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新型组合钢桁桥可靠性分析及极限承载力评估

刘剑  
【摘要】: 进入21世纪以来,随着我国钢桁梁建设的飞速发展,多座大跨径新型组合钢桁桥建成通车。这些钢桁桥的共同特点是结构造型新颖、力学性能空间性强、施工工艺复杂。同时地处交通要道,交通流量大,是国民经济的命脉,因此它们施工阶段及服役期间的可靠性及极限承载能力至关重要。目前国内外关于新型组合钢桁桥的可靠性研究较少,同时关于桥梁结构弹塑性极限承载力的评估方法也存在争议。为此,本文以东江大桥-刚性悬索加劲钢桁桥为工程背景,进行了如下研究: 1)对几种常用结构可靠性研究方法的特点及原理进行了介绍,并结合各自的优势,提出了结构可靠性的综合分析法:首先采用响应面法(RSM)拟合结构真实的极限状态曲面,得到近似的极限状态函数表达式,然后采用蒙特卡罗法(MC)对该表达式进行随机抽样,得到近似极限状态函数的概率分布及数字特征,最后采用一次二阶矩法(FORM)或矩法(MM)等计算可靠度指标及失效概率。通过算例及具体工程分析表明,该方法具有较高的精度及效率,适用于大型复杂结构的可靠性分析。 2)考虑结构材料、几何尺寸、荷载等的变异性,建立东江大桥施工全过程静力随机有限元模型,应用可靠性综合分析法研究各种随机参数影响下结构响应的均值、标准差及概率分布。并进行参数敏感性分析,了解各参数对结构响应的影响程度。最后对基于东江大桥的杆件应力及跨中挠度建立极限状态方程,求解结构可靠度指标及失效概率,并对结构可靠性进行了评估。 3)首次考虑施工安装误差的随机性,将其模拟成随机变量,采用可靠性综合分析法研究安装误差对东江大桥结构可靠性的影响,并研究结构响应对各施工安装误差的敏感程度,结果表明施工安装误差对结构可靠性影响较大。鉴于国内外规范关于目标可靠度指标的取值均未考虑桥梁施工安装误差的影响,因此本文提出:根据桥梁结构施工工艺的复杂程度以及对其受力性能的掌握程度,将现行规范的目标可靠度指标进行上调,确保结构的可靠性。 4)针对大型桥梁结构在到达极限状态后线弹性可靠性分析方法已不再适用的情况,对大型复杂桥梁结构进行双重非线性随机有限元分析,并结合可靠性综合分析法了解结构的极限荷载系数及挠度的概率分布与数字特征,研究大桥在进入非线性状态下的结构体系可靠度。 5)鉴于目前桥梁结构的弹塑性极限承载力评估尚无统一标准,提出基于可靠度理论的安全系数评估方法。根据单一系数设计准则,将可靠度指标转换为易被工程设计人员所接受的安全系数,为桥梁结构的弹塑性极限承载力评估提供依据。并依此方法对东江大桥最大悬臂阶段及成桥阶段的弹塑性极限承载力进行了评估。


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