基于冗余度理论的结构安全性评估和优化设计

发布时间：2020-09-04 20:05

　　传统的土木工程设计往往是以构件的强度为目标,验算在承载能力极限状况和正常使用极限状况下部件的截面设计能否达到指定要求。但是随着结构使用年限的增加,所处环境的变化,所用材料的老化,非预期荷载的出现等等,导致结构的稳定性与安全性将下降。由于初期设计阶段没考虑构件的损伤对结构破坏的影响,结构很有可能在某个或某些构件损伤发生时直接发生倒塌性破坏,所以传统的以部件强度为依据的结构设计往往会致使结构具有较低的冗余度。因此,考虑冗余度理论的结构优化设计是非常有必要的,考虑冗余度理论的结构优化设计的优点在于可以定量地把控结构使用其性能的“度”。太多的冗余特性设计虽然可以充分保证结构的安全性能,但是必将造成结构性能的浪费,从经济的角度来看不是明智之举;过少的冗余特性结构设计则不能保证结构在非预期荷载作用下的稳定性与安全性。基于冗余度可以体现工程结构抵抗倒塌的能力特性,论文利用了冗余度理论对有限元模型三跨连续双梁桥、桥墩模型、简易钢桁架桥模型和三层三跨框架模型进行了结构的稳定性与安全性评估,从而得到结构中的关键构件、易损构件、破坏路径和结构倒塌破坏时的冗余度值。以这些评估结果作为优化设计的基础,主要优化手段有改变构件尺寸、材料参数,添加额外的冗余构件等。最后利用有限元模拟和其他理论分析来对优化设计后的结果进行合理性的验证。主要研究内容以及成果如下:(1)总结了国内外对于冗余度理论在土木工程结构中的研究与应用现状;(2)利用对三跨连续双梁桥有限元模型的冗余度评估,对前人的冗余度指标进行验证分析,得出了在桥梁倒塌破坏时主梁应力与容许应力之间的关系,和在极限状态下主梁应力发展趋势和变形趋势。(3)提出了基于能力谱的冗余需求值,通过一个桥墩模型,对其进行pushover分析,得出模型不同墩高处的能力曲线图,再结合地震需求谱找到性能点,对模型的不同墩高处进行冗余需求度评估。得出冗余度与墩高的关系。(4)提出了基于结构性能参数的冗余度指标,并建立结构冗余度损伤曲线。建立了一个简易的钢桁架桥模型,通过选取应力安全系数和位移两个性能参数分别对其进行了冗余度评估,得出了模型中的关键构件、易损构件和破坏路径等。基于模型中关键构件的冗余度损伤曲线,对原模型进行了尺寸参数优化,优化后的构件的容许损伤程度都有所提高,且初始冗余度也有所增加。(5)针对框架结构特性,建立了基于灵敏度的冗余度计算公式。对三层三跨的框架结构进行了基于敏感度的冗余度评估,得出了整个框架模型的冗余度分布,根据梁和柱的冗余度分布图提出了两个优化方案,优化后的冗余度分布更加均匀。通过对原始模型和优化后模型的弹塑性分析,从结构整体上验证了优化方案的合理性。
【学位单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU318
【部分图文】：

事故,桥梁

造成 9 人死亡，这是由于装载炸药的火车爆炸导致的；2011 年 7 月 15 日兴大桥右车道部分桥面突然坍塌，一辆大货车从桥面坠落，下闸道也随之被砸坍塌落很多钢板。2010 年 8 月 19 日，宝成铁路线间的石亭江大桥因水害发生倾斜，两入江中，由于处理方法及时、妥当，本次事故未造成一人伤亡，等等。图 1-1 展示的几个桥梁事故。(a)四川百花大桥地震坍塌 (b)连霍高速公路桥梁坍塌

技术路线图

桥梁,冗余度,桥梁结构

倘若桥梁结构发生了倒塌性破坏，则必定有两个及两个以上的构件或者连接破坏失效[49]。所以，在桥梁工程中，无论是在设计还是安全评估中考虑冗余度的理论是很有必要的[50]，确保桥梁整体的多重传力途径，增加桥梁结构安全与稳定的储备率。NCHRP 报告 406 提供了量化计算桥梁冗余度的方法，对桥梁结构的冗余度分析和评价都是一个指导性的研究先例。该报告中要求桥梁损坏程度 / 0.5ddlR LFLF，其中dLF 值是取消一个主要的承受荷载构件后桥梁的最大承载能力，lLF 是运用弹性分析得到的未损坏桥梁的承载能力。可以简单地理解为至少有 50％的荷载是针对第一个构件的损坏[31]。上述研究都是早期国外对于冗余度初探性的研究成果，且相关规范中都未纳入，现今对于冗余度的研究得到了相关设计人员的重视，但是，其定义，定量计算，评估方法等没有完全统一的规定。2.3.2 模型参数本例中采用的计算模型为三跨连续双梁桥，桥梁的跨度 L 50 .0 57.5 50.0 157.5m。桥梁的宽 B=21.00m。主梁为两根 T 型梁，其间距为 11m，横向的连续梁之间的距离为 4m。具体桥梁的横截面图详见图 2-1。

【参考文献】