论文题目: 在役钢筋混凝土桥梁承载能力退化数值模拟和维修需求预测
论文类型: 博士论文
论文专业: 桥梁与隧道工程
作者: 赵冬兵
导师: 范立础
关键词: 承载能力退化,数值模拟,随机有限元,维修需求预测
文献来源: 同济大学
发表年度: 2005
论文摘要: 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土桥梁耐久性的重要因素，随着锈蚀过程的持续，结构可靠度降低、失效概率增大。在桥梁的设计基准期(生命周期)内，如何合理地选择维修方案，就有着相当重要的现实意义。本文的研究包括了腐蚀介质在混凝土中的传播、钢筋锈蚀速度、时变可靠度分析、维修需求预测模型等，通过吴淞江桥的工程实际，对设计基准期内的不同维修方案进行了比较，预测了结构在设计基准期内的维修需求。混凝土碳化、氯离子渗透、钢筋锈蚀是结构生命周期内可靠度评估的重要基础，本文在已有研究成果的基础上，对混凝土碳化和氯离子渗透进行有限元分析，用数值分析的方法预测钢筋锈蚀开始时间。通过现有模型的比较分析，提出一般大气条件下钢筋锈蚀速度的建议模型和新的桥梁维修需求预测模型。在通过试验对计算假定进行验证的基础上，分析了结构响应的敏感度，计算了其在设计基准期内的时变可靠度和失效概率。最后，对进一步工作的方向进行了简要的讨论。本文的主要研究工作和创新成果有：(1)在已有研究成果和数学模型的基础上，提出了混凝土碳化有限元数值模拟方法，并通过文献中的试验资料进行了验证。探讨了碳化区内物质含量的分布规律，并利用分析成果对结构长期碳化过程中的影响因素和计算参数的合理取值进行了研究；(2)通过氯离子渗透模型的有限元分析，对开裂混凝土裂缝深度对氯离子渗透速度的影响进行了研究。得出了在裂缝深度较大时，氯离子渗透的研究必须建立2维模型的结论；(3)通过现有钢筋锈蚀模型的比较，提出了一般大气环境下钢筋脱钝后锈蚀速度的建议计算公式；(4)提出考虑关键截面约束条件的有限元计算方法，并通过文献中的试验资料进行验证。以钢筋锈蚀时间为研究变量，对结构的时变可靠度和失效概率进行计算。(5)在已有模型的基础上，通过比较分析，提出综合考虑目标可靠度和维修成本效益分析的维修需求预测模型；(6)以吴淞江桥为工程实例，进行了模型的综合应用和维修方案比较，证明了本文提出方法的适用性和有效性。
论文目录:
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英文摘要
第1章 引言
1.1 混凝土及钢筋混凝土桥历史沿革
1.2 研究背景
1.3 在役钢筋混凝土桥梁承载能力退化
1.3.1 定义
1.3.2 影响因素
1.3.3 国内外研究概况
1.4 在役钢筋混凝土桥梁的可靠度分析
1.4.1 数学模型
1.4.2 可靠度指标
1.4.3 计算方法
1.5 随机有限元分析
1.6 维修需求预测
1.7 小结
第2章 现有钢筋混凝土桥梁评估与管理方法综述
2.1 经验评定法
2.1.1 国外情况
2.1.2 国内情况
2.1.3 存在的问题及研究动向
2.2 计算分析法
2.2.1 上海市标准
2.2.2 美国
2.2.3 存在的问题及研究动向
2.3 静荷载试验法
2.3.1 试验设计
2.3.2 数据分析
2.3.3 承载能力评定
2.4 桥梁健康监测
2.5 欧洲部分国家桥梁评估与管理
2.5.1 桥梁概况
2.5.2 桥梁评估与管理
2.6 小结
第3章 钢筋混凝土桥梁承载能力退化机理
3.1 介绍
3.2 混凝土碳化
3.2.1 碳化机理
3.2.2 现有模型
3.2.3 基于化学反应和扩散的有限元模型
3.2.4 碳化模型的比较分析
3.3 混凝土氯离子渗透
3.3.1 Fick扩散模型
3.3.2 扩散和对流控制的渗透模型
3.3.3 开裂混凝土氯离子渗透的有限元分析
3.4 钢筋锈蚀
3.4.1 一般大气条件下的钢筋锈蚀机理
3.4.2 氯离子侵蚀条件下的钢筋锈蚀机理
3.4.3 钢筋锈蚀速度计算模型
3.4.4 钢筋腐蚀电流密度的经验数据
3.4.5 Yalsyn H模型
3.4.6 一般大气条件下钢筋锈蚀速度的建议模型
3.5 小结
第4章 钢筋混凝土桥梁的可靠度评估及维修需求预测
4.1 介绍
4.2 桥梁结构的可靠度模型
4.3 结构抗力的可靠度模型
4.3.1 国外文献中抗力相关随机变量的分布类型
4.3.2 国内文献中抗力相关随机变量的统计参数
4.4 荷载效应的可靠度模型
4.5 结构可靠度评估方法
4.5.1 一阶可靠度方法
4.5.2 二阶可靠度方法
4.5.3 采用重要取样的FORM/SORM改进法
4.5.4 蒙特卡罗法
4.6 时变可靠度
4.6.1 累计破坏概率
4.6.2 即时破坏概率
4.7 钢筋混凝土构件时变可靠度计算
4.7.1 受弯构件工作状态
4.7.2 算例-单筋矩形梁
4.8 维修需求预测
4.8.1 Branco&Brito维修模型
4.8.2 Frangopol维修模型
4.8.3 BRIME维修模型
4.8.4 THESE N°维修模型
4.8.5 现有维修模型的比较
4.8.6 综合目标可靠度和维修成本效益的维修模型
4.9 小结
第5章 钢筋混凝土桥梁承载能力退化数值模拟
5.1 介绍
5.2 结构非线性
5.3 随机有限元分析
5.3.1 响应面法
5.3.2 蒙特卡罗模拟法
5.4 钢筋混凝土梁式桥的计算假定
5.4.1 平截面假定
5.4.2 钢筋本构关系
5.4.3 混凝土本构关系
5.5 有限元模型的验证
5.5.1 试验概况
5.5.2 试验结果
5.5.3 有限元模型
5.6 引入不确定性的随机有限元分析
5.6.1 随机变量的概率分布
5.6.2 概率计算方法
5.6.3 敏感度分析
5.6.4 结构响应的可靠度
5.6.5 考虑钢筋锈蚀的结构时变可靠度
5.7 小结
第6章 吴淞江桥承载能力退化数值模拟和维修需求预测
6.1 桥梁概况
6.2 结构分析
6.3 混凝土碳化分析
6.3.1 化学成分分析
6.3.2 环境条件
6.3.3 扩散系数De的计算
6.3.4 初始条件
6.3.5 边界条件
6.3.6 碳化过程模拟
6.3.7 结果分析
6.4 考虑钢筋锈蚀的系梁可靠度有限元分析
6.4.1 单元类型
6.4.2 本构关系
6.4.3 按钢筋匀速锈蚀模型计算的时变概率分析
6.4.4 按钢筋锈蚀速度建议公式计算的时变概率分析
6.5 维修方案比选及维修需求预测
6.5.1 维修方案
6.5.2 不同维修方案对结构可靠度的影响
6.5.3 维修需求预测模型
6.5.4 维修方案比较
6.5.5 维修需求预测
6.6 小结
第7章 结论与展望
7.1 研究过程
7.2 结论
7.3 进一步工作的方向
致谢
参考文献
个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果
发布时间: 2007-02-08
参考文献
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