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基于腐蚀疲劳进程表征与断丝仿真的桥梁缆索可靠性评估研究
| 论文题名： | 基于腐蚀疲劳进程表征与断丝仿真的桥梁缆索可靠性评估研究 |
| 关键词： | 桥梁;平行钢丝缆索;腐蚀疲劳;断丝仿真;风-车-桥耦合振动;可靠性评估 |
| 摘要： | 缆索承重桥梁作为大跨度桥梁的主要结构形式，被广泛用于跨海、跨江及跨峡谷等“咽喉工程”中。平行钢丝缆索是缆索构件的主要构造形式，作为桥梁的关键受力构件，在服役期内的性能退化将直接影响到桥梁结构的整体服役性能。调查表明，腐蚀与疲劳是导致平行钢丝缆索构件服役性能退化的主要因素，明确腐蚀与疲劳作用下平行钢丝缆索的性能退化过程，建立科学的评价方法与体系是保证该类构件及结构安全运营的关键。面向这一问题，本文展开了试验分析、文献调查、理论推导与数值模拟研究，主要工作和成果如下： (1)面向平行钢丝缆索构件腐蚀进程演化分析的需要，基于加速腐蚀试验，分析了缆索镀锌钢丝与Galfan钢丝宏、微观腐蚀演化过程，研究了腐蚀过程中缆索钢丝表面元素含量的发展规律，验证了平行钢丝缆索构件内外层钢丝腐蚀进程存在差异性。 (2)针对平行钢丝缆索腐蚀进程量化的问题，基于缆索钢丝加速盐雾试验与大气腐蚀试验数据，以缆索钢丝均匀腐蚀深度这一变量为“媒介”，建立了考虑大气腐蚀影响的缆索钢丝点蚀深度时变概率模型；通过量化缆索构件层间钢丝的质量损失，建立了不同护套破损形态下该类构件的腐蚀进程差异概率模型。 (3)面向完善腐蚀疲劳作用下缆索高强钢丝损伤发展过程的需要，基于既有断裂力学开裂理论，引入腐蚀与应力的耦合关系，推导完善了腐蚀疲劳作用下缆索钢丝点蚀坑形状发展模型与点蚀成核寿命模型；考虑裂尖阳极溶解与析氢效应的影响，推导了腐蚀疲劳裂纹扩展的计算模型，揭示了钢丝腐蚀疲劳损伤发展全过程中各因素的影响。 (4)针对腐蚀疲劳作用下平行钢丝缆索的断丝问题，分析了缆索缠包带与护套径向握裹力的扩散及传递机理，建立了缆索钢丝间的非线性接触力模型，提出了一种较为高效的缆索断丝有限元模拟方法；基于风-车-桥耦合振动分析，揭示了在风与汽车荷载作用下平行钢丝缆索发生断丝后的构件应力分布与钢丝响应规律。 (5)面向缆索构件服役性能评估的需要，改进传统的机器学习聚类算法，提出了一种考虑交通流线性增长的交通荷载模拟方法，建立了一种长期风速风向联合分布概率模型，在腐蚀疲劳评估中引入风向这一因素的影响，提出了考虑服役环境影响与护套损伤的平行钢丝缆索服役可靠性评估框架并进行了案例分析。 |
| 作者： | 刘晓东 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 韩万水 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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