橋梁結構疲勞時變損傷的模型更新及其可靠度評估.pdf

1、對于在役大跨鋼橋進行疲勞時變損傷評估，在借助于其上安裝的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)所記錄的應變時程監(jiān)測數據進行壽命預測的同時還必須借助于橋梁每年的人工無損探測所得到的橋梁實際運營狀態(tài)下產生的各類缺陷來進行定性的橋梁分級評估。這些人工檢測信息能夠反映結構的疲勞時變損傷狀態(tài)，其形成的年檢報告可以詳細地給定橋梁上已存在的焊接裂紋及表面缺陷的大小及位置等信息，根據相關規(guī)范或合同的規(guī)定，可依據各類缺陷的嚴重等級來決定是否需要進行短期內的維修。若借助健康監(jiān)測

2、系統(tǒng)記錄的監(jiān)測數據，所能預測的僅僅是安裝了部分傳感器處的名義應力下的疲勞壽命；而僅僅靠檢測報告來定性的進行橋梁的狀態(tài)分級，包含的主觀性和隨機性均很大。為了能夠更好的評估橋梁的疲勞使用狀態(tài)，本文嘗試將可由人工檢測得到的反映結構疲勞時變損傷狀態(tài)的缺陷信息，通過相應的數學模型量化，應用于有限元模型的更新，并進行后續(xù)的可靠度評估。對于橋梁這樣的大型結構，若使用傳統(tǒng)的精細有限元的建模方法來準確反映結構局部缺陷處的應力狀態(tài)，計算量將十分巨大，考慮到

3、橋梁的缺陷主要集中在局部細節(jié)處，無需對整個結構均建立精細的有限元模型。因此，本文嘗試建立一個面向大跨鋼橋疲勞狀態(tài)評估與可靠度分析的多尺度有限元模型，發(fā)展多尺度的建模策略，來反映結構的整體特性、局部特性和細部的缺陷特性，并將此建模策略應用于結構健康監(jiān)測系統(tǒng)不易布設或人工檢測不易檢測到的疲勞易損段，然后，將疲勞易損段的可由人工檢測信息獲得的考慮疲勞時變損傷狀態(tài)的主要因素進行量化并引入模型來更新有限元模型，基于S-N曲線和線彈性斷裂力學方法得

4、到初步的疲勞壽命評估結果后，比較評估結果，采用線彈性斷裂力學進行后續(xù)含缺陷及裂紋狀態(tài)下的橋梁疲勞易損部位的可靠度評定。完成的研究工作及取得的主要成果有：
　　1.根據研究目標的需要，以大型通用軟件ANSYS為平臺，對比了可用于整體結構與局部結構連接的子結構技術與子模型技術的優(yōu)缺點，最終選定子模型技術作為本文多尺度一致分析的整體與局部的連接方法。以潤揚長江大橋北漢斜拉橋為例，詳細介紹了大跨鋼橋結構基于子模型技術的多尺度建模策略。其結

5、果表明：子模型技術較子結構技術而言，更適用于面向大跨鋼橋疲勞狀態(tài)評估與可靠度分析的多尺度模型的連接；
　　2.基于一定的數學模型將可由人工檢測信息獲得的考慮結構疲勞時變損傷狀態(tài)的包含疲勞裂紋、表面缺陷等在內的主要因素量化并引入結構的多尺度模型，發(fā)展了一個考慮疲勞時變損傷狀態(tài)的結構模型更新的方法，此方法可通過反映結構損傷時變狀態(tài)的人工檢測信息的不斷更新獲得結構在最新?lián)p傷狀態(tài)下的計算模型，具有一定的可持續(xù)性，進而進行的疲勞壽命預測與可

6、靠度評估可更準確的反映橋梁實際服役狀態(tài)；
　　3.基于發(fā)展的多尺度建模策略，建立了面向大跨鋼橋跨中關鍵段疲勞易損部位的多尺度模型，并分別基于S-N曲線法和線彈性斷裂力學方法進行橋梁易損部位疲勞狀態(tài)的評定。其結果表明：發(fā)展的多尺度建模策略可成功實現受力復雜的局部應力狀態(tài)的分析和疲勞狀態(tài)的評估，為橋梁結構考慮結構疲勞損傷特征提供了一種更為精確的分析方法，一定程度上彌補了大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)無法反映復雜構型局部焊縫區(qū)域應力分布規(guī)律的不足

7、；
　　4.S-N曲線法的評估結果表明：大型重車經過橋面時對橋梁局部構件的等效應力及損傷增量的影響均比較小；線彈性斷裂力學的評估結果表明：裂紋的出現并擴展會大大地縮短結構的疲勞壽命；裂縫寬度的增加不會使構件發(fā)生斷裂失效，而不同的初始裂紋長度對構件的疲勞壽命的影響比較明顯。由兩種評估方法的評估結果對比可知：基于線彈性斷裂力學考察的多尺度模型可更實際地模擬裂紋擴展對構件疲勞狀態(tài)與壽命的影響，反映結構的破壞機理；
　　5.通過折減

8、材料的彈性模量可成功地引入結構的表面缺陷。當構件上相鄰位置同時存在裂紋缺陷與表面缺陷時，若表面缺陷的位置處于裂紋所處區(qū)域范圍內時，能有效降低裂紋區(qū)域的應力水平；若表面缺陷處于裂紋所處區(qū)域范圍外時，此缺陷則會削弱裂紋所在局部區(qū)域剛度，對結構的使用性能不利。此外，局部小范圍內的表面缺陷不會引起整體構件應力狀態(tài)的變化；
　　6.引入裂紋信息用于模型的更新，并在建立的疲勞裂紋隨機擴展的韌斷極限狀態(tài)方程中考慮裂紋的隨機特性，可得到構件疲勞可

9、靠度指標隨時間的變化規(guī)律?？芍?，構件的韌斷臨界裂紋值主要在裂紋擴展前期影響構件的疲勞可靠度指標，而結構上的交通荷載疲勞作用次數則主要在裂紋擴展后期影響構件的可靠度指標；
　　7.基于貝葉斯定理的概率斷裂力學評估模型能夠有效的引入人工探測裂紋信息，實現裂紋擴展模型及其相應參數的更新。本文進行的可靠度評估表明：在檢測到具體疲勞裂紋值后，人工探測后的疲勞可靠度指標較探測前有了明顯的提高，因而其檢修間隔時間可相應延后，該研究結果對實際的橋

10、梁檢修間隔調整具有指導意義。
　　本文對在役大跨鋼橋構件進行疲勞壽命與可靠度評估所發(fā)展的考慮結構疲勞時變損傷狀態(tài)的結構模型更新方法，一方面是對在役大橋壽命與使用評估方法體系的一種完善；另一方面也使得橋梁人工探測信息被更有效地加以應用，取代了以往利用探測信息來粗略的對橋梁當前狀態(tài)進行簡單分級的思路，能更加精確的實現橋梁在整個服役期內考慮損傷時變狀態(tài)的疲勞狀態(tài)評定。對在役橋梁應用這種評定方法，其評估結果還可對橋梁人工探測的精度要求以及