在役鋼管混凝土拱橋吊桿損傷與系統(tǒng)可靠性分析方法.pdf

1、鋼管混凝土拱橋作為一種頗具中國特色且在大、中跨橋梁領域具有一定優(yōu)勢的橋型，在我國有著十分廣闊的應用前景。但由于鋼管混凝土拱橋的歷史較短，以致目前國內尚未出臺完整的鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范，更無成熟的使用與養(yǎng)護經(jīng)驗可供借鑒，使得在役鋼管混凝土拱橋的病害現(xiàn)象十分復雜、橋梁事故時有發(fā)生。為了有計劃地改善此類橋梁結構的服役狀態(tài)，確保其安全運營，最大限度地延長橋梁的使用壽命，需要系統(tǒng)地研究鋼管混凝土拱橋的主要病害與典型損傷的類型、關鍵構件的實際受力

2、特征以及主要構件及系統(tǒng)的可靠性分析方法。上述研究不僅是保證我國已建成的三百余座鋼管混凝土拱橋不再發(fā)生垮塌等工程事故的需要，也是保證該類具有中國特色的橋型長遠發(fā)展的需要。故此，針對鋼管混凝土拱橋的上述相關問題，本文主要研究了如下內容：
　　（1）研究鋼管混凝土拱橋的常見病害及其成因。分析了鋼管混凝土拱橋與傳統(tǒng)拱橋之間的差異，指出二者在結構體系、材料性能和受力特點三個方面的差異是導致鋼管混凝土拱橋的病害現(xiàn)象、病害特征與檢測方法等諸多方

3、面有別于傳統(tǒng)拱橋的主要原因。通過整理多座在役鋼管混凝土拱橋的檢測結果與病害資料，將鋼管混凝土拱橋的常見病害劃分為主要結構構件的病害、橋面系統(tǒng)的病害及附屬結構的病害。進而指出，上部結構病害中的主拱肋內混凝土缺陷、吊桿與系桿的各種常見病害是鋼管混凝土拱橋的典型病害，也是本文的主要研究對象。
　?。?）研究吊桿車輛荷載效應隨機性的特征以及相應的建模方法。介紹了拱橋吊桿車輛荷載效應健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)吊桿車輛荷載效應具有概

4、率密度函數(shù)形狀較為復雜等特征。針對在概率密度函數(shù)較為復雜的情況下，傳統(tǒng)方法無法建立吊桿車輛荷載效應及其極值的概率模型的問題，分別基于非參數(shù)統(tǒng)計學與隨機過程極值理論，提出了建立吊桿車輛荷載效應概率模型的非參數(shù)統(tǒng)計方法和建立車輛荷載效應極值概率模型的方法。工程應用結果顯示，上述方法能夠很好地解決相關的建模問題。
　?。?）研究吊桿疲勞荷載效應的特征及疲勞累積損傷的計算方法。采用雨流計數(shù)法與線性疲勞累積損傷理論，分析了吊桿疲勞荷載效應與

5、疲勞累積損傷的特征。指出較重車輛荷載是導致吊桿疲勞累積損傷的主要荷載，其疲勞應力幅與平均應力具有近似呈線性的特點。并在此基礎上，引入車輛荷載效應的概率模型，提出了非監(jiān)測時段內疲勞累積損傷程度的計算方法和剩余服役期內疲勞累積損傷程度預測方法。
　?。?）研究鋼絲損傷的演化規(guī)律、吊桿抗力的衰減過程及服役可靠度的計算方法。分析鋼絲的損傷演化過程，將其綜合為防護失效、均勻腐蝕、裂紋擴展三個階段。通過分析鋼絲各種損傷的機理，基于損傷力學與斷

6、裂力學的基本理論，提出了鋼絲名義剩余強度的計算公式。分析了吊桿抗力的衰減過程，進而采用脆性鋼絲模型作為吊桿剩余承載能力的計算模型，借鑒纖維束強度計算理論給出了吊桿在抗力衰減各階段的剩余承載能力的計算方法。將服役構件抗力的不確定性歸結為構件損傷的不確定性，提出了改進的服役構件抗力衰減獨立增量隨機過程模型并將其應用于吊桿。
　　（5）研究鋼管混凝土拱橋的系統(tǒng)可靠性分析方法。通過分析現(xiàn)有失效模式搜索方法的優(yōu)缺點及其在橋梁結構工程中的適用

7、性，提出了適用于橋梁結構的改進的階段臨界強度分枝-約界法，解決了大型橋梁結構主要失效模式搜索的問題。比較了系統(tǒng)可靠度計算的區(qū)間估計法、PENT及FORM方法的適用范圍，指出區(qū)間估計法主要適用于對系統(tǒng)可靠度區(qū)間的估計；FORM方法與PENT法分別適合系統(tǒng)的失效模式分組特征不明顯和明顯兩種情況。最終，將上述系統(tǒng)可靠度分析方法應用于某在役鋼管混凝土拱橋，分析了拱肋典型病害對鋼管混凝土拱橋系統(tǒng)可靠性的影響。結果表明：拱頂位置處的混凝土缺陷對鋼管