钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁损伤识别研究

发布时间：2020-11-12 06:33

　　钢管混凝土拱桥因其高承载力、优良的塑性和韧性、较强的耐火性能和耐冲击性能、良好的施工性及卓越的经济性，在中国甫一出现便得到了广泛的应用，但是其设计理论、计算方法、规范编制等技术发展远落后于实际工程建设。早期建设的钢管混凝土桥梁由于规范缺失导致部分设计或者施工不足产生了一定的缺陷，随着桥梁运营日久，加之环境的影响，这些缺陷导致的桥梁病害也日益显现出来，严重影响桥梁的运营安全。为准确判断桥梁结构的损伤，进而对桥梁的安全状况进行评估，以提出切实可行的应对措施，保证此类桥梁的安全运营，本文以钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁杜坑特大桥为背景，针对此类桥梁损伤识别工作进行了如下几个方面的研究和探讨：1)结构有限元模型修正研究；2)结构传感器优化布置与结构振型扩阶分析；3)钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁损伤机理、损伤指标及损伤识别方法研究；4)结构损伤程度评估和损伤结构安全状况评级研究。本文主要研究内容如下： (1)结构有限元模型修正研究。将Kriging模型引入结构有限元模型修正领域，采用遗传算法优化Kriging模型参数，以设计参数变量与结构有限元分析频率作为训练样本训练Kriging模型，以实测结构频率作为输入样本，得到优化后设计参数变量。与神经网络方法和遗传算法有限元模型修正方法相比较，基于Kringing模型的有限元模型修正方法采用较少量训练样本即可得到较高精度的修正模型，且具有更高的计算效率。 (2)结构传感器测点优化布置研究。改进奇异值分解法可以得到最大线性无关的传感器测点布置组合，节点模态应变能则表征了节点的活跃度。以指数函数作为候选测点奇异值信任度计算函数，将测点信任度与节点模态应变能进行融合，取目标值较大的候选测点作为传感器布置测点，该方法得到的传感器测点布置方案能够以较高的信噪比获得尽可能多的模态信息。 (3)结构振型扩阶分析。介绍了Kidder动态扩阶法、系统等效缩聚扩阶方法及改进缩聚系统方法三种结构振型扩阶方法，并采用一座钢桁架简支梁模型与杜坑桥主梁为例做了振型扩阶比较分析。研究结果表明，对于钢桁架这类简单结构，三种扩阶方法都能得到较高精度的扩阶振型，其中系统等效缩聚扩阶方法扩阶精度最高；对于杜坑桥这类复杂结构，三种振型扩阶方法存在较大误差，说明振型扩阶方法在复杂结构中的应用依然存在局限。 (4)钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁损伤机理研究。将钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁离散成钢管混凝土拱肋、预应力混凝土主梁及吊杆体系三种构件，针对最容易发生的拱肋核心混凝土脱空、主梁预应力混凝土主梁裂缝及吊杆腐蚀三种损伤进行了发生机理分析。重点推导了拱肋核心混凝土在轴向受压、内外温差及核心混凝土收缩徐变三种因素下的脱空临界条件，建立了钢管混凝土构件有限元实体模型，对推导的钢管混凝土在承受轴压与内外温差因素下的脱空临界条件进行了检验。 (5)钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁损伤指标研究。比较了常用的几种基于动力、静力的结构损伤指标，针对钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁提出了需根据不同构件类型采用合适的损伤指标。推导了圆弧拱的波动方程，建议以小波包分解应力波信号得到的能量谱特征频带能量比偏差作为钢管混凝土拱肋的损伤指标；以应变模态差分为预应力混凝土主梁的损伤指标，并定义了有效面积比作为传感器布置密度的建议值；以吊杆内力差作为吊杆体系的损伤指标并运用神经网络方法对吊杆进行损伤识别研究。 (6)钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁结构损伤程度研究。建立了钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁损伤程度评估模型，采用模糊数学理论方法，将确定的各种因素用定量的方法表示出来，通过计算各因素的隶属度，对结构损伤程度进行评级，并对一座实际检测钢管混凝土拱—连续梁组合体系桥梁进行了损伤程度评级。 (7)损伤结构安全状态评估分级研究。采用基于人工神经网络改进响应面法进行结构极限承载力可靠度分析，提出基于可靠度指标的有效极限承载能力比作为结构安全状况分级指标，对桥梁安全状况进行分级。以杜坑桥为例进行了结构安全状况评估分级。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：U445.71
【部分图文】：

拱肋,防锈涂层,钢管

华南理工大学博士学位论文桥面出现大量裂缝等病害，经鉴定属危桥，于 2004 年报废拆除。2) 钢管拱肋发生锈蚀，钢管焊接有缺陷。钢管拱肋发生锈蚀是钢管混凝土拱桥最容易发生的病害之一。导致病害发生的原因有如下几种：①由于外界环境如日照、风雨、腐蚀性物质的影响。日照温度的影响使得拱肋钢管与防锈涂层变形不一致涂层发生开裂；雨水导致空气湿度加大，在拱肋钢管表面形成一层肉眼无法观测的水膜，钢管表面发生电化学腐蚀导致生锈；大气中腐蚀性气体融入水膜中加剧了钢管的腐蚀速度。②钢管涂刷防锈层时工艺不到位，未能真正起到防锈效果；另外，已经涂刷完毕的钢管拱肋在制造、运输及安装过程中防锈涂层遭到破坏而未加以修补也会导致钢管的锈蚀。③在外界荷载作用下拱肋发生纵向变形，而防锈涂层与钢管变形不一致，防锈涂层发生开裂脱落无法起到防锈的作用。下图 1-1 示出了某桥拱肋发生锈蚀的情况[3]。

垮塌,钢管混凝土拱桥

图 1-2 彩虹桥垮塌前图 1-3 彩虹桥垮塌后3) 核心混凝土与钢管拱肋发生脱粘现象，并伴随密实度不足的问题，如图 1-4 所示。据有关文献资料显示，对已建钢管混凝土拱桥检测均发现有不同程度的脱空现象。表 1-1为对国内部分钢管混凝土拱桥所做的脱空调查统计结果。表 1-1 国内部分钢管混凝土拱桥脱空调查结果桥名主跨(m) 主拱圈规格(mm) 竣工时间脱空情况资江三桥 114 Φ1300×14 2001 最大 14mm巫山长江大桥 492 Φ1220×22 2005 最大 6.2mm广东佛陈大桥 113 Φ1000×14 1994 最大 3cm~10cm康富南路跨线桥 120 Φ1000×14 2006 最大 18mm茅草街大桥 368 Φ1000×18 2006 最大 3.86mm奉节梅溪河大桥 288 Φ920×14 2001 最大 2.5mm浙江三门键跳大桥 245 Φ800×16 2001 1mm～2mm合川嘉陵江大桥 200 Φ760×14 2002 1mm～2mm湖南湘西王村大桥 208 Φ750×12 2000 最大 2.4mm

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