p-S-N曲线拟合方法与斜拉索概率寿命预测

论文摘要

斜拉桥是一种受力性能合理,被广泛采用的桥梁形式。近年来,我国交通量增长迅速,加之许多大跨斜拉桥往往地处风速较大地区,使得运营期间结构在风荷载、车辆荷载作用下的安全问题突出,这些频繁的交变荷载往往产生较大循环应力,容易引起结构的疲劳破坏。由于桥梁应用材料科学理论发展的不完善以及车辆超载、地震、风等客观因素,已建成的某些斜拉桥等大跨度桥梁出现在了诸如拉索腐蚀、断裂,主梁裂缝等各种危害,影响了结构的正常运营,甚至给桥梁带来安全性方面的隐患。作为斜拉桥的主要构件——斜拉索的寿命预测显得很必要。主要工作叙述如下：首先,以往的斜拉索计算疲劳寿命时,只采用50%存活率的S-N曲线作为寿命估计的基础,在实际工程中我们希望构件具有更高的可靠度,所以本文运用p-S-N曲线来估计不同可靠度下的斜拉索的概率寿命。作为结构概率寿命的基础,总结了国内外先进的p-S-N曲线试验方案与试验数据回归方法,即用小样本,并充分、合理利用数据,从有限的实验数据中尽可能提取更多信息,把p-S-N曲线参数准确估算出来。其次,由于经验数据有限,为了反复验证p-S-N曲线试验方案是否合理,本文采用Monte Carlo方法产生伪随机数,这样就可以进行多次试验与验证。目前各p-S-N曲线理论方法适用于什么具体的材料或子样个数,主要在于材料疲劳寿命的分散性与子样个数,这一点可以从各个p-S-N曲线理论方法寿命估计值的表达式中可以看出。因此本文采用三种不同疲劳寿命分散性的材料进行p-S-N曲线试验方案论证,得出不同的p-S-N曲线理论方法适用于何种疲劳寿命分散性的材料,对p-S-N曲线试验方案的试件子样个数及应力等级的选取也进行了分析研究。再次,由于常规的疲劳试验对试件所施加的应力循环通常是常幅的,但是由于斜拉桥所受风荷载、车辆荷载等的应力循环都是变幅的,因此所测得或模拟的信号最终要转化成为等效等幅应力,这样才能进行斜拉索寿命估算。本文通过对实桥斜拉索的分析,得到其应力时间历程,运用雨流计数法和线性累积损伤理论,并结合p-S-N曲线得到斜拉索等效等幅应力以及斜拉索的计算可靠度。最后,本文在总结了以往斜拉索的疲劳寿命估计方法,结合不同可靠度下的p-S-N曲线对实桥斜拉索进行寿命预测。随着可靠度的提升,斜拉索的寿命随之降低但是满足设计年限100年的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 既有桥梁结构状态简述
• 1.2 斜拉桥发展概况和结构特点
• 1.2.1 斜拉桥的发展概况
• 1.2.2 斜拉桥结构受力特点与安全评估意义
• 1.3 疲劳的发展概况
• 1.3.1 疲劳概述
• 1.3.2 概率疲劳概述
• 1.4 p-S-N曲线与斜拉索概率寿命的理论方法及研究现状
• 1.4.1 材料疲劳性能数据的统计方法概述
• 1.4.2 疲劳累积损伤模型
• 1.5 本文主要研究工作
• 第2章 p-S-N曲线试验方案及数据回归方法
• 2.1 S-N曲线与p-S-N曲线
• 2.1.1 S-N曲线
• 2.1.2 p-S-N曲线
• 2.2 p-S-N曲线理论方法
• 2.2.1 成组试验法
• 2.2.2 最小试件个数法
• 2.2.3 单侧容限系数法
• 2.2.4 新单侧容限系数法
• 2.2.5 最大标准差法
• 2.2.6 最大变异系数法
• 2.2.7 二维单侧容限系数法
• 2.2.8 异方差回归分析法
• 2.3 等效原理法和散点试验法
• 2.4 本章小结
• 第3章 p-S-N曲线试验数据统计处理及比较分析
• 3.1 试验材料及数据的统计处理方法
• 3.1.1 三种不同疲劳寿命分散性的材料
• 3.1.2 三种材料疲劳寿命经验数据统计处理方法
• 3.2 p-S-N曲线试验方案数据处理
• 3.2.1 常规成组法试验数据处理
• 3.2.2 最小试件个数法试验数据处理
• 3.2.3 单侧容限系数法试验数据处理
• 3.2.4 新单侧容限系数法试验数据处理
• 3.3 三种试验方案结果比较与分析
• 3.3.1 成组法、单侧法和新单侧法试验处理结果比较分析
• 3.3.2 单侧法与新单侧法试验处理结果比较分析
• 3.4 p-S-N曲线试验数据处理
• 3.4.1 最大标准差法试验数据处理
• 3.4.2 最大变异系数法试验数据处理
• 3.5 p-S-N曲线试验处理结果比较分析
• 3.5.1 四种p-S-N曲线试验方案处理结果比较分析
• 3.5.2 p-S-N曲线试件个数n的探讨
• 3.6 异方差回归分析法
• 3.7 本章小结
• 第4章 斜拉索概率寿命预测
• 4.1 桥梁结构疲劳计算理论
• 4.2 疲劳效应
• 4.3 荷载谱和应力谱
• 4.3.1 荷载谱
• 4.3.2 斜拉索疲劳抗力统计分析
• 4.4 斜拉索的疲劳可靠度分析
• 4.5 斜拉索的寿命估算
• 4.6 斜拉索疲劳寿命预测的步骤
• 4.7 实桥分析
• 4.7.1 工程概况
• 4.7.2 结构计算模型
• 4.7.3 斜拉索活载应力幅分析
• 4.7.4 斜拉索可靠度计算及寿命估算
• 4.8 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢