拉索锈蚀对极端作用下大跨斜拉桥失效行为的非线性影响分析
发布时间：2020-08-18 12:05
【摘要】：大跨度斜拉桥长期处于恶劣服役环境中,如近海岸、海滨海洋及环境污染严重地区,拉索容易遭受侵蚀破坏,作为斜拉桥的“生命索”,这必然对桥梁服役性能构成潜在的威胁。此外,这些斜拉桥中有相当比例还处于高烈度抗震设防地区,拉索锈蚀导致的主梁几何形变必然对斜拉桥,尤其是漂浮体系斜拉桥的抗震性能有着潜在的影响,因此,结合拉索锈蚀对极端作用下斜拉桥失效行为影响的研究对了解其服役安全性有重要指导意义。以大跨度斜拉桥拉索锈蚀和极端作用失效两个关键问题为主线,分析了服役锈蚀环境下拉索锈蚀对漂浮体系斜拉桥倒塌易损性和稳健性的影响。针对其极端作用损伤及失效机制研究中存在的问题,结合能量法、弹性地基梁理论以及塑性极限分析方法等分析手段,系统讨论了拉索锈蚀对斜拉桥极限承载力、稳定性及潜在失效模式方面的影响,初步实现拉索锈蚀对斜拉桥极端作用下失效行为影响的研究。主要研究工作如下:(1)结合氯离子浓度分布、拉索服役应力水平及截面锈蚀分布规律建立拉索锈蚀时变空间分布模型,并作为大跨斜拉桥服役期间的结构时变退化模型。在此基础上分析了斜拉桥拉索易损性及关键区域的稳健性,从而确定灾害作用下易损拉索和易诱发斜拉桥发生链式连续倒塌的关键区域。分析表明:拉索锈蚀对主梁和索塔的位移有显著影响,所提出的方法可以有效的识别出斜拉桥的易损拉索及各关键区域的稳健性大小。算例分析表明,所有易损拉索主要集中于索塔附近,且随着拉索锈蚀程度的增加改变不明显。算例斜拉桥各关键区域的稳健性大小顺序为:区域3(索塔附近)≤区域2(1/4主跨)≤区域1(跨中)区域5(边跨端部)区域4(1/2边跨)。易损性和稳健性分析表明斜拉桥的区域2和区域3是相对薄弱且易失效的区域,同时也是最可能诱发斜拉桥发生链式连续倒塌的区域。为此在斜拉桥的初步设计中,应给予区域2和区域3特别关注,避免这些区域成为诱发结构失效的薄弱区域。(2)提出考虑拉索锈蚀不确定性影响进行斜拉桥地震易损性分析的思想。利用均匀设计法(UD)考虑拉索锈蚀模型的不确定性因素,如锈蚀速率、氯离子浓度、锈蚀开始时间及拉索换索时间等,研究了不同服役时间、不同不确定性对斜拉桥结构地震易损性的影响。分析表明:拉索锈蚀以及材料强度的不确定性对斜拉桥服役期间各构件的易损性都有明显的影响。各损伤等级下主梁不敏感于地震损伤。材料强度不确定性对各构件的易损性的影响都比较突出,有时甚至高于拉索锈蚀不确定性的影响。在同时考虑拉索锈蚀和材料强度不确定性的情况下,随着服役时间的增加,各构件的地震易损性未必一定会增加。此外,分析过程中提出的简化轴力-弯矩相关曲线更适用于刻画斜拉桥薄壁钢箱梁(bghg)受力状态。在地震易损性分析中,通过算例分析众多已有地震动强度指标与斜拉桥地震响应的相关性发现,速度型的指标更适合预测大跨度斜拉桥的地震响应,如PGV、PGV/PGA、vrms、SED 和 SMV。(3)基于等效弹性地基梁模型和最弱截面法分析拉索锈蚀对大跨度斜拉桥失效行为的影响,从而建立了拉索锈蚀导致的构型改变与与斜拉桥抗震性能之间的潜在联系。静力Push-down分析和动力IDA分析结果表明:拉索锈蚀导致的局部损伤可改变首个塑性铰及首根屈服拉索的位置,拉索锈蚀导致主梁塑性铰和失效拉索的出现次序发生变化,进而改变了结构的失效路径。塑性铰和屈服拉索的发生次序与拉索锈蚀也存在较为明显的关联性。拉索锈蚀降低了斜拉桥的抗震能力。拉索锈蚀导致主梁屈曲安全系数降低,但对于屈曲模态的影响不明显。据此可以合理地预测,随着拉索锈蚀的发展,斜拉桥原来预设的强度破坏模式有可能转变为突然的屈曲失效模式。(4)基于能量法建立考虑主梁支承刚度和轴力离散分布的弹性屈曲分析方法,在此基础上分析了拉索锈蚀对斜拉桥临界屈曲荷载的影响规律。Benchmark模型和实际斜拉桥模型的分析验证表明本文所推导的公式与有限元方法计算结果吻合较好,误差可控制在5%以下。算例分析表明随着拉索锈蚀程度的发展,主梁轴向临界荷载呈现非线性降低,屈曲失效模态有高阶向低阶转变的趋势,但其变化并未像屈曲荷载那样明显。对于常见的密索体系大跨度斜拉桥,锈蚀的不断发展也必将增加一些主梁关键截面的内力水平,进而加大设计预期的强度失效机制逐步向屈曲失效机制转变的可能性。文中推导的可考虑拉索锈蚀的弹性屈曲荷载公式是一种合理简化且保守的方法,可有效用于斜拉桥的初步控制设计。(5)提出采用塑性极限分析法分析拉索锈蚀对斜拉桥塑性失效行为的影响的思想,并结合线性规划法识别出不同拉索锈蚀情况下斜拉桥塑性极限荷载及其对应的失效模式。通过典型单塔漂浮体系斜拉桥失效机制与拉索锈蚀的关联性讨论分析发现,对于单塔漂浮体系斜拉桥来而言,拉索锈蚀在降低斜拉桥塑性极限荷载系数的同时,也明显改变着塑性铰的发生位置。当拉索锈蚀较轻时,仅有索塔附近的拉索锈蚀可以改变塑性铰的位置,但随着拉索锈蚀程度的增加,极限荷载系数持续降低,能够引起塑性铰位置改变的拉索数量不断增加,失效机制也随之发生相应的变化。分析发现斜拉桥的极限荷载系数更敏感于拉索强度的改变。在主梁强度系数一定时,随着拉索强度系数的逐渐增加,主梁的失效模式会由类似于简支梁的整体失效转变为局部失效。当拉索强度系数一定时,随着主梁强度系数的逐渐增加,主梁的失效模式则会由局部失效转变为类似于简支梁的整体失效。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U448.27
【图文】：
逦－逡逑图１．１苏通大桥逦图１．２俄罗斯岛大桥逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｕ－Ｔｏｎｇ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋Ｂｒｉｄｇｅ邋Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｒｕｓｓｋｙ邋Ｉｓｌａｎｄ邋Ｂｒｉｄｇｅ逡逑斜拉桥又称斜张桥，是一种由主梁、索塔、拉索三种基本构件组合起来的结构体系逡逑［２］。其中拉索是斜拉桥的重要组成部分，他能够将桥跨结构的恒载和外荷载绝大部分或逡逑全部传递到索塔上，故拉索是斜拉桥的主要承重结构，是斜拉桥的“生命索”，它的耐久逡逑性将直接影响全桥的安全。自斜拉桥开始应用以来，可以说作为斜拉桥最重要承重构件逡逑的拉索的锈蚀问题就一直是设计施工关注的重点。由于长期承受交变荷载并暴露于恶劣逡逑的大气环境中，特别是在近海岸、海滨海洋和环境污染严重的地区，拉索非常容易遭受逡逑锈蚀介质的侵蚀破坏，这对桥梁服役构成了潜在的威胁。由于拉索锈蚀失效导致严重事逡逑故的案例屡见不鲜，极大地影响了斜拉桥的安全运营，严重时不得不耗费大量的人力、逡逑财力对拉索进行维修或更换。二次世界大战后修建的大跨度斜拉桥中
是一种突发的地质灾害，强烈的地震会导致结构严重破坏，从而引起重＃的人员伤亡和逡逑财产损失。大跨度桥梁作为交通运输和生命线工程，对于抗震救灾及家园恢复重建是极逡逑其重要的。虽然目前斜拉桥震害资料很少，然而一旦在地震中遭受破坏（如图１．３所示），逡逑？R伲义夏窃斐傻乃鹗Ы遣豢晒懒康摹ｅ义希剩В耄海诲澹祝耍湾义稀殄义贤迹保程ㄍ寮勾笄耪鸷η榭觯郏担蒎义希疲椋纾澹保冲澹牛幔颍簦瑁瘢酰幔耄邋澹洌幔恚幔纾邋澹铮驽澹茫瑁椋蹋蹂澹悖幔猓欤澹螅簦幔澹溴澹猓颍椋洌纾邋澹椋铄澹裕幔椋祝幔睿郏螅义献魑贾滦崩趴赡苁У牧嚼嘀匾暮稍刈饔茫杭俗饔茫ㄈ缜康卣鸲┖屠餍忮义鲜矗叩某梢蚧仆耆煌Ｏ啾冉隙裕卣鹜ǔ３质苯隙蹋餍馐丛虼嬖谟阱义锨帕旱恼龇燮谀凇Ｒ恢币岳矗诮峁沟纳杓乒娣吨校馐椿蛘弑缓雎曰蛘呤堑ザ老戾义嫌Φ牡樱漶詈献饔猛槐还刈ⅲ停欢昀吹脑趾κ录砻鳎雎栽趾χ涞腻义像詈献饔每赡芑嵩斐芍卮蟮氖鹿剩虼吮匦胫厥釉趾涞鸟詈献饔谩＠餍馐醋魑崩义希冲澹义
本文编号：2796196
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U448.27
【图文】：
逦－逡逑图１．１苏通大桥逦图１．２俄罗斯岛大桥逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｕ－Ｔｏｎｇ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋Ｂｒｉｄｇｅ邋Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｒｕｓｓｋｙ邋Ｉｓｌａｎｄ邋Ｂｒｉｄｇｅ逡逑斜拉桥又称斜张桥，是一种由主梁、索塔、拉索三种基本构件组合起来的结构体系逡逑［２］。其中拉索是斜拉桥的重要组成部分，他能够将桥跨结构的恒载和外荷载绝大部分或逡逑全部传递到索塔上，故拉索是斜拉桥的主要承重结构，是斜拉桥的“生命索”，它的耐久逡逑性将直接影响全桥的安全。自斜拉桥开始应用以来，可以说作为斜拉桥最重要承重构件逡逑的拉索的锈蚀问题就一直是设计施工关注的重点。由于长期承受交变荷载并暴露于恶劣逡逑的大气环境中，特别是在近海岸、海滨海洋和环境污染严重的地区，拉索非常容易遭受逡逑锈蚀介质的侵蚀破坏，这对桥梁服役构成了潜在的威胁。由于拉索锈蚀失效导致严重事逡逑故的案例屡见不鲜，极大地影响了斜拉桥的安全运营，严重时不得不耗费大量的人力、逡逑财力对拉索进行维修或更换。二次世界大战后修建的大跨度斜拉桥中
是一种突发的地质灾害，强烈的地震会导致结构严重破坏，从而引起重＃的人员伤亡和逡逑财产损失。大跨度桥梁作为交通运输和生命线工程，对于抗震救灾及家园恢复重建是极逡逑其重要的。虽然目前斜拉桥震害资料很少，然而一旦在地震中遭受破坏（如图１．３所示），逡逑？R伲义夏窃斐傻乃鹗Ы遣豢晒懒康摹ｅ义希剩В耄海诲澹祝耍湾义稀殄义贤迹保程ㄍ寮勾笄耪鸷η榭觯郏担蒎义希疲椋纾澹保冲澹牛幔颍簦瑁瘢酰幔耄邋澹洌幔恚幔纾邋澹铮驽澹茫瑁椋蹋蹂澹悖幔猓欤澹螅簦幔澹溴澹猓颍椋洌纾邋澹椋铄澹裕幔椋祝幔睿郏螅义献魑贾滦崩趴赡苁У牧嚼嘀匾暮稍刈饔茫杭俗饔茫ㄈ缜康卣鸲┖屠餍忮义鲜矗叩某梢蚧仆耆煌Ｏ啾冉隙裕卣鹜ǔ３质苯隙蹋餍馐丛虼嬖谟阱义锨帕旱恼龇燮谀凇Ｒ恢币岳矗诮峁沟纳杓乒娣吨校馐椿蛘弑缓雎曰蛘呤堑ザ老戾义嫌Φ牡樱漶詈献饔猛槐还刈ⅲ停欢昀吹脑趾κ录砻鳎雎栽趾χ涞腻义像詈献饔每赡芑嵩斐芍卮蟮氖鹿剩虼吮匦胫厥釉趾涞鸟詈献饔谩＠餍馐醋魑崩义希冲澹义
本文编号：2796196
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