西北干寒地区在役梁桥剩余寿命预测研究

发布时间：2020-11-04 23:51

　　 桥梁作为我国现代化发展的重要基础设施,是交通运输工程中的重要枢纽,建成服役后长期受到环境、荷载等外在因素的影响,再加上桥梁在设计、施工过程中存在的缺陷问题,必然会降低桥梁的力学性能,加剧结构的损伤程度,减少其使用年限,严重时可能造成坍塌等重大事故,影响交通,危及人民生命安全。而西北干寒地区干燥寒冷、辐射强、风沙大等恶劣的气候环境,更加剧了桥梁病害的产生,使得实际使用寿命往往比设计使用寿命短很多,混凝土梁桥尤为明显。因此合理预测梁桥的剩余使用寿命是很有必要的。本文主要研究由于可靠性能退化导致结构损伤的梁桥剩余寿命预测,首先论述梁桥剩余寿命相关理论以及可靠性理论,并对其预测方法进行分析比较,全面分析了灰色关联分析方法对在役梁桥剩余寿命预测的适用性,并对该方法进行详细论述。其次,以西北干寒地区混凝土梁桥为研究对象,选取甘肃境内以及青海境内典型公路梁桥242座进行病害分析统计,运用矩估计法与D’Agostino检验法进行拟合优度检验,最终确定西北干寒地区主要病害的概率分布,表明了西北干寒地区梁桥的病害程度近似呈正态分布。从混凝土结构可靠性能退化入手,分析了钢筋损伤和混凝土劣化导致梁桥出现的常见病害。结合地区特殊病害以及可靠性指标构建在役梁桥剩余寿命预测指标体系,并对预测指标量化方法进行了分析比较。将预测指标分为程度型指标和速度型指标,并参考相关标准及规程,确定西北干寒地区在役梁桥剩余寿命指标预测参照区间。再次,建立基于G2-反熵权法-灰色关联度的在役梁桥剩余寿命预测模型。由实测指标数据构造关联系数矩阵,选择G2法和反熵权法计算梁桥组合权重,综合得到梁桥实际指标集和与最优指标集间的关联度,即梁桥的恶化程度及恶化速度,接着得到结构恶化系数和恶化指数,代入公式得到梁桥的剩余使用寿命。最后,通过实例证明了方法的可行性,不仅可以计算出梁桥的最终使用寿命,而且可以判断出构件的损伤情况,即可得出最不利位置进行加固维修,保证梁桥的正常使用,延长其使用寿命。因此,对西北干寒地区梁桥进行剩余使用年限预测,不仅方便公路管理部门对可利用的既有梁桥进行适时的预防性养护和及时的维修加固,节省桥梁建设资金和使用资源,而且有利于交通的合理规划和资金的统筹安排,保障公路网系统的安全畅通。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U445.7
【部分图文】：

临大批量的中小型桥梁即将要到达设计使用年限、可否继续使用的问题，而西北地区尤为突出。中国西北地区位于亚欧板块的腹地，远离海洋，属于温带季风气候和温带大陆性气候，由于地形多见山脉，对湿润气流的阻挡，使得这里夏季高温缺水，冬季寒冷干燥，加之该地区海拔较高，高原地形作用明显，且该地区绝大部分地域处在干旱和半干旱气候区，植被较少，因此形成了西北地区特殊的气候环境，通常将这类地形区域称为西北干寒地区，包括新疆、宁夏、青海、青藏高原北部和东北部地区、甘肃省大部分区域、内蒙古西部以及陕西省北部地区[10]。西北地区桥梁众多，其中混凝土梁桥占了相当大的比重，该地区恶劣的气候环境（昼夜温差大、寒冷干燥、辐射大、风沙强、冰冻时间长）使得梁桥结构表面风化程度严重，多出现冻胀破坏、裂缝、混凝土破损剥落等病害情况（如图 1.1、图 1.2 所示），再加上这些梁桥在役时间长，且随着汽车荷载等级的提高，其设计等级已经处于较低状态，影响了桥梁的安全使用，使得桥梁可靠性比起普通地区下降更为严重，其实际使用年限较之也短很多。因此，对西北干寒地区既有桥梁的损伤状况及剩余寿命进行评估预测成为一个迫切需要解决的课题。

临大批量的中小型桥梁即将要到达设计使用年限、可否继续使用的问题，而西北地区尤为突出。中国西北地区位于亚欧板块的腹地，远离海洋，属于温带季风气候和温带大陆性气候，由于地形多见山脉，对湿润气流的阻挡，使得这里夏季高温缺水，冬季寒冷干燥，加之该地区海拔较高，高原地形作用明显，且该地区绝大部分地域处在干旱和半干旱气候区，植被较少，因此形成了西北地区特殊的气候环境，通常将这类地形区域称为西北干寒地区，包括新疆、宁夏、青海、青藏高原北部和东北部地区、甘肃省大部分区域、内蒙古西部以及陕西省北部地区[10]。西北地区桥梁众多，其中混凝土梁桥占了相当大的比重，该地区恶劣的气候环境（昼夜温差大、寒冷干燥、辐射大、风沙强、冰冻时间长）使得梁桥结构表面风化程度严重，多出现冻胀破坏、裂缝、混凝土破损剥落等病害情况（如图 1.1、图 1.2 所示），再加上这些梁桥在役时间长，且随着汽车荷载等级的提高，其设计等级已经处于较低状态，影响了桥梁的安全使用，使得桥梁可靠性比起普通地区下降更为严重，其实际使用年限较之也短很多。因此，对西北干寒地区既有桥梁的损伤状况及剩余寿命进行评估预测成为一个迫切需要解决的课题。

、碳酸盐等强腐蚀性介质，这使得西北地区混凝土桥梁的盐碱腐蚀程度较其他地区明显。碱—集料反应是指混凝土中的碱性物质和集料中的活性氧化硅、活性氧化铝等发应，生成膨胀物质导致混凝土体积增大，产生破裂。这种破坏是盐碱腐蚀中最为常一种，难以控制，很快会使结构表面出现明显开裂，耐久性降低，后果十分严重。氯盐腐蚀是环境中游离的氯离子和混凝土中的固体物( )CaOALOHO2323 2 3发生，生成易溶与水的2CaCl ，造成混凝土空洞孔洞，大量的生成物使得混凝土体积膨胀生破坏。产物中的 Cl 也会渗入钢筋保护层内部，造成钢筋脱钝，钢筋锈蚀。氯盐腐蚀主要是通过对钢筋造成间接影响从而破坏混凝土结构，而硫酸盐的侵蚀则是直接作用于混凝土。水泥水化产物与混凝土自身的硫酸盐以及外界环境的硫酸应，造成混凝土体积膨胀，如矾石或碳硫硅钙，使混凝土结构发生破坏。硫酸盐侵伴着化学反应，也有物理反应。再加上复杂的外界环境及混凝土骨料的多样性，使酸盐的来源充满了随机性。混凝土盐碱腐蚀如图 3.4、3.5 所示。
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本文编号：2870790