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拉索损伤对斜拉桥结构性能影响的研究

赵翔  
【摘要】: 大跨度斜拉桥结构健康监测的最终目的就是通过对斜拉桥在各种环境、荷载作用下的结构性态进行实时监测和研究,评估其安全性、适用性和耐久性,为大桥的运营管理、养护维修提供依据和指导。但是由于对斜拉桥主要结构构件的受力特性、损伤原因和机理,尤其是斜拉索损伤机理及其损伤对全桥结构静动力性能的影响、斜拉索的疲劳应力和疲劳可靠性评价等等诸多问题仍没有得到彻底解决,这都直接影响或阻碍了斜拉桥结构健康监测技术的进一步发展。本文以润扬长江公路大桥斜拉桥为工程背景,围绕着大跨斜拉桥结构健康监测系统中尚未解决的关键技术和存在的主要问题进行了研究。主要内容有: (1)分析了斜拉桥的索塔、主梁和拉索等主要结构构件的作用和受力特点,对引起斜拉索损伤的主要原因进行了总结,并介绍了造成斜拉索疲劳损伤的主要振动型式,对危害严重的风雨激振产生的条件和机理进行了探讨;在此基础上,对造成拉索损伤的非线性振动特性进行研究,建立了小垂度拉索在平面内发生横向振动的非线性振动方程,通过数值方法求解析解,得到拉索的非线性振动特性。 (2)运用环境激励法对润扬大桥斜拉桥索塔、主梁和索力进行了现场动力检测,为大桥的健康监测、诊断和各种灾害影响下的损伤预测和损伤评估提供了原始的指纹数据。 (3)根据斜拉桥主要结构构件的动力实测结果,以基于动态特性的灵敏度分析理论对斜拉桥有限元模型进行修正,建立了全桥结构精细有限元模型,其模态分析结果与现场动力实测结果符合度好。 (4)分析了斜拉索损伤对斜拉桥结构静力和动力性能影响的特征。选取弹性模量为损伤变量,模拟斜拉索的损伤,分析了不同拉索损伤下及同一拉索不同损伤程度下的主梁线形、拉索索力的静力变化特征和全桥结构的动力变化特征。根据拉索损伤对全桥结构的静力和动力性能影响的特征,提出了在斜拉桥结构健康监测系统中实现拉索损伤监测的具体方案。 (5)制作了1:60缩尺比的润扬大桥斜拉桥试验模型,模型主跨6.78m,边跨2.73m,全长12.64m。在斜拉桥模型上实测了拉索在各种损伤工况下的索力、主梁线形、动力特性及其变化规律,通过与理论研究结果的对比分析,得到拉索损伤对斜拉桥结构静力和动力性能的影响规律,提出了拉索损伤的静力和动力监测策略。 (6)基于灰色系统理论建立了广义应力和广义强度的灰色可靠度模型,推导出灰色可靠指标,并运用模糊数学的模糊评判理论,得到正态概率分布下水平截集的最优水平值,实现对广义应力和广义强度的白化处理;利用推导出的灰色可靠指标,完成了对润扬大桥斜拉桥拉索在主要荷载组合下的疲劳可靠性评价、拉索损伤后的疲劳可靠性评价;并利用设计目标可靠指标,求得拉索损伤的临界应力值。


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