既有钢桥疲劳寿命与使用安全可靠度评估

论文摘要

随着我国近年来经济的持续发展以及钢桥的大量建设,钢桥的疲劳失效问题日益凸显,如何评估运营中钢桥的安全状况是一个亟待解决的问题。本文结合工程实例数据,建立疲劳寿命和疲劳可靠度评估模型并进行实例评估。本文重点从疲劳评估的荷载谱、应力幅统计法、评估理论和实例评估等四个方面系统研究疲劳分析评估中存在的问题和难点。本文的研究成果与结论主要有：1.对比分析铁路钢桥的两种荷载谱模拟方法,发现Monte-Carlo随机荷载模拟结果优于典型列车荷载谱。通过对既有钢桥的荷载谱模拟,发现了影响荷载谱模拟准确性的关键因素,并对交通统计提出了有价值的建议。2.对比研究了四种常见应力幅统计法（极限交叉统计法、绝对峰值法、应力幅统计法、雨流计数法）。基于S-N曲线的评估结果,发现四种统计法的评估结果中存在很强的线性关系,并通过评估结果建立了可以相互转换的数学模型。3.根据断裂力学基本理论,建立钢桥寿命评估模型,对铁路钢板梁桥和公路钢桥分别进行了实例评估。4.参考已有文献研究成果,建立了钢桥概率性可靠度评估模型,研究了Monte-Carlo计算概率问题的优选方法,并以此建立计算程序。通过与已有文献计算结果的对比,验证程序的准确性。通过研究和对比,发现本文提出的组合改进法随机数发生器独立性强、周期长,能够通过各项检验。概率性断裂力学可靠度计算程序能够应用于实桥评估。5.采用贝叶斯和概率性断裂力学理论,建立了基于无损检测信息的更新可靠度数学模型。通过对铆接公路钢桥和铆接铁路钢桥的关键构件进行可靠度更新计算,发现无损检测参数对更新可靠度有显著的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外钢桥疲劳问题的研究进展
• 1.2.1 抗疲劳设计与评估理论的研究
• 1.2.2 抗疲劳设计荷载的研究
• 1.2.3 既有桥梁疲劳评估荷载的研究
• 1.2.4 应力幅统计方法的研究
• 1.3 钢桥疲劳剩余寿命与安全可靠度评估方法
• 1.3.1 基于S-N曲线的Miner线性累积损伤原理的评估方法
• 1.3.2 基于断裂力学的评估方法
• 1.3.3 基于疲劳可靠度的评估方法
• 1.3.4 基于贝叶斯更新原理的疲劳可靠度评估方法
• 1.3.5 对比分析
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 铁路桥梁的典型荷载谱与随机荷载谱模拟
• 2.1 列车交通状况调查
• 2.2 基于等效疲劳损伤原理的典型列车荷载的模拟
• 2.2.1 典型列车等效原理
• 2.2.2 机车荷载模型的建立
• 2.2.3 车辆荷载模型的建立
• 2.2.4 列车典型荷载模型的建立
• 2.3 基于蒙特卡罗随机仿真的列车荷载谱模拟（Monte-Carlo）
• 2.3.1 列车随机变量设置
• 2.3.2 列车建模
• 2.3.3 建模中随机变量的分布
• 2.3.4 随机荷载模型中随机变量的生成
• 2.3.5 随机列车荷载谱程序编写
• 2.4 列车应力谱模拟
• 2.4.1 全桥有限元模型建立
• 2.4.2 测点影响线的计算
• 2.4.3 应力谱模拟
• 2.4.4 列车典型荷载谱得到的10CB测点应力谱
• 2.4.5 蒙特卡罗模拟的随机列车荷载谱得到的10CB测点应力谱
• 2.4.6 模拟与实际应力谱偏差因素总结
• 2.4.7 模拟应力谱模型设计改进和数据统计要求
• 2.5 本章小结
• 第三章 应力幅统计方法研究
• 3.1 研究背景
• 3.2 钢桥疲劳评估及其重要参数
• 3.2.1 等效应力幅（ESR）及循环数（NSC）
• 3.3 统计计数法
• 3.3.1 基线交叉计数法（LC）
• 3.3.2 应力幅计数法（SR）
• 3.3.3 绝对峰值计数法（MCP）
• 3.3.4 雨流计数法（RF）
• 3.3.5 小结
• 3.4 实例评估
• 3.4.1 评估桥梁简介
• 3.4.2 评估指标
• 3.4.3 测点细节分类
• 3.4.4 评估过程
• 3.4.5 评估结果分析
• 3.4.6 评估小结
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于断裂力学的既有钢桥疲劳寿命评估方法
• 4.1 基于断裂力学的既有钢桥评估基本原理
• 4.1.1 宏观裂纹的基本形式
• 4.1.2 裂纹尖端应力场
• 4.1.3 线弹性断裂力学（LEFM）及K准则
• 4.1.4 钢桥中常见裂纹的应力强度因子表达式
• 4.1.5 弹塑性断裂力学（EPFM）及J准则
• 4.1.6 疲劳裂纹扩展速率及其表达式
• 4.1.7 既有桥梁疲劳寿命评估的裂纹扩展计算数学模型
• 4.1.8 桥梁评估中初始裂纹尺寸的确定
• 4.1.9 桥梁评估中临界裂纹尺寸的确定
• 4.1.10 桥梁评估的探测间隔
• 4.2 既有钢桥的疲劳寿命评估
• 4.2.1 交通调查与临界构件的识别
• 4.2.2 初始裂纹和临界裂纹的确定
• 4.2.3 疲劳寿命的计算和探测间隔的确定
• 4.3 既有铁路栓焊钢板梁桥的疲劳寿命评估实例
• 4.3.1 桥梁概况
• 4.3.2 交通调查与临界构件的识别
• 4.3.3 节点板疲劳寿命评估
• 4.3.4 腹板疲劳寿命评估
• 4.3.5 评估小结
• 4.4 既有铆接铁路钢板梁桥腐蚀疲劳寿命评估实例
• 4.4.1 桥梁概况
• 4.4.2 现场应力谱测试
• 4.4.3 腐蚀疲劳寿命评估模型
• 4.4.4 疲劳寿命评估
• 4.4.5 评估小结
• 4.5 既有公路栓接钢桁桥的疲劳寿命评估实例
• 4.5.1 桥梁概况
• 4.5.2 评估构件和简化模型选择
• 4.5.3 疲劳寿命评估
• 4.5.5 评估小结
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于概率断裂力学的疲劳安全可靠度评估方法
• 5.1 构件疲劳可靠度分析模型
• 5.1.1 疲劳累计损伤可靠度评估模型
• 5.1.2 剩余强度可靠度评估模型
• 5.1.3 疲劳寿命可靠度评估模型
• 5.2 基于概率断裂力学的既有钢桥疲劳寿命可靠度分析模型
• 5.3 铆接钢桥构件的概率断裂力学模型
• 5.3.1 断裂寿命模型
• 5.3.2 裂纹扩展模型
• 5.3.3 铆接构件的疲劳失效模式
• 5.3.4 铆接构件的失效概率
• 5.3.5 安全可靠度指标的计算
• 5.3.6 检测维修间隔
• 5.4 基于Monte-Carlo数值模拟的构件失效概率计算方法
• 5.4.1 Monte Carlo模拟方法
• 5.4.2 [0,1]区间均匀伪随机数生成原理
• 5.4.3 其它概率分布随机数生成原理
• 5.4.4 随机数的检验方法
• 5.4.5 随机数生成程序编写及程序测试
• 5.4.6 Monte-Carlo数值方法与解析解对比检验
• 5.4.7 小结
• 5.5 铆接构件概率断裂力学模型程序设计及检验
• 5.5.1 单脚钢失效模式下的铆接构安全可靠度计算程序流程
• 5.5.2 铆接公路钢桥疲劳安全可靠度计算及程序检验
• 5.5.3 结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于无损探测技术和贝叶斯理论的疲劳更新可靠度评估
• 6.1 研究背景
• 6.2 无损探测（NDI）的概率特性
• 6.2.1 NDI裂纹检测概率
• 6.2.1 NDI裂纹检测精度
• 6.2.3 NDI裂纹误检率
• 6.2.4 NDI三个参数的关系
• 6.3 贝叶斯基本原理
• 6.4 基于贝叶斯理论的概率疲劳可靠度更新模型
• 6.4.1 检测到具体裂纹
• 6.4.2 未检测到裂纹
• 6.4.3 检测到未知裂纹
• 6.5 应用蒙特卡罗模拟的疲劳失效概率更新程序设计
• 6.5.1 检测到具体裂纹
• 6.5.2 未检测到裂纹和检测到未知裂纹
• 6.6 基于公路和铁路铆接钢桥的疲劳可靠度更新规律研究
• 6.6.1 检测到具体裂纹
• 6.6.2 未检测到裂纹
• 6.6.3 检测到未知裂纹
• 6.6.4 小结
• 6.7 本章小结
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢