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原文传递桥梁拉吊索腐蚀-疲劳问题及服役可靠性

论文题名：	桥梁拉吊索腐蚀-疲劳问题及服役可靠性
关键词：	桥梁拉吊索;腐蚀-疲劳损伤;剩余寿命;服役可靠性
摘要：	拉吊索是悬索桥、斜拉桥以及中、下承式拱桥的重要承重构件之一,其服役可靠性直接影响桥梁的安全性。为保证桥梁安全营运,对病害严重的拉吊索不得不进行换索处置。拉吊索更换的时机,理论上需以其病害状态对其承载能力的影响程度为依据。遗憾的是,众多拉索桥更换拉吊索时,由于受技术所限并没有对拉吊索进行系统的服役可靠性以及安全风险分析,更没有从经济因素、社会影响等方面综合考虑而选择最佳换索时机。当前,对于固结构造的悬索桥主缆的更换还没有适宜的方法进行,而悬索桥的吊索、斜拉桥的斜拉索、拱桥的吊杆频繁出现病害,并进行更换,个别桥梁还因为拉吊索破断造成垮桥事故,如四川宜宾小南门大桥、福建武夷山大桥、新疆孔雀河大桥等。如何提高拉吊索的服役可靠性以及精准安全风险分析、评估,保证拉索桥营运安全以及人民生命财产安全是土木工程人必须考虑的问题。除了加强设计、施工、养护等管理措施外,及时掌握拉吊索的动态可靠性,准确评估安全风险也是行之有效的方法之一。　　本文依托国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“复杂环境下结构疲劳实验系统研制”(No.11627802)、国家自然科学基金项目“交变荷载与侵蚀环境耦合作用下斜拉索腐蚀疲劳损伤机理与寿命预测模型研究”(No.51478071)、重庆市基础与前沿研究计划重点项目“服役环境条件下拉索腐蚀疲劳损伤机理及破损安全可靠度评估方法研究”(No.cstc2015jcyjBX0022)、交通运输部建设科技项目“在役钢筋混凝土箱型拱桥可靠性评估技术及检测关键设备研发”(2014-318-223-030);交通运输部公路科学研究院财政部科研院所基本科研业务费项目“公路混凝土桥梁耐久性寿命设计及指标体系研究”(2017-9035)等课题,以悬索桥吊索、斜拉桥拉索以及中、下承式拱桥吊杆为研究对象,以拉吊素服役可靠性的三个方面(安全性、耐久性以及适用性)为主线,以各组件出现病害的可能因素为导向,围绕在役拉吊索腐蚀-疲劳问题,结合服役环境、试验模拟,建立可靠性分析模型,进行拉吊索服役可靠性和安全风险分析、评估。　　通过人工加速腐蚀试验、理论分析、有限元数值仿真、电子扫描图像(SEM)灰度分析等研究方法,分析拉吊索在防护体系失效后,索体钢丝在盐雾、酸雨环境与交变荷载耦合作用下的腐蚀-疲劳损伤机理,并以拉吊索的现场病害检测数据为基础,结合桥梁服役环境,建立拉吊索可靠性模型,开展拉吊索服役可靠性以及安全风险分析、评估。论文主要开展以下研究工作: 　　①通过对拉吊索组成结构以及调研资料分析,发现下锚固区积水造成该处索体钢丝腐蚀-疲劳也是影响可靠性因素之一。模拟钢绞线在酸雨环境与交变应力的耦合作用下加速腐蚀试验,揭示其腐蚀-疲劳损伤特性; 　　②模拟钢绞线在盐雾环境与交变应力耦合作用下加速腐蚀试验,揭示外护套破损处索体钢丝的腐蚀-疲劳力学机理; 　　③模拟钢丝在盐雾环境与交变应力耦合作用下的加速腐蚀试验,对钢丝腐蚀-疲劳损伤演化及破断形式进行分析,并建立模型,分阶段预测发生腐蚀-疲劳后钢丝的剩余寿命; 　　④将拉吊索系统设计为由外护套破损处索体钢丝以及下锚固区积水,该处索体钢丝组成的串联系统,对拉吊索系统进行多状态服役可靠性和安全风险动态分析、评估。　　论文的主要创新点如下: 　　①防护体系失效后,不仅外护套破损处索体钢丝发生腐蚀疲劳病害,下锚固区积水,该处索体钢丝也发生腐蚀-疲劳病害损伤。揭示了桥梁拉吊索在盐雾、酸雨环境与交变荷载耦合作用下的腐蚀-疲劳损伤演化机理; 　　②揭示了发生腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝在点蚀发展成裂纹后发生韧-脆转化。建立了桥梁拉吊索钢丝点蚀成长、裂纹成核及扩展、韧脆转化三阶段的腐蚀-疲劳剩余寿命预测模型; 　　③依据不同腐蚀介质的作用,外护套破损处索体钢丝发生气相腐蚀-疲劳;下锚固区积水致使该处钢丝发生液相腐蚀-疲劳,两者都直接影响拉吊索的服役可靠性。提出了基于串-并联系统的服役桥梁拉吊索服役可靠性与安全风险评估方法。
作者：	杨世聪
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	张劲泉;姚国文
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文