大跨径PSC箱梁桥时变性能监测及状态评估
发布时间：2020-10-08 23:35
环境侵蚀、材料老化及车辆超载等不利因素使得桥梁结构的承载能力及可靠性不断下降。特别是在混凝土收缩徐变、应力松弛及钢筋锈蚀等时变因素的作用下,大跨径预应力混凝土(Prestressed concrete,PSC)箱梁桥普遍存在跨中下挠过大及梁体开裂病害,严重影响了结构的正常使用性能和耐久性,甚至诱发重大安全事故。因此,为保证大跨径PSC箱梁桥的安全和正常运营,对其进行长期健康监测并准确评估、预测结构的工作状态及未来变化趋势将显得十分重要。本文从大跨径PSC箱梁桥的病害特征及维护需求出发,以苏州京杭运河大桥(主跨为150m的连续箱梁桥)为工程背景,从桥梁结构的时变性能监测及可靠性评估两方面着手研究。完成的主要工作如下:(1)针对既有PSC桥梁的健康监测策略、方法及应用进行了总结和探讨,为把握全寿命周期内结构性能和提高监测资源利用效率,在京杭运河大桥上建立了集施工监控、成桥试验及运营监测三者为一体的全寿命健康监测系统,并将实测静力值与计算结果进行了比较,吻合良好;然后,结合荷载试验结果验证了多输出支持向量机在桥梁结构有限元模型修正中的有效性。(2)针对大跨径PSC箱梁桥运营过程中普遍存在的跨中下挠过大的等问题,提出了一种基于监测数据和随机有限元分析的长期变形控制策略。首先,采用组合退化壳单元模拟主梁的力学行为,并计入剪力滞、应力松弛对长期变形的影响;然后,考虑收缩徐变预测模型的不确定性及影响参数的随机性,基于拉丁超立方法对长期变形的不确定性和敏感性进行了分析,得到了跨中挠度具有95%保证率的置信区间,以此进行后期备用钢束的量化设计;敏感性分析结果表明,跨中长期变形对徐变模型不确定系数的变异最为敏感。(3)在实验室环境下,采用索力计、磁通量传感器及振弦应变计对8根后张梁的预应力长期损失进行了为期1年的监测,分析了配筋率、孔道灌浆、应力水平及张拉次序等因素对长期损失的影响规律。同时,提出了考虑收缩徐变、应力松弛相互作用及非预应力筋影响的长期损失建议模型,其计算结果与试验值的最大误差在10%以内,相比规范常用计算方法,本文提出的方法整体预测精度较高。最后基于此建议模型,对预应力长期损失进行了不确定性分析。(4)提出了一种考虑随机场影响的PSC箱梁桥时变可靠度分析方法,首先,采用随机场模型描述结构弹性模量、分布荷载等参数空间分布的变异性,基于局部平局法进行离散;然后,综合考虑收缩徐变、剪力滞及力筋松弛对箱梁桥时变性能的影响,采用重要抽样法估算了的京杭运河大桥的时变失效概率,并探讨了随机场参数对结构可靠度的影响。分析结果表明收缩徐变对箱梁桥的可靠性影响显著,挠度可靠指标在桥梁预期使用寿命之前便衰减到目标水平之下;随机场相关长度对桥梁的时变可靠指标具有较大影响,而其离散单元数、相关模型则相对较小。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U446
【部分图文】：
混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀等时变因素对桥梁结构的影响具有持续时间长、量变发展因此应当实时了解桥梁的健康状况，并尽量在早期发现可能危及结构安全的损伤或病进行准确评估并及时采取维修措施，确保桥梁的正常和安全运营。桥梁结构健康监测有效方法之一；对于大跨径箱梁桥，通过监测其时变效应，可以分析收缩徐变、长期期性能的影响，有助于深化对该桥型长期性能的认识并推动设计方法的改进。（a）倒塌前 （b）倒塌后图 1-1 Koror-Babeldaob 桥梁[13]下挠: 1.39m
混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀等时变因素对桥梁结构的影响具有持续时间长、量变发展因此应当实时了解桥梁的健康状况，并尽量在早期发现可能危及结构安全的损伤或病进行准确评估并及时采取维修措施，确保桥梁的正常和安全运营。桥梁结构健康监测有效方法之一；对于大跨径箱梁桥，通过监测其时变效应，可以分析收缩徐变、长期期性能的影响，有助于深化对该桥型长期性能的认识并推动设计方法的改进。（a）倒塌前 （b）倒塌后图 1-1 Koror-Babeldaob 桥梁[13]下挠: 1.39m
图 1-6 Kishwaukee River 桥位移传感器布置及裂缝监测[46](1) 基于灵敏度分析的模型修正针对有限元模型修正问题，国内外学者提出了多种修正方法，进行了大量的研究工作，取得了诸多果。按照修正对象的不同，有限元模型修正可分为矩阵型修正和设计参数型修正两大类[58-59]，矩阵修正的不足之处在于修正后质量和刚度矩阵失去了对称性和稀疏性，物理意义也不明确，同时采用进行模型修正，需要测试到结构完整的模态，但实际结构往往通过试验仅能得到较低阶的模态，这制约了此方法的推广使用[60-61]。目前应用广泛且深入研究的是参数型有限元模型修正方法，如基于灵敏度的、响应面模型等的修正基于优化迭代算法对结构的材料参数、几何尺寸、边界条件等进行调整，使修正后的有限元模型能的描述结构实际的力学状态。Brownjohn 等[62]基于灵敏度分析方法并结合环境激励实测的结构频率，对 Safti 曲线斜拉桥的混凝土弹性模量、密度及构件横截面积和板厚进行了修正，修正后的有限元力响应预测值与实测值吻合良好。Hua 等[63]以一简支桁架桥为研究对象，基于改进的一阶摄动法和模型修正相结合的方法，采用具有随机性的实测模态参数，对结构参数的统计特征进行了识别，修
本文编号：2832912
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U446
【部分图文】：
混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀等时变因素对桥梁结构的影响具有持续时间长、量变发展因此应当实时了解桥梁的健康状况，并尽量在早期发现可能危及结构安全的损伤或病进行准确评估并及时采取维修措施，确保桥梁的正常和安全运营。桥梁结构健康监测有效方法之一；对于大跨径箱梁桥，通过监测其时变效应，可以分析收缩徐变、长期期性能的影响，有助于深化对该桥型长期性能的认识并推动设计方法的改进。（a）倒塌前 （b）倒塌后图 1-1 Koror-Babeldaob 桥梁[13]下挠: 1.39m
混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀等时变因素对桥梁结构的影响具有持续时间长、量变发展因此应当实时了解桥梁的健康状况，并尽量在早期发现可能危及结构安全的损伤或病进行准确评估并及时采取维修措施，确保桥梁的正常和安全运营。桥梁结构健康监测有效方法之一；对于大跨径箱梁桥，通过监测其时变效应，可以分析收缩徐变、长期期性能的影响，有助于深化对该桥型长期性能的认识并推动设计方法的改进。（a）倒塌前 （b）倒塌后图 1-1 Koror-Babeldaob 桥梁[13]下挠: 1.39m
图 1-6 Kishwaukee River 桥位移传感器布置及裂缝监测[46](1) 基于灵敏度分析的模型修正针对有限元模型修正问题，国内外学者提出了多种修正方法，进行了大量的研究工作，取得了诸多果。按照修正对象的不同，有限元模型修正可分为矩阵型修正和设计参数型修正两大类[58-59]，矩阵修正的不足之处在于修正后质量和刚度矩阵失去了对称性和稀疏性，物理意义也不明确，同时采用进行模型修正，需要测试到结构完整的模态，但实际结构往往通过试验仅能得到较低阶的模态，这制约了此方法的推广使用[60-61]。目前应用广泛且深入研究的是参数型有限元模型修正方法，如基于灵敏度的、响应面模型等的修正基于优化迭代算法对结构的材料参数、几何尺寸、边界条件等进行调整，使修正后的有限元模型能的描述结构实际的力学状态。Brownjohn 等[62]基于灵敏度分析方法并结合环境激励实测的结构频率，对 Safti 曲线斜拉桥的混凝土弹性模量、密度及构件横截面积和板厚进行了修正，修正后的有限元力响应预测值与实测值吻合良好。Hua 等[63]以一简支桁架桥为研究对象，基于改进的一阶摄动法和模型修正相结合的方法，采用具有随机性的实测模态参数，对结构参数的统计特征进行了识别，修
本文编号：2832912
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