2.3吊杆微腐蚀环境控制

8.2.4吊杆的更换

8.2.5吊杆系统的检查内容

8.2.6吊杆系统的检查周期

8.3主缆的检测、维修策略

8.3.1主缆的监测

8.3.2主缆的检查

8.3.3主缆的钢丝检测

8.3.4主缆的检查周期

8.4钢箱梁的疲劳养护策略

8.4.1正交异性钢桥面板的疲劳细节

8.4.2钢箱梁的监测、检查内容

8.4.3钢箱梁的检查周期

8.4.4钢箱粱的裂纹的处理方法

8.5小结

第九章 结论与展望

9.1本文的主要工作与主要结论

9.2进一步的研究方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果