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基于损伤累积效应的PC桥梁疲劳性能演化分析

韩成林  
【摘要】:桥梁及其构造物作为交通运输领域的重要结构工程,不仅承担着繁重的运输承载任务,更关系到国家和人民的财产和生命。面对日益多样增加的运输任务和复杂多变自然环境,桥梁及其构造物损毁和局部损伤频发。因此,桥梁结构工程的耐久性及安全性更趋重要,科研工作者开始逐步审视桥梁设计、施工、运营及维护中的问题及其解决方法。本文尝试从结构损伤累积效应的角度,在桥梁从施工到运营阶段乃至结构全寿命周期中,通过建立基于预制的损伤累积数值模型,分析研究桥梁施工阶段和运营阶段存在的既有损伤及阶段累积损伤,对桥梁结构的影响效应及其疲劳应力(幅)发展规律。通过对PC桥梁的累积损伤及疲劳特性进行定量和定性分析,以期对实际问题的解决有所参考。本文主要研究内容如下: 第一,通过对施工中和运营中桥梁的调查,分析得出桥梁各阶段存在的问题和研究现状,并指出各类损伤及累积损伤可能造成的危害及其引起原因。在提出问题的基础上,提出目前国内外有关桥梁结构损伤及累积损伤研究状况及存在的问题,重点分析了桥梁结构在施工阶段和运营阶段形成的损伤及后期的累积损伤。进而指出PC桥梁结构中大量使用的混凝土及钢筋的疲劳特性,以及由累积损伤引起的材料自身疲劳演化特性。 第二,通过调查和统计既有桥梁结构工程事故,提出了由桥梁损伤及累积损伤引起各类事故的三种原因,即强度退化损伤、刚度退化损伤和耐久性退化损伤,同时指出了三类损伤及累积损伤在桥梁结构中的典型缺陷和表现。有针对性指出了累积损伤变量的表达形式,及其在损伤分析中的考虑因素。在归因的基础上,提出了本文典型累积损伤分析模型的建立方法和思路,并提出了典型累积损伤工况及荷载组合类型。 第三,建立两类桥梁结构累积损伤数值模型,分析研究在预制损伤及累积损伤工况下结构相应力学指标敏感性。某特大跨径刚构桥按四类损伤工况进行了比较分析,分别对累积损伤造成的应力和线形的影响做了详细比较分析。结果表明对于三向预应力体系箱梁结构,纵向预应力损失或过张拉造成的损伤及累积损伤对结构线形和应力变化较敏感。同时,箱梁弯曲刚度的折减引起结构纵向上下缘正应力变化影响较为可观。某黄河特大桥按实际非正常施工情况进行损伤建模,考虑了最大悬臂状态处于冬季凌汛期的停工时间累积效应,研究了在此类损伤累积对桥梁结构施工和运营阶段的受力和安全影响。结果表明,在当前设计和施工状况下,结构在最大悬臂不利工况效应、混凝土随时间的收缩徐变效应及施工阶段对成桥力学效应影响较小,该桥在施工阶段和成桥阶段具有良好的受力和安全性能。通过对两类典型累积损伤模型分析及其结论,明确了类似工程的施工和运营阶段累积损伤造成的作用效应特性。 第四,在上述桥梁损伤及累积损伤研究的基础上,建立了桥梁结构考虑累积损伤条件下的疲劳特性模型,比较研究各类累积损伤分析模型考虑的因素和分析参数。进而,基于实测交通统计分析数据及累损伤分析理论,提出了适用于内蒙古运煤专线公路桥梁的标准疲劳车辆荷载及布载原则。 第五,依据上述提出的累积损伤分析模型及分析工况,以某特大跨刚构桥为实例进行疲劳特性分析和验算,得出了在运煤专线公路桥梁标准疲劳车辆荷载作用下结构的应力幅及位移幅演化规律曲线。结果表明,对于典型的三跨PC桥梁,中跨跨中截面和边跨跨中截面的各参数变化幅度较为明显,应引起足够重视。 最后对研究工作进行了总结,给出了研究中的得到的若干主要结论。同时,在桥梁疲劳累积损伤领域研究中需要进一步研究和有待解决的问题及对该课题的展望。


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