基于监测数据和多尺度有限元分析的桥梁性能评估
发布时间：2020-12-24 07:56
如何保障重大工程结构的安全性能和长寿命要求是土木工程中的焦点问题。温度作用对桥梁结构的安全性能影响重大。研究表明,长大跨桥梁的温度应力大于车辆荷载和风荷载引起的结构应力。由于长大跨桥梁受太阳辐射和其他环境作用,在截面上形成非线性温度梯度,使结构产生明显的温度效应,导致桥梁局部构件可能会出现严重的应力集中现象,产生较大的变形,最终可能引起局部损伤和结构性能退化。本文主要研究基于温度监测数据和有限元模型的长大跨桥梁结构性能评估。由于桥梁健康监测系统中的传感器数量有限,难以对没有布置传感器的位置进行监测。因此,对桥梁进行安全性能评估需要构建基准有限元模型。本文从桥梁结构的几何拓扑、边界条件、力学参数三个方面提升有限元模型的精度。具体研究包括:采用基于子结构法的多尺度有限元分析方法分析桥梁温度效应,并提升模型的几何拓扑形式;采用基于温度和位移监测数据的桥梁纵向约束刚度识别方法提升模型的边界条件;采用基于马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）抽样和响应面技术的多模型有限元分析方法,提升模型的力学参数。本文的主要研究内容包括以下几个方面:（1）对两座长大跨钢箱梁桥（一座斜拉桥和一座悬索桥）的监测数据进行了...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
国内外代表性桥梁(a)苏通长江大桥(b)杭州湾跨海大桥(c)明石海悬索桥(d)米约大桥
多种自然作用或人为因素，影响着长大跨桥梁的安全性能及长期寿命。以广大服役的混凝土桥梁与钢结构桥梁为例，桥梁结构在实际工程中的健康问题主要表现为以下几类：混凝土开裂、融冻，钢材锈蚀、疲劳，结构下挠、失稳。这些问题影响着桥梁结构的安全性、使用性及耐久性。如今我国经历着基础设施建设黄金期，与此同时桥梁老龄化、病害问题逐步凸显，多数桥梁的使用年限一般在30年以内，病害问题却提早大量暴露，绝大部分桥梁因为没有重视耐久性保护措施，致使当前已有一定数量的桥梁发生老化、损伤现象，承载能力明显降低。如图1-2(a)，我国目前的危桥数已超过10万座，远多于多数发达国家。随着时间的推移桥梁失效越来越普遍，而维修费用也在逐年增加。如图1-2(b)所示，我国在“十五”到“十二五”的15年期间，桥梁维护管理经费已从87亿增加到300亿元。在“十三五”规划中，明确了公路桥梁发展要坚持“创新引领，建养并重”，预计投入危桥检测诊断的资金近400亿元。同时，近年来世界各国普遍出现了桥梁“老龄化”特征，然而发达国家的基础设施维护费用预算严重不足[3-4]。图1-2我国桥梁维护经费和危桥数示意图国内外桥梁结构灾难事故频繁见诸于各类报道中，例如：1907年，位于加拿大的圣劳伦斯河上的QuebecBridge由于杆件发生失稳突然倒塌。1940年，美国塔科玛海峡大桥被微风摧毁。2001年，四川宜宾南门大桥突然坍塌。2004年，辽宁辽河大桥中孔坍塌。2007年8月1日下午6:01，正值交通高峰时段，美国明尼苏达州密西西比河大桥突然坍塌，该桥早在1990年被美国联邦政府评为有“结构缺陷”桥梁，但未引起足够的重视造成重大伤亡事故。2003年，印度西部达曼的一座桥梁突然坍塌。2011年，福建武夷山公馆大桥由于货车严重超载（重约80余吨）引发垮塌事故。
第1章绪论3表1.11999年~2015年期间国内发生的典型桥梁事故情况统计[5]建成年份事故发生日期地点及桥名桥梁结构形式1996年1999-01-04重庆綦江彩虹桥中承式钢管混凝土拱1990年2001-11-07四川宜宾南门长江大桥钢筋混凝土中承式拱桥1977年2004-06-10辽宁盘锦田庄台大桥预应力混凝土梁桥1974年2006-05-16贵州省珍珠大桥箱型拱钢筋混凝土桥1997年2007-05-13江苏常州运河大桥下承式系杆拱桥1907年2007-05-23浙江宁波奉化方桥下承式弓挂钢梁结构大桥1988年2007-06-15广东佛山九江大桥预应力混凝土斜拉桥1995年2009-05-17湖南株洲高架桥预应力混凝土梁桥1999年2011-07-12武夷山公馆大桥中承式钢架拱1997年2011-07-15杭州钱江三桥引桥混凝土梁桥1981年2012-08-08江西省横跨盱江的河东桥混凝土梁桥2005年2015-06-19粤赣高速大桥预应力混凝土连续箱梁桥图1-3桥梁结构事故(a)四川宜宾南门大桥(b)北京怀柔白河桥(c)美国密西西比河大桥(d)粤赣高速大桥温度荷载引起的结构损伤通常容易被研究者忽略，温度对桥梁影响巨大。日照温差引起的温度变化致使结构产生相当大的温差应力，给桥梁结构带来很大危害。国内外学者研究发现，很多桥梁，尤其是箱型梁桥，其破坏是由于太阳辐射、大气温度及其他某些外界因素的日过程在结构内部产生的非线性温差引起的温度应力[6-7]。研究表明，温度应力甚至大于车载、风荷载引起的结构应力。对于预应力混凝土桥梁结构，温度荷载是产生裂缝的主要原因[8-9]。对于钢桥，由于钢材导热性能好，对温度变化比较敏感，温度影响将更为显著。如图1-4所示，桥梁上的温度荷载包括日照作用、骤然降温、混凝土水化热、疲劳作用等。(a)(b)(c)(d)
本文编号：2935284
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
国内外代表性桥梁(a)苏通长江大桥(b)杭州湾跨海大桥(c)明石海悬索桥(d)米约大桥
多种自然作用或人为因素，影响着长大跨桥梁的安全性能及长期寿命。以广大服役的混凝土桥梁与钢结构桥梁为例，桥梁结构在实际工程中的健康问题主要表现为以下几类：混凝土开裂、融冻，钢材锈蚀、疲劳，结构下挠、失稳。这些问题影响着桥梁结构的安全性、使用性及耐久性。如今我国经历着基础设施建设黄金期，与此同时桥梁老龄化、病害问题逐步凸显，多数桥梁的使用年限一般在30年以内，病害问题却提早大量暴露，绝大部分桥梁因为没有重视耐久性保护措施，致使当前已有一定数量的桥梁发生老化、损伤现象，承载能力明显降低。如图1-2(a)，我国目前的危桥数已超过10万座，远多于多数发达国家。随着时间的推移桥梁失效越来越普遍，而维修费用也在逐年增加。如图1-2(b)所示，我国在“十五”到“十二五”的15年期间，桥梁维护管理经费已从87亿增加到300亿元。在“十三五”规划中，明确了公路桥梁发展要坚持“创新引领，建养并重”，预计投入危桥检测诊断的资金近400亿元。同时，近年来世界各国普遍出现了桥梁“老龄化”特征，然而发达国家的基础设施维护费用预算严重不足[3-4]。图1-2我国桥梁维护经费和危桥数示意图国内外桥梁结构灾难事故频繁见诸于各类报道中，例如：1907年，位于加拿大的圣劳伦斯河上的QuebecBridge由于杆件发生失稳突然倒塌。1940年，美国塔科玛海峡大桥被微风摧毁。2001年，四川宜宾南门大桥突然坍塌。2004年，辽宁辽河大桥中孔坍塌。2007年8月1日下午6:01，正值交通高峰时段，美国明尼苏达州密西西比河大桥突然坍塌，该桥早在1990年被美国联邦政府评为有“结构缺陷”桥梁，但未引起足够的重视造成重大伤亡事故。2003年，印度西部达曼的一座桥梁突然坍塌。2011年，福建武夷山公馆大桥由于货车严重超载（重约80余吨）引发垮塌事故。
第1章绪论3表1.11999年~2015年期间国内发生的典型桥梁事故情况统计[5]建成年份事故发生日期地点及桥名桥梁结构形式1996年1999-01-04重庆綦江彩虹桥中承式钢管混凝土拱1990年2001-11-07四川宜宾南门长江大桥钢筋混凝土中承式拱桥1977年2004-06-10辽宁盘锦田庄台大桥预应力混凝土梁桥1974年2006-05-16贵州省珍珠大桥箱型拱钢筋混凝土桥1997年2007-05-13江苏常州运河大桥下承式系杆拱桥1907年2007-05-23浙江宁波奉化方桥下承式弓挂钢梁结构大桥1988年2007-06-15广东佛山九江大桥预应力混凝土斜拉桥1995年2009-05-17湖南株洲高架桥预应力混凝土梁桥1999年2011-07-12武夷山公馆大桥中承式钢架拱1997年2011-07-15杭州钱江三桥引桥混凝土梁桥1981年2012-08-08江西省横跨盱江的河东桥混凝土梁桥2005年2015-06-19粤赣高速大桥预应力混凝土连续箱梁桥图1-3桥梁结构事故(a)四川宜宾南门大桥(b)北京怀柔白河桥(c)美国密西西比河大桥(d)粤赣高速大桥温度荷载引起的结构损伤通常容易被研究者忽略，温度对桥梁影响巨大。日照温差引起的温度变化致使结构产生相当大的温差应力，给桥梁结构带来很大危害。国内外学者研究发现，很多桥梁，尤其是箱型梁桥，其破坏是由于太阳辐射、大气温度及其他某些外界因素的日过程在结构内部产生的非线性温差引起的温度应力[6-7]。研究表明，温度应力甚至大于车载、风荷载引起的结构应力。对于预应力混凝土桥梁结构，温度荷载是产生裂缝的主要原因[8-9]。对于钢桥，由于钢材导热性能好，对温度变化比较敏感，温度影响将更为显著。如图1-4所示，桥梁上的温度荷载包括日照作用、骤然降温、混凝土水化热、疲劳作用等。(a)(b)(c)(d)
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