基于健康监测的钢桥面板疲劳寿命评估
正交异性钢桥面板的疲劳开裂事例在许多国家相继报道，该问题已经成为建设与管养单位面临的一道难题。面对钢桥面板疲劳开裂问题的巨大挑战，许多学者相继展开对钢桥面板疲劳问题的研究并发表了大量文章，取得了一定成果，然而我们的研究仍然有很大的提升空间，如何对正在运营的钢桥面板疲劳寿命进行科学评估，从而及时进行检测和预防性养护，对于提高钢桥面板的耐久性并节省高额维护费用，具有重要理论意义和工程实用价值。 近年来，随着桥梁健康监测技术的快速发展和应用，通过在桥梁上布设传感器，提供了大量运营过程中的有用数据。本文以我国首座千米级钢桁梁悬索桥贵州坝陵河大桥长期健康监测系统为背景，研究合理的利用桥梁健康监测系统实测数据，对正交异性钢桥面板构造细部进行疲劳寿命评估。分别基于名义应力法、热点应力法、车辆荷载谱法和基于新型桥梁疲劳寿命计的方法，对钢桥面板的疲劳寿命进行评估，最后基于疲劳时变可靠度的方法，提出钢桥面板检查策略，达到降低检测成本和提高检测效率的目的。论文主要研究内容和取得的成果包括: 1.概述了正交异性钢桥面板的发展历史，对其常见开裂部位进行了总结分析;对构造细节的演变进行了详细阐述，包括纵肋型式的演变、合理刚度的演变以及连接细节的演变。对钢桥面板疲劳监测前沿技术进行了概述总结，包括动态称重(WIM)系统、光纤光栅应变监测技术以及新型的桥梁疲劳寿命计技术等。 2.对桥梁健康监测系统动应力监测数据的分析处理进行了研究。对钢桥面板名义应力监测测点布设、疲劳强度的选择、应力监测数据的分析以及名义应力疲劳寿命评估等进行了系统的研究。采用名义应力法理论和监测系统实测数据，实现了坝陵河大桥正交异性钢桥面板疲劳寿命的评估。结果表明，以目前的交通荷载，坝陵河大桥桥面板疲劳寿命满足设计要求。 3.对基于热点应力法监测的疲劳寿命评估技术进行了研究。分析研究了钢桥面板各疲劳细节热点应力集中系数，并对钢桥面板热点应力监测测点布设、热点应力疲劳强度的推导、热点应力监测数据的分析以及热点应力疲劳寿命评估等进行了系统的研究和总结。在此基础上建立了基于热点应力监测的疲劳寿命评估步骤，采用监测系统实测数据，实现了坝陵河大桥正交异性钢桥面板疲劳寿命的评估。结果表明，采用热点应力方法，简化了焊接形式，减少了结果的分散性，比用名义应力具有一定的优越性。 4.对基于车辆荷载监测的疲劳寿命评估技术进行研究。基于动态称重系统，统计分析桥梁车辆交通流量和车重，建立车重概率模型，采用泊松过程建立车辆间距概率模型，并采用蒙特卡罗理论模拟随机车队荷载作为疲劳设计荷载。推导了适用于西部山区高速公路桥梁的标准疲劳车、随机疲劳荷载和正交异性桥面板的车轴频值谱、随机车轴频值谱。对坝陵河大桥正交异性钢桥面板常见疲劳细节进行疲劳寿命评估，所得结果与基于应力监测的结果相近，在目前交通量情况下使用寿命高于设计寿命值。 5.对基于新型疲劳寿命计的疲劳寿命评估技术进行了研究。提出基于新型疲劳寿命计的剩余寿命评估方法。通过与实测推导的标准疲劳车结合，推导并建立了疲劳计电阻变化值与累积损伤度的关系式，从而可直接通过疲劳计实测的电阻变化，基于规范推导疲劳寿命。成功安装于贵州坝陵河大桥钢桥面板上的疲劳寿命计和测量数据分析结果表明，疲劳计是一种具有疲劳载荷累积记忆功能的传感元件，其不可逆的电阻变化记录监测点的交变应变历程，适用于大型桥梁等结构的长期疲劳损伤监测。 6.为钢桥面板的检测养护提供依据是进行疲劳监测与寿命评估的重要目的之一，为此论文提出了钢桥面板基于疲劳时变可靠度的检测策略。推导建立了钢桥面板疲劳极限状态方程，建立疲劳时变可靠指标计算公式进而对钢桥面板疲劳时变可靠指标进行计算;建立检测策略与疲劳可靠度之间的关系，为进行科学的检测策略提供参考依据。基于疲劳时变可靠度的检测方式，跟传统的定期检测相比，具有显著的优点。
正交异性钢桥面板;健康监测;热点应力;疲劳寿命计;疲劳可靠度;车辆荷载监测
中南大学
博士
桥梁与隧道工程
任伟新
2012
中文
U446;U443.31
178
2014-02-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）