桥梁拉（吊）索损伤后力学分析及安全评价

论文摘要

拉（吊）索构件是有索桥梁结构如中、下承式拱桥和悬索桥的重要组成部分，大量事故表明，拉索的损伤通常会引起桥梁结构力学特性发生改变，进而威胁到桥梁的安全。由于有索桥梁结构的复杂性以及对在役损伤拉索研究的相对滞后，至今还没有形成较为系统的针对拉索损伤机理分析、损伤识别、损伤拉索系统力学分析及安全评估的研究方法。本文将理论分析、仿真计算及实桥算例相结合，对损伤拉索系统的静力重分布、动力损伤识别、安全性及耐久性评估等方面的关键问题进行研究。主要研究内容包括以下几个方面：（1）为了解决工程实践中短索索力测试计算难题，本文通过对拉索边界条件的合理模拟，建立了简支和固支复合边界条件下短索索力计算模型，推导了复合边界条件下短索索力计算公式，并采用Matlab程序对其进行了求解。提出了边界条件系数的概念，通过参数分析确定了影响边界条件系数的主要因素。以宜昌长江公路大桥短索测试计算为例，对比分析了简支、固支及复合边界条件下拉索索力及抗弯刚度的计算结果，验证了复合边界条件拉索索力计算方法的有效性。（2）基于限元理论与矩阵摄动理论，将吊索损伤模拟成为吊索系统的一阶摄动，从理论上分析吊索损伤后吊索系统张力向量变化的总体趋势，以某钢管混凝土系杆拱桥为工程实例建立其三维有限元模型，通过仿真计算，分析单根吊索和多根吊索损伤后全桥吊索系统的张力重分布规律及影响因素。（3）通过对拉索损伤前后结构频率变化率的分析，提出将桥梁结构频率与局部拉索索力相结合的拉索损伤快速识别方法，通过分析拉索损伤前后结构振型的变化，提出以模态振型Z坐标变化率加权积为识别指标的拉索损伤快速定位方法，通过仿真计算对两种损伤识别方法的有效性进行验证。（4）分析了丹尼尔效应引起的拉索钢丝强度衰减规律，建立了基于损伤因子的拉索强度安全评估模型，推导出功能函数的矩阵形式，依据各参数的分布特性生成随机样本，采用Monte-Carlo法对不同断丝率时拉索的强度安全性进行概率评估，提出了临界断丝数的概念，并将其应用于拉索强度安全的快速评估中。（5）根据拉索锈蚀机理及损伤演化过程，将钢丝锈蚀损伤生命周期简化为护套老化阶段、镀锌层锈蚀阶段、钢丝体均匀锈蚀与坑蚀阶段、钢丝腐蚀疲劳断裂阶段共4个阶段。在Faraday和Paris对金属腐蚀寿命研究的基础上，建立了钢丝腐蚀及腐蚀疲劳各阶段经历时间的分析模型，通过仿真计算，对钢丝锈蚀全寿命周期、各阶段经历时间所占比重进行了分析，进而对拉索的锈蚀寿命进行了近似评估。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 损伤拉索安全评估理论研究现状
• 1.3.1 索构件在桥梁结构中应用现状
• 1.3.2 索结构的常见损伤及成因分析
• 1.3.3 索构件损伤常用检测方法
• 1.3.4 损伤索构件安全评估研究现状
• 1.4 本文主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 本文研究的技术路线
• 第二章 拉（吊）索索力测试计算方法
• 2.1 拉索索力常用测试方法及特点
• 2.2 振动频率法测试索力的原理
• 2.2.1 拉索振动方程的建立
• 2.2.2 拉索固有振动分析
• 2.3 振动频率法测试刚性短索索力面临的难题
• 2.3.1 刚性短索振动频率的准确测定
• 2.3.2 刚性短索边界条件的模拟
• 2.4 不同边界条件拉索索力求解模型的建立
• 2.4.1 单一边界条件下短索索力求解模型的建立
• 2.4.2 考虑刚度时简支固支复合边界短索索力求解模型
• 2.5 工程实例分析
• 2.5.1 工程概况
• 2.5.2 拉索频率的测试
• 2.5.3 刚性短索索力求解
• 2.5.4 刚性短索边界条件分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于摄动理论的拉（吊）索损伤静力仿真分析
• 3.1 吊索损伤静力分析方法
• 3.2 吊索损伤的摄动理论分析
• 3.3 实例仿真分析
• 3.3.1 工程实例概况
• 3.3.2 有限元模型的建立
• 3.3.3 吊索损伤模拟
• 3.3.4 单根吊索损伤后吊索系统拉力重分布仿真分析
• 3.3.5 多根吊索损伤后吊索系统拉力重分布仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 桥梁拉索损伤动力学分析及损伤识别
• 4.1 拉索损伤对桥梁结构动力学特性的影响
• 4.1.1 桥梁结构动力学主要参数及物理意义
• 4.1.2 拉索损伤引起结构动力学特性的变化
• 4.2 基于结构频率的拉索损伤快速识别
• 4.2.1 基于频率的单元损伤快速识别原理
• 4.2.2 系数矩阵A的确定
• 4.2.3 识别算法的实现
• 4.2.4 基于索力变化率指标的进一步损伤识别
• 4.2.5 拉索损伤度的识别与修正
• 4.2.6 拉索损伤快速识别数值仿真分析
• 4.3 基于结构模态振型的拉索损伤快速定位
• 4.3.1 拉索损伤引起结构模态振型参数的变化
• 4.3.2 基于结构振型参数的拉索损伤快速定位
• 4.3.3 算例分析
• 4.3.4 敏感性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 拉索强度安全性仿真分析与评估
• 5.1 拉索安全失效评估模型的建立
• 5.1.1 钢丝的串联模型及本构关系
• 5.1.2 拉索的并联模型及本构关系
• 5.1.3 拉索强度模型的建立
• 5.1.4 拉索安全失效评估模型的建立
• 5.2 平行钢丝拉索的丹尼尔效应
• 5.2.1 考虑丹尼尔效应的拉索抗拉强度模型
• 0的确定'>5.2.2 随机样本的生成及参数x₀的确定
• 5.2.3 丹尼尔效应引起的钢丝强度衰减分析
• 5.2.4 考虑丹尼尔效应的钢丝强度分布
• 5.2.5 φ5mm高强钢丝拉索丹尼尔效应分析
• 5.3 拉索安全性仿真分析与评估
• 5.3.1 仿真算例钢丝物理力学特性
• n'>5.3.2 考虑丹尼尔效应的拉索钢丝平均抗拉强度W_n
• D'>5.3.3 运营期间恒载作用产生的索力T_D
• L'>5.3.4 活载作用下拉索索力T_L
• 5.3.5 拉索的荷载效应比η的确定
• 5.3.6 拉索安全失效概率分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于钢丝锈蚀及腐蚀疲劳的拉索全寿命分析
• 6.1 HDPE护套拉索索体结构
• 6.1.1 HDPE护套钢绞线拉索结构形式
• 6.1.2 HDPE护套平行钢丝拉索结构形式
• 6.2 HDPE护套行钢丝拉索全寿命周期分析
• 6.2.1 HDPE护套老化失效历经时间
• 6.2.2 钢丝镀锌层锈蚀失效历经时间
• 6.2.3 钢丝均匀锈蚀、坑蚀-腐蚀疲劳裂纹出现历经时间
• 6.2.4 疲劳裂纹扩展—钢丝断裂失效历经时间
• 6.3 基于老化、腐蚀及疲劳的钢丝寿命评估
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究结论及创新点
• 7.1.1 主要创新点
• 7.1.2 主要研究结论
• 7.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢