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基于结构全寿命设计需求的环境作用与结构性能退化研究

林迟  
【摘要】:结构全寿命设计的特点是在设计阶段就考虑结构建成后养护、检测、维修等后期投资,综合评估建造成本、用户成本和社会成本,力求使总体资源投资最小化。为最终实现可持续结构工程的目标,在结构设计中有必要引入全寿命设计方法。基于全寿命设计与结构“现状设计”方法的差别,其研究范围主要包括设计荷载的持续作用、结构抗力的衰变行为、性能评价的可靠指标、运营管理的系统模型和结构全寿命的经济效益等五个方面。由于环境作用等基础数据的缺乏,极大阻碍了全寿命设计研究工作的开展,同时结构抗力退化规律和性能评价指标的相关研究也不成熟。因此本论文围绕全寿命设计的关键科学问题,对结构所受的各类环境作用、结构性能退化的数值模拟方法和性能评价指标的适用性进行研究,主要工作和研究结果如下: 1)疲劳风速是影响大跨桥梁和高层建筑的主要疲劳荷载,现有研究主要集中在极值风速的统计分析上,作为风致疲劳研究基础的疲劳平均风速研究较为匮乏。基于结构全寿命设计对环境作用信息的需求,利用辽宁、深圳和环渤海地区的多年连续测风资料,采用威布尔分布编制相关地区的疲劳风速谱,并对疲劳风速的概率分布特征和威布尔分布的适用性进行分析,在此基础上选取合适的分区指标对我国进行区域划分,同时绘制疲劳风速分区图,为科研人员进行结构全寿命设计研究提供风致疲劳作用及其参数。 2)冻结温度是混凝土冻融破坏的重要影响因素,但在冻融作用的统计分析中却往往将其忽略。考虑到冻结温度对冻融破坏强度的影响,利用哈尔滨、北京、呼和浩特、伊宁和郑州等地区1951~2009年的温度数据对该地区冻融作用的概率分布特征进行分析,提出编制冻融作用谱的方法,并在此基础上选取相应的分区指标确立我国的冻融作用区域划分。 3)利用哈尔滨、环渤海、深圳和广州等地区的温度数据,对日最高温度、最低温度和温度日较差等温度作用的概率分布特征进行分析,同时建立我国的温度作用分区;针对我国现有桥规未考虑南北气候差异对桥梁温度作用影响的不足,结合气象资料和有限元建模,对大型桥梁空心构件日照升温和寒流降温梯度温度的参数取值进行分析研究,提出其预测公式。 4)纤维模型不能直接考虑钢筋粘结滑移的影响,基于Opensees程序和纤维模型,利用零长度单元与Bond_sp01材料模型,对钢筋混凝土结构底柱结点的钢筋粘结滑移现象进行模拟;并通过ANSYS进行精细化建模,研究Bond_sp01材料参数受锈蚀引起的钢筋粘结性能退化的影响;在此基础上计入钢筋粘结性能退化影响,对底柱结点在锈蚀作用下的性能退化规律进行分析,提出可考虑粘结性能退化的纤维模型分析方法。 5)“现状设计”方法的性能指标如可靠度指标等,并不能直接反映结构抵抗性能退化的能力,不能满足全寿命设计的要求,为此论文提出以结构/构件寿命作为指标,引入“寿命指标”概念并对其进行定义。通过实验室和实际环境中材料性能退化规律的对应关系,利用所编制的环境作用谱结合实验室获得的材料性能退化规律,对疲劳风作用和冻融作用下结构/构件的服役寿命进行预测,为应用寿命指标提供参考依据。 6)从结构层面出发,根据汶川地震中都江堰市2000余栋多龄期建筑的震害调查结果,综合考虑结构类型、设计规范体系和材料性能退化等因素对结构抗震能力退化的影响,对不同龄期建筑的抗震能力进行对比分析,分析可为获得结构整体的性能退化规律提供参考依据。


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