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随机车流—风流荷载作用下山区悬索桥索塔时变可靠度研究

赵云峰  
【摘要】:随着“一带一路”、长江经济带、西部开发等国家战略的推进,我国已建和待建桥梁数量众多,服役期内桥梁的安全问题也日益突出。桥梁的安全性与其承受的荷载以及自身的承载能力密切相关,而两者具有显著的随机性,可进一步通过可靠度研究对其安全水平进行评估。同时,服役期内桥梁承受的荷载以及自身的承载能力与时间相关,其可靠度具有时变特点。因此,掌握服役期内桥梁可靠度时变规律意义显著。由于大跨度悬索桥在区域交通中占据重要地位,且其索塔作为主要承重构件,研究其索塔的可靠度时变规律十分必要。本文依托红河特大桥工程,研究了随机车流与风流共同作用下索塔的荷载响应及其时变规律。同时根据桥址区环境特征,研究了索塔混凝土材料性能劣化及结构自身承载能力的衰减规律。在此基础上,研究了荷载与抗力时变特性下索塔的稳定性;并进一步构建了索塔时变可靠度模型,探究了服役期内索塔可靠度的时变规律。主要研究内容与成果如下:(1)基于实测数据,统计分析了车型、车道、车速、车间距、车重等车流参数以及风速等风流参数的概率密度分布,编制了随机车流与风流模拟程序,生成随机车流与风流样本。(2)揭示了随机车流与风流作用下索塔荷载响应的随机过程特征。索塔荷载响应的均值趋于收敛,且荷载响应在一定时间之外不再相关,同时较好的服从正态分布,表明其符合平稳高斯随机过程,具有各态历经性。基于Rice外推理论,建立了索塔荷载响应极值的概率模型,预测了服役期内索塔荷载响应极值的时变规律。(3)探究了多因素硫酸盐腐蚀作用下混凝土物理力学性质的时变规律。试验周期内混凝土试件质量均呈现随试验时间增加而增大的规律,且增速逐渐变缓;混凝土试件弹性模量和抗压强度变化均经历了增长阶段和下降阶段,且溶液浓度越高,弹性模量和抗压强度下降越快。干湿循环作用以及循环荷载作用均会加速混凝土硫酸盐腐蚀进程。(4)建立了硫酸盐腐蚀与干湿循环作用下考虑溶液浓度的混凝土抗压强度衰减模型。通过室内试验条件与桥址区自然环境条件之间的相似关系近似估计了时间加速比,预测了服役期内桥址区混凝土的抗压强度时变规律:至100年时抗压强度下降至初始强度的0.77倍。采用腐蚀损伤层厚度表征混凝土结构的抗力劣化,预测了索塔腐蚀损伤层厚度时变规律:红河特大桥索塔服役至100年时腐蚀层厚度约为0.16m,超过混凝土对钢筋的保护层厚度,需及时做好防护处理和养护加固。(5)探究了不同工况条件下索塔的两类稳定问题,揭示了时变荷载和抗力劣化对索塔两类稳定安全系数的影响规律。时变荷载和抗力劣化影响下,索塔的两类稳定安全系数随服役时间的增加而逐渐减小,其中抗力劣化的影响更为显著。与单一时变荷载或抗力劣化影响对比,两者共同影响下稳定安全系数减小的幅度更大。(6)建立了考虑荷载以及抗力劣化双重时变效应的索塔时变可靠度模型,揭示了索塔可靠度时变机理。在时变荷载与抗力劣化影响下,索塔的可靠度指标随服役时间的增加而降低,其中服役初期可靠度下降较快。红河特大桥服役50年时左右两侧索塔可靠度指标分别降低为4.29和4.38,而低于85%保证原则下桥梁结构最低目标可靠度指标4.4;服役100年时的可靠度指标分别降低至3.10和3.16。(7)各随机变量对索塔失效概率的影响程度排序为:混凝土弹性模量、塔顶水平向荷载、混凝土密度、塔顶竖向荷载、塔梁连接处横桥向荷载,其它随机变量对索塔失效概率的影响不明显。可以从索塔施工过程中保证材料的强度特征达标、降低索塔的不平衡水平力以及控制合理的交通车流等方面来提高索塔的可靠度。


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