鋼管混凝土拱橋因其高承載力、優(yōu)良的塑性和韌性、較強的耐火性能和耐沖擊性能、良好的施工性及卓越的經(jīng)濟性，在中國甫一出現(xiàn)便得到了廣泛的應(yīng)用，但是其設(shè)計理論、計算方法、規(guī)范編制等技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)落后于實際工程建設(shè)。早期建設(shè)的鋼管混凝土橋梁由于規(guī)范缺失導(dǎo)致部分設(shè)計或者施工不足產(chǎn)生了一定的缺陷，隨著橋梁運營日久，加之環(huán)境的影響，這些缺陷導(dǎo)致的橋梁病害也日益顯現(xiàn)出來，嚴(yán)重影響橋梁的運營安全。為準(zhǔn)確判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，進(jìn)而對橋梁的安全狀況進(jìn)行評估，以提出切實可行的應(yīng)對措施，保證此類橋梁的安全運營，本文以鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁杜坑特大橋為背景，針對此類橋梁損傷識別工作進(jìn)行了如下幾個方面的研究和探討：1)結(jié)構(gòu)有限元模型修正研究；2)結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化布置與結(jié)構(gòu)振型擴階分析；3)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷機理、損傷指標(biāo)及損傷識別方法研究；4)結(jié)構(gòu)損傷程度評估和損傷結(jié)構(gòu)安全狀況評級研究。本文主要研究內(nèi)容如下： (1)結(jié)構(gòu)有限元模型修正研究。將Kriging模型引入結(jié)構(gòu)有限元模型修正領(lǐng)域，采用遺傳算法優(yōu)化Kriging模型參數(shù)，以設(shè)計參數(shù)變量與結(jié)構(gòu)有限元分析頻率作為訓(xùn)練樣本訓(xùn)練Kriging模型，以實測結(jié)構(gòu)頻率作為輸入樣本，得到優(yōu)化后設(shè)計參數(shù)變量。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法有限元模型修正方法相比較，基于Kringing模型的有限元模型修正方法采用較少量訓(xùn)練樣本即可得到較高精度的修正模型，且具有更高的計算效率。 (2)結(jié)構(gòu)傳感器測點優(yōu)化布置研究。改進(jìn)奇異值分解法可以得到最大線性無關(guān)的傳感器測點布置組合，節(jié)點模態(tài)應(yīng)變能則表征了節(jié)點的活躍度。以指數(shù)函數(shù)作為候選測點奇異值信任度計算函數(shù)，將測點信任度與節(jié)點模態(tài)應(yīng)變能進(jìn)行融合，取目標(biāo)值較大的候選測點作為傳感器布置測點，該方法得到的傳感器測點布置方案能夠以較高的信噪比獲得盡可能多的模態(tài)信息。 (3)結(jié)構(gòu)振型擴階分析。介紹了Kidder動態(tài)擴階法、系統(tǒng)等效縮聚擴階方法及改進(jìn)縮聚系統(tǒng)方法三種結(jié)構(gòu)振型擴階方法，并采用一座鋼桁架簡支梁模型與杜坑橋主梁為例做了振型擴階比較分析。研究結(jié)果表明，對于鋼桁架這類簡單結(jié)構(gòu)，三種擴階方法都能得到較高精度的擴階振型，其中系統(tǒng)等效縮聚擴階方法擴階精度最高；對于杜坑橋這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，三種振型擴階方法存在較大誤差，說明振型擴階方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用依然存在局限。 (4)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷機理研究。將鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁離散成鋼管混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土主梁及吊桿體系三種構(gòu)件，針對最容易發(fā)生的拱肋核心混凝土脫空、主梁預(yù)應(yīng)力混凝土主梁裂縫及吊桿腐蝕三種損傷進(jìn)行了發(fā)生機理分析。重點推導(dǎo)了拱肋核心混凝土在軸向受壓、內(nèi)外溫差及核心混凝土收縮徐變?nèi)N因素下的脫空臨界條件，建立了鋼管混凝土構(gòu)件有限元實體模型，對推導(dǎo)的鋼管混凝土在承受軸壓與內(nèi)外溫差因素下的脫空臨界條件進(jìn)行了檢驗。 (5)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷指標(biāo)研究。比較了常用的幾種基于動力、靜力的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，針對鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁提出了需根據(jù)不同構(gòu)件類型采用合適的損傷指標(biāo)。推導(dǎo)了圓弧拱的波動方程，建議以小波包分解應(yīng)力波信號得到的能量譜特征頻帶能量比偏差作為鋼管混凝土拱肋的損傷指標(biāo)；以應(yīng)變模態(tài)差分為預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的損傷指標(biāo)，并定義了有效面積比作為傳感器布置密度的建議值；以吊桿內(nèi)力差作為吊桿體系的損傷指標(biāo)并運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對吊桿進(jìn)行損傷識別研究。 (6)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度研究。建立了鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷程度評估模型，采用模糊數(shù)學(xué)理論方法，將確定的各種因素用定量的方法表示出來，通過計算各因素的隸屬度，對結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行評級，并對一座實際檢測鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁進(jìn)行了損傷程度評級。 (7)損傷結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估分級研究。采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)響應(yīng)面法進(jìn)行結(jié)構(gòu)極限承載力可靠度分析，提出基于可靠度指標(biāo)的有效極限承載能力比作為結(jié)構(gòu)安全狀況分級指標(biāo)，對橋梁安全狀況進(jìn)行分級。以杜坑橋為例進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全狀況評估分級。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：U445.71
【部分圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文橋面出現(xiàn)大量裂縫等病害，經(jīng)鑒定屬危橋，于 2004 年報廢拆除。2) 鋼管拱肋發(fā)生銹蝕，鋼管焊接有缺陷。鋼管拱肋發(fā)生銹蝕是鋼管混凝土拱橋最容易發(fā)生的病害之一。導(dǎo)致病害發(fā)生的原因有如下幾種：①由于外界環(huán)境如日照、風(fēng)雨、腐蝕性物質(zhì)的影響。日照溫度的影響使得拱肋鋼管與防銹涂層變形不一致涂層發(fā)生開裂；雨水導(dǎo)致空氣濕度加大，在拱肋鋼管表面形成一層肉眼無法觀測的水膜，鋼管表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致生銹；大氣中腐蝕性氣體融入水膜中加劇了鋼管的腐蝕速度。②鋼管涂刷防銹層時工藝不到位，未能真正起到防銹效果；另外，已經(jīng)涂刷完畢的鋼管拱肋在制造、運輸及安裝過程中防銹涂層遭到破壞而未加以修補也會導(dǎo)致鋼管的銹蝕。③在外界荷載作用下拱肋發(fā)生縱向變形，而防銹涂層與鋼管變形不一致，防銹涂層發(fā)生開裂脫落無法起到防銹的作用。下圖 1-1 示出了某橋拱肋發(fā)生銹蝕的情況[3]。

圖 1-2 彩虹橋垮塌前 圖 1-3 彩虹橋垮塌后3) 核心混凝土與鋼管拱肋發(fā)生脫粘現(xiàn)象，并伴隨密實度不足的問題，如圖 1-4 所示。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，對已建鋼管混凝土拱橋檢測均發(fā)現(xiàn)有不同程度的脫空現(xiàn)象。表 1-1為對國內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋所做的脫空調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果。表 1-1 國內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋脫空調(diào)查結(jié)果橋名 主跨(m) 主拱圈規(guī)格(mm) 竣工時間 脫空情況資江三橋 114 Φ1300×14 2001 最大 14mm巫山長江大橋 492 Φ1220×22 2005 最大 6.2mm廣東佛陳大橋 113 Φ1000×14 1994 最大 3cm~10cm康富南路跨線橋 120 Φ1000×14 2006 最大 18mm茅草街大橋 368 Φ1000×18 2006 最大 3.86mm奉節(jié)梅溪河大橋 288 Φ920×14 2001 最大 2.5mm浙江三門鍵跳大橋 245 Φ800×16 2001 1mm～2mm合川嘉陵江大橋 200 Φ760×14 2002 1mm～2mm湖南湘西王村大橋 208 Φ750×12 2000 最大 2.4mm

圖 1-2 彩虹橋垮塌前 圖 1-3 彩虹橋垮塌后3) 核心混凝土與鋼管拱肋發(fā)生脫粘現(xiàn)象，并伴隨密實度不足的問題，如圖 1-4 所示。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，對已建鋼管混凝土拱橋檢測均發(fā)現(xiàn)有不同程度的脫空現(xiàn)象。表 1-1為對國內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋所做的脫空調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果。表 1-1 國內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋脫空調(diào)查結(jié)果橋名 主跨(m) 主拱圈規(guī)格(mm) 竣工時間 脫空情況資江三橋 114 Φ1300×14 2001 最大 14mm巫山長江大橋 492 Φ1220×22 2005 最大 6.2mm廣東佛陳大橋 113 Φ1000×14 1994 最大 3cm~10cm康富南路跨線橋 120 Φ1000×14 2006 最大 18mm茅草街大橋 368 Φ1000×18 2006 最大 3.86mm奉節(jié)梅溪河大橋 288 Φ920×14 2001 最大 2.5mm浙江三門鍵跳大橋 245 Φ800×16 2001 1mm～2mm合川嘉陵江大橋 200 Φ760×14 2002 1mm～2mm湖南湘西王村大橋 208 Φ750×12 2000 最大 2.4mm
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2880388