基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的大跨橋梁環(huán)境作用模型及其效應(yīng)研究.pdf

1、大跨橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估對于其安全運(yùn)營具有重要意義，是目前土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外一些大型橋梁上的成功實(shí)施為全面深入理解橋梁結(jié)構(gòu)在服役期的安全狀態(tài)及性能退化規(guī)律提供了良好的平臺(tái)。隨著實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的不斷積累，如何有效地處理和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立環(huán)境作用、車輛荷載等服役期荷載與橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)輸出之間的關(guān)系并探求結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下的響應(yīng)機(jī)理、提升橋梁設(shè)計(jì)水平和分析技術(shù)是目前橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的重要問題。
　　 本

2、文以潤揚(yáng)大橋懸索橋?yàn)檠芯繉ο?，圍繞大跨橋梁環(huán)境作用及其效應(yīng)這個(gè)主題，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取的長期實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地建立了包括溫度作用和風(fēng)荷載在內(nèi)的環(huán)境作用的長期統(tǒng)計(jì)模型，系統(tǒng)地研究了環(huán)境作用下大跨橋梁結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)，并進(jìn)一步深入分析了環(huán)境作用下大跨橋梁結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)，主要內(nèi)容包括:
　　 (1)詳細(xì)地研究了潤揚(yáng)大橋懸索橋扁平鋼箱梁溫度作用的特性。基于長期實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了扁平鋼箱梁溫度和溫差的時(shí)變規(guī)律，建立了高斯混合分布和

3、聯(lián)合分布分別對扁平鋼箱梁的溫度和溫差的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行準(zhǔn)確描述，預(yù)測了潤揚(yáng)大橋懸索橋設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的溫差極值并與Eurocode1進(jìn)行了對比，總結(jié)了扁平鋼箱梁橫截面的橫向溫差模式，提出了扁平鋼箱梁全壽命溫度場模擬的數(shù)值逆變換抽樣方法，模擬了潤揚(yáng)大橋懸索橋扁平鋼箱梁為期五年的溫度場。研究結(jié)果表明，建立的概率密度函數(shù)能準(zhǔn)確描述扁平鋼箱梁溫度和溫差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，數(shù)值逆變換抽樣方法可準(zhǔn)確模擬扁平鋼箱梁的溫度場。
　　 (2)詳細(xì)地研究了潤揚(yáng)大橋

4、懸索橋橋址區(qū)的日常風(fēng)特性。基于長期實(shí)測數(shù)據(jù)，得到了塔頂風(fēng)場和主梁跨中風(fēng)場的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、風(fēng)速沿高度變化規(guī)律、湍流度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度、風(fēng)場空間相關(guān)性等日常風(fēng)特征參數(shù)及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對比了塔頂風(fēng)場參數(shù)和主梁跨中風(fēng)場參數(shù)的相關(guān)性和差異性，分析了風(fēng)場特征參數(shù)之間以及風(fēng)場特征參數(shù)不同分量之間的相關(guān)性，并將分析結(jié)果與該地區(qū)的臺(tái)風(fēng)特性和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了對比，最后總結(jié)了用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的日常風(fēng)功率譜密度函數(shù)。研究結(jié)果表明，實(shí)

5、測日常風(fēng)特性與臺(tái)風(fēng)特性及規(guī)范推薦結(jié)果相差較大，總結(jié)的功率譜密度函數(shù)可準(zhǔn)確反映日常風(fēng)的脈動(dòng)能量分布。
　　 (3)詳細(xì)地研究了環(huán)境作用下大跨橋梁結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)。針對環(huán)境作用下大跨橋梁結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的特點(diǎn)，以抖振響應(yīng)為主要研究對象，采用大型數(shù)值分析軟件和大型有限元分析軟件，實(shí)現(xiàn)了從隨機(jī)風(fēng)場模擬、全橋有限元模型建立到考慮氣動(dòng)自激力影響的大跨度橋梁抖振響應(yīng)非線性時(shí)域分析的程序化方法，在此基礎(chǔ)上討論了基于實(shí)測譜和規(guī)范譜的模擬風(fēng)荷載作用下大跨

6、橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)的差異，分析了實(shí)測日常風(fēng)和實(shí)測臺(tái)風(fēng)荷載作用下大跨橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)的區(qū)別，并進(jìn)一步研究了溫度變化對懸索橋動(dòng)力特性和抖振響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，環(huán)境作用參數(shù)對大跨橋梁結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)有顯著的影響。
　　 (4)詳細(xì)地研究了環(huán)境作用對大跨懸索橋扁平鋼箱梁局部應(yīng)力響應(yīng)和長期疲勞性能的影響。以扁平鋼箱梁正交異性橋面板的頂板—U型肋對接和U型肋對接兩類典型焊接細(xì)節(jié)為研究對象，建立了扁平鋼箱梁節(jié)段局部精細(xì)有限元模型并分析了車輛

7、荷載、溫度作用以及溫差作用下焊接細(xì)節(jié)的應(yīng)力特征，建立了全橋多尺度有限元模型并分析了日常風(fēng)荷載和臺(tái)風(fēng)荷載下焊接細(xì)節(jié)的應(yīng)力特征，總結(jié)了國內(nèi)外規(guī)范推薦的疲勞評(píng)估方法的特點(diǎn)并指出其對大跨懸索橋扁平鋼箱梁焊接細(xì)節(jié)的適用性，選取Eurocode規(guī)范的疲勞評(píng)估方法深入分析了溫度、日常風(fēng)和臺(tái)風(fēng)引起的焊接細(xì)節(jié)疲勞累積損傷，討論了外部作用的變異性對焊接細(xì)節(jié)疲勞性能的影響。研究結(jié)果表明，建立的有限元模型能對環(huán)境作用下焊接細(xì)節(jié)的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，環(huán)境作用對扁平