大跨徑PSC箱梁橋時變性能監(jiān)測及狀態(tài)評估
發(fā)布時間：2020-10-08 23:35
環(huán)境侵蝕、材料老化及車輛超載等不利因素使得橋梁結構的承載能力及可靠性不斷下降。特別是在混凝土收縮徐變、應力松弛及鋼筋銹蝕等時變因素的作用下,大跨徑預應力混凝土(Prestressed concrete,PSC)箱梁橋普遍存在跨中下?lián)线^大及梁體開裂病害,嚴重影響了結構的正常使用性能和耐久性,甚至誘發(fā)重大安全事故。因此,為保證大跨徑PSC箱梁橋的安全和正常運營,對其進行長期健康監(jiān)測并準確評估、預測結構的工作狀態(tài)及未來變化趨勢將顯得十分重要。本文從大跨徑PSC箱梁橋的病害特征及維護需求出發(fā),以蘇州京杭運河大橋(主跨為150m的連續(xù)箱梁橋)為工程背景,從橋梁結構的時變性能監(jiān)測及可靠性評估兩方面著手研究。完成的主要工作如下:(1)針對既有PSC橋梁的健康監(jiān)測策略、方法及應用進行了總結和探討,為把握全壽命周期內(nèi)結構性能和提高監(jiān)測資源利用效率,在京杭運河大橋上建立了集施工監(jiān)控、成橋試驗及運營監(jiān)測三者為一體的全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng),并將實測靜力值與計算結果進行了比較,吻合良好;然后,結合荷載試驗結果驗證了多輸出支持向量機在橋梁結構有限元模型修正中的有效性。(2)針對大跨徑PSC箱梁橋運營過程中普遍存在的跨中下?lián)线^大的等問題,提出了一種基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和隨機有限元分析的長期變形控制策略。首先,采用組合退化殼單元模擬主梁的力學行為,并計入剪力滯、應力松弛對長期變形的影響;然后,考慮收縮徐變預測模型的不確定性及影響參數(shù)的隨機性,基于拉丁超立方法對長期變形的不確定性和敏感性進行了分析,得到了跨中撓度具有95%保證率的置信區(qū)間,以此進行后期備用鋼束的量化設計;敏感性分析結果表明,跨中長期變形對徐變模型不確定系數(shù)的變異最為敏感。(3)在實驗室環(huán)境下,采用索力計、磁通量傳感器及振弦應變計對8根后張梁的預應力長期損失進行了為期1年的監(jiān)測,分析了配筋率、孔道灌漿、應力水平及張拉次序等因素對長期損失的影響規(guī)律。同時,提出了考慮收縮徐變、應力松弛相互作用及非預應力筋影響的長期損失建議模型,其計算結果與試驗值的最大誤差在10%以內(nèi),相比規(guī)范常用計算方法,本文提出的方法整體預測精度較高。最后基于此建議模型,對預應力長期損失進行了不確定性分析。(4)提出了一種考慮隨機場影響的PSC箱梁橋時變可靠度分析方法,首先,采用隨機場模型描述結構彈性模量、分布荷載等參數(shù)空間分布的變異性,基于局部平局法進行離散;然后,綜合考慮收縮徐變、剪力滯及力筋松弛對箱梁橋時變性能的影響,采用重要抽樣法估算了的京杭運河大橋的時變失效概率,并探討了隨機場參數(shù)對結構可靠度的影響。分析結果表明收縮徐變對箱梁橋的可靠性影響顯著,撓度可靠指標在橋梁預期使用壽命之前便衰減到目標水平之下;隨機場相關長度對橋梁的時變可靠指標具有較大影響,而其離散單元數(shù)、相關模型則相對較小。
【學位單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U446
【部分圖文】：
混凝土收縮徐變、鋼筋銹蝕等時變因素對橋梁結構的影響具有持續(xù)時間長、量變發(fā)展因此應當實時了解橋梁的健康狀況，并盡量在早期發(fā)現(xiàn)可能危及結構安全的損傷或病進行準確評估并及時采取維修措施，確保橋梁的正常和安全運營。橋梁結構健康監(jiān)測有效方法之一；對于大跨徑箱梁橋，通過監(jiān)測其時變效應，可以分析收縮徐變、長期期性能的影響，有助于深化對該橋型長期性能的認識并推動設計方法的改進。（a）倒塌前 （b）倒塌后圖 1-1 Koror-Babeldaob 橋梁[13]下?lián)? 1.39m
混凝土收縮徐變、鋼筋銹蝕等時變因素對橋梁結構的影響具有持續(xù)時間長、量變發(fā)展因此應當實時了解橋梁的健康狀況，并盡量在早期發(fā)現(xiàn)可能危及結構安全的損傷或病進行準確評估并及時采取維修措施，確保橋梁的正常和安全運營。橋梁結構健康監(jiān)測有效方法之一；對于大跨徑箱梁橋，通過監(jiān)測其時變效應，可以分析收縮徐變、長期期性能的影響，有助于深化對該橋型長期性能的認識并推動設計方法的改進。（a）倒塌前 （b）倒塌后圖 1-1 Koror-Babeldaob 橋梁[13]下?lián)? 1.39m
圖 1-6 Kishwaukee River 橋位移傳感器布置及裂縫監(jiān)測[46](1) 基于靈敏度分析的模型修正針對有限元模型修正問題，國內(nèi)外學者提出了多種修正方法，進行了大量的研究工作，取得了諸多果。按照修正對象的不同，有限元模型修正可分為矩陣型修正和設計參數(shù)型修正兩大類[58-59]，矩陣修正的不足之處在于修正后質量和剛度矩陣失去了對稱性和稀疏性，物理意義也不明確，同時采用進行模型修正，需要測試到結構完整的模態(tài)，但實際結構往往通過試驗僅能得到較低階的模態(tài)，這制約了此方法的推廣使用[60-61]。目前應用廣泛且深入研究的是參數(shù)型有限元模型修正方法，如基于靈敏度的、響應面模型等的修正基于優(yōu)化迭代算法對結構的材料參數(shù)、幾何尺寸、邊界條件等進行調整，使修正后的有限元模型能的描述結構實際的力學狀態(tài)。Brownjohn 等[62]基于靈敏度分析方法并結合環(huán)境激勵實測的結構頻率，對 Safti 曲線斜拉橋的混凝土彈性模量、密度及構件橫截面積和板厚進行了修正，修正后的有限元力響應預測值與實測值吻合良好。Hua 等[63]以一簡支桁架橋為研究對象，基于改進的一階攝動法和模型修正相結合的方法，采用具有隨機性的實測模態(tài)參數(shù)，對結構參數(shù)的統(tǒng)計特征進行了識別，修
本文編號：2832912
【學位單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U446
【部分圖文】：
混凝土收縮徐變、鋼筋銹蝕等時變因素對橋梁結構的影響具有持續(xù)時間長、量變發(fā)展因此應當實時了解橋梁的健康狀況，并盡量在早期發(fā)現(xiàn)可能危及結構安全的損傷或病進行準確評估并及時采取維修措施，確保橋梁的正常和安全運營。橋梁結構健康監(jiān)測有效方法之一；對于大跨徑箱梁橋，通過監(jiān)測其時變效應，可以分析收縮徐變、長期期性能的影響，有助于深化對該橋型長期性能的認識并推動設計方法的改進。（a）倒塌前 （b）倒塌后圖 1-1 Koror-Babeldaob 橋梁[13]下?lián)? 1.39m
混凝土收縮徐變、鋼筋銹蝕等時變因素對橋梁結構的影響具有持續(xù)時間長、量變發(fā)展因此應當實時了解橋梁的健康狀況，并盡量在早期發(fā)現(xiàn)可能危及結構安全的損傷或病進行準確評估并及時采取維修措施，確保橋梁的正常和安全運營。橋梁結構健康監(jiān)測有效方法之一；對于大跨徑箱梁橋，通過監(jiān)測其時變效應，可以分析收縮徐變、長期期性能的影響，有助于深化對該橋型長期性能的認識并推動設計方法的改進。（a）倒塌前 （b）倒塌后圖 1-1 Koror-Babeldaob 橋梁[13]下?lián)? 1.39m
圖 1-6 Kishwaukee River 橋位移傳感器布置及裂縫監(jiān)測[46](1) 基于靈敏度分析的模型修正針對有限元模型修正問題，國內(nèi)外學者提出了多種修正方法，進行了大量的研究工作，取得了諸多果。按照修正對象的不同，有限元模型修正可分為矩陣型修正和設計參數(shù)型修正兩大類[58-59]，矩陣修正的不足之處在于修正后質量和剛度矩陣失去了對稱性和稀疏性，物理意義也不明確，同時采用進行模型修正，需要測試到結構完整的模態(tài)，但實際結構往往通過試驗僅能得到較低階的模態(tài)，這制約了此方法的推廣使用[60-61]。目前應用廣泛且深入研究的是參數(shù)型有限元模型修正方法，如基于靈敏度的、響應面模型等的修正基于優(yōu)化迭代算法對結構的材料參數(shù)、幾何尺寸、邊界條件等進行調整，使修正后的有限元模型能的描述結構實際的力學狀態(tài)。Brownjohn 等[62]基于靈敏度分析方法并結合環(huán)境激勵實測的結構頻率，對 Safti 曲線斜拉橋的混凝土彈性模量、密度及構件橫截面積和板厚進行了修正，修正后的有限元力響應預測值與實測值吻合良好。Hua 等[63]以一簡支桁架橋為研究對象，基于改進的一階攝動法和模型修正相結合的方法，采用具有隨機性的實測模態(tài)參數(shù)，對結構參數(shù)的統(tǒng)計特征進行了識別，修
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