橋梁結(jié)構(gòu)疲勞時變損傷的模型更新及其可靠度評估.pdf

1、對于在役大跨鋼橋進(jìn)行疲勞時變損傷評估，在借助于其上安裝的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所記錄的應(yīng)變時程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命預(yù)測的同時還必須借助于橋梁每年的人工無損探測所得到的橋梁實際運(yùn)營狀態(tài)下產(chǎn)生的各類缺陷來進(jìn)行定性的橋梁分級評估。這些人工檢測信息能夠反映結(jié)構(gòu)的疲勞時變損傷狀態(tài)，其形成的年檢報告可以詳細(xì)地給定橋梁上已存在的焊接裂紋及表面缺陷的大小及位置等信息，根據(jù)相關(guān)規(guī)范或合同的規(guī)定，可依據(jù)各類缺陷的嚴(yán)重等級來決定是否需要進(jìn)行短期內(nèi)的維修。若借助健康監(jiān)測

2、系統(tǒng)記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)，所能預(yù)測的僅僅是安裝了部分傳感器處的名義應(yīng)力下的疲勞壽命；而僅僅靠檢測報告來定性的進(jìn)行橋梁的狀態(tài)分級，包含的主觀性和隨機(jī)性均很大。為了能夠更好的評估橋梁的疲勞使用狀態(tài)，本文嘗試將可由人工檢測得到的反映結(jié)構(gòu)疲勞時變損傷狀態(tài)的缺陷信息，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型量化，應(yīng)用于有限元模型的更新，并進(jìn)行后續(xù)的可靠度評估。對于橋梁這樣的大型結(jié)構(gòu)，若使用傳統(tǒng)的精細(xì)有限元的建模方法來準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)局部缺陷處的應(yīng)力狀態(tài)，計算量將十分巨大，考慮到

3、橋梁的缺陷主要集中在局部細(xì)節(jié)處，無需對整個結(jié)構(gòu)均建立精細(xì)的有限元模型。因此，本文嘗試建立一個面向大跨鋼橋疲勞狀態(tài)評估與可靠度分析的多尺度有限元模型，發(fā)展多尺度的建模策略，來反映結(jié)構(gòu)的整體特性、局部特性和細(xì)部的缺陷特性，并將此建模策略應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)不易布設(shè)或人工檢測不易檢測到的疲勞易損段，然后，將疲勞易損段的可由人工檢測信息獲得的考慮疲勞時變損傷狀態(tài)的主要因素進(jìn)行量化并引入模型來更新有限元模型，基于S-N曲線和線彈性斷裂力學(xué)方法得

4、到初步的疲勞壽命評估結(jié)果后，比較評估結(jié)果，采用線彈性斷裂力學(xué)進(jìn)行后續(xù)含缺陷及裂紋狀態(tài)下的橋梁疲勞易損部位的可靠度評定。完成的研究工作及取得的主要成果有：
　　1.根據(jù)研究目標(biāo)的需要，以大型通用軟件ANSYS為平臺，對比了可用于整體結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)連接的子結(jié)構(gòu)技術(shù)與子模型技術(shù)的優(yōu)缺點，最終選定子模型技術(shù)作為本文多尺度一致分析的整體與局部的連接方法。以潤揚(yáng)長江大橋北漢斜拉橋為例，詳細(xì)介紹了大跨鋼橋結(jié)構(gòu)基于子模型技術(shù)的多尺度建模策略。其結(jié)

5、果表明：子模型技術(shù)較子結(jié)構(gòu)技術(shù)而言，更適用于面向大跨鋼橋疲勞狀態(tài)評估與可靠度分析的多尺度模型的連接；
　　2.基于一定的數(shù)學(xué)模型將可由人工檢測信息獲得的考慮結(jié)構(gòu)疲勞時變損傷狀態(tài)的包含疲勞裂紋、表面缺陷等在內(nèi)的主要因素量化并引入結(jié)構(gòu)的多尺度模型，發(fā)展了一個考慮疲勞時變損傷狀態(tài)的結(jié)構(gòu)模型更新的方法，此方法可通過反映結(jié)構(gòu)損傷時變狀態(tài)的人工檢測信息的不斷更新獲得結(jié)構(gòu)在最新?lián)p傷狀態(tài)下的計算模型，具有一定的可持續(xù)性，進(jìn)而進(jìn)行的疲勞壽命預(yù)測與可

6、靠度評估可更準(zhǔn)確的反映橋梁實際服役狀態(tài)；
　　3.基于發(fā)展的多尺度建模策略，建立了面向大跨鋼橋跨中關(guān)鍵段疲勞易損部位的多尺度模型，并分別基于S-N曲線法和線彈性斷裂力學(xué)方法進(jìn)行橋梁易損部位疲勞狀態(tài)的評定。其結(jié)果表明：發(fā)展的多尺度建模策略可成功實現(xiàn)受力復(fù)雜的局部應(yīng)力狀態(tài)的分析和疲勞狀態(tài)的評估，為橋梁結(jié)構(gòu)考慮結(jié)構(gòu)疲勞損傷特征提供了一種更為精確的分析方法，一定程度上彌補(bǔ)了大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)無法反映復(fù)雜構(gòu)型局部焊縫區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律的不足

7、；
　　4.S-N曲線法的評估結(jié)果表明：大型重車經(jīng)過橋面時對橋梁局部構(gòu)件的等效應(yīng)力及損傷增量的影響均比較??；線彈性斷裂力學(xué)的評估結(jié)果表明：裂紋的出現(xiàn)并擴(kuò)展會大大地縮短結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；裂縫寬度的增加不會使構(gòu)件發(fā)生斷裂失效，而不同的初始裂紋長度對構(gòu)件的疲勞壽命的影響比較明顯。由兩種評估方法的評估結(jié)果對比可知：基于線彈性斷裂力學(xué)考察的多尺度模型可更實際地模擬裂紋擴(kuò)展對構(gòu)件疲勞狀態(tài)與壽命的影響，反映結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理；
　　5.通過折減

8、材料的彈性模量可成功地引入結(jié)構(gòu)的表面缺陷。當(dāng)構(gòu)件上相鄰位置同時存在裂紋缺陷與表面缺陷時，若表面缺陷的位置處于裂紋所處區(qū)域范圍內(nèi)時，能有效降低裂紋區(qū)域的應(yīng)力水平；若表面缺陷處于裂紋所處區(qū)域范圍外時，此缺陷則會削弱裂紋所在局部區(qū)域剛度，對結(jié)構(gòu)的使用性能不利。此外，局部小范圍內(nèi)的表面缺陷不會引起整體構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的變化；
　　6.引入裂紋信息用于模型的更新，并在建立的疲勞裂紋隨機(jī)擴(kuò)展的韌斷極限狀態(tài)方程中考慮裂紋的隨機(jī)特性，可得到構(gòu)件疲勞可

9、靠度指標(biāo)隨時間的變化規(guī)律?？芍瑯?gòu)件的韌斷臨界裂紋值主要在裂紋擴(kuò)展前期影響構(gòu)件的疲勞可靠度指標(biāo)，而結(jié)構(gòu)上的交通荷載疲勞作用次數(shù)則主要在裂紋擴(kuò)展后期影響構(gòu)件的可靠度指標(biāo)；
　　7.基于貝葉斯定理的概率斷裂力學(xué)評估模型能夠有效的引入人工探測裂紋信息，實現(xiàn)裂紋擴(kuò)展模型及其相應(yīng)參數(shù)的更新。本文進(jìn)行的可靠度評估表明：在檢測到具體疲勞裂紋值后，人工探測后的疲勞可靠度指標(biāo)較探測前有了明顯的提高，因而其檢修間隔時間可相應(yīng)延后，該研究結(jié)果對實際的橋

10、梁檢修間隔調(diào)整具有指導(dǎo)意義。
　　本文對在役大跨鋼橋構(gòu)件進(jìn)行疲勞壽命與可靠度評估所發(fā)展的考慮結(jié)構(gòu)疲勞時變損傷狀態(tài)的結(jié)構(gòu)模型更新方法，一方面是對在役大橋壽命與使用評估方法體系的一種完善；另一方面也使得橋梁人工探測信息被更有效地加以應(yīng)用，取代了以往利用探測信息來粗略的對橋梁當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行簡單分級的思路，能更加精確的實現(xiàn)橋梁在整個服役期內(nèi)考慮損傷時變狀態(tài)的疲勞狀態(tài)評定。對在役橋梁應(yīng)用這種評定方法，其評估結(jié)果還可對橋梁人工探測的精度要求以及