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原文传递既有城市轨道交通桥建合一结构安全性能劣化分析

论文题名：	既有城市轨道交通桥建合一结构安全性能劣化分析
关键词：	城市轨道交通;桥建合一结构;安全性能;状态反演;有限元模型
摘要：	自改革开放以来，随着城市化发展进程加快，交通需求量急剧增长，城市轨道交通以其高效、快捷、清洁环保，在解决城市交通问题和促进城市发展中发挥着重要作用，运营规模继续保持高速增长。城市轨道交通桥建合一结构作为城市轨道交通的关键节点，在长期服役过程中，由于环境侵蚀、荷载作用、疲劳效应和材料老化等因素的影响，导致结构损伤累积，使得结构抗力衰减，从而加速结构的安全性能劣化，极端情况下甚至会导致结构失效。因此，本文构建了面向既有城市轨道交通桥建合一结构安全性能劣化分析方法，预后城市轨道交通桥建合一结构在服役期内的结构安全性能。主要工作及研究成果如下：　　1．根据服役多年的既有城市轨道交通桥建合一结构现场检测结果，总结归纳既有城市轨道交通桥建合一结构的主要缺陷类型，发展既有缺陷的表征方法，确定结构既有损伤部位，合理表征既有缺陷。　　2．建立面向含既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构状态反演的有限元模型。基于空间网格模型方法建立考虑既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构有限元模型，解决了结构的显著空间效应和上-下部结构的铰接模拟问题。基于模型参数灵敏度分析和优化算法，根据模型参数灵敏度分析的结果，基于优化算法利用实测的结构动力特性对考虑既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构有限元模型进行修正，研究结果表明：修正后有限元模型误差值均在5%以内，修正后城市轨道交通桥建合一结构有限元模型更能准确反映结构当前服役状态。　　3．构建考虑纵向动力作用的城市轨道交通车-桥-建耦合作用动力分析模型。基于运营列车类型和含既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构有限元模型，从能量法原理推导考虑纵向动力作用的城市轨道列车运动方程，根据轮轨相互作用关系，以轨道不平顺和列车制动力或启动力作为激励，采用了全过程迭代法求解车-桥-建耦合系统动力方程，分析了列车制动进站时含既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构动力响应，根据实测结构响应数据，验证了车-桥-建耦合作用动力分析模型的合理性，评估了结构当前运营状态，分析了不同制动状况及满载率对结构动力响应的影响，研究结果表明：城市轨道交通桥建合一结构测点加速度的计算值和实测值的峰值较为接近，验证了本文车-桥-建耦合动力分析模型和计算方法的可靠性；既有城市轨道交通桥建合一结构当前运营状态良好，满足规范关于结构正常运营状态控制指标的要求；制动加速度和满载率对城市轨道交通桥建合一结构动力系数影响较小；制动加速度对城市轨道交通桥建合一结构最大挠度影响小，满载率对城市轨道交通桥建合一结构最大挠度影响显著；制动加速度和满载率对城市轨道交通桥建合一结构最大振动加速度影响显著。　　4．基于含既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构有限元模型动力响应分析，确定城市轨道交通桥建合一结构中关键钢构件易损部位。建立面向疲劳损伤分析的含既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构多尺度有限元模型，进行车-桥-建耦合动力分析，获取城市轨道交通桥建合一结构中关键钢构件易损部位节点的应力时程，运用雨流计数法提取应力幅，利用非线性高周疲劳损伤方程分析易损部位疲劳损伤演化规律，研究结果表明：考虑了既有损伤的城市轨道交通桥建合一结构中钢结构的疲劳损伤是非线性累积过程，在损伤演化初期，增长速率较为缓慢；在损伤演化后期，损伤增长速率显著增加。服役期内关键钢构件易损部位的疲劳损伤最大值为 0.0065，由于疲劳损伤值较小，焊缝连接区域未能萌生宏观裂纹，结构在服役期限内发生疲劳失效可能性很低，可以忽略疲劳损伤对结构安全性能影响。　　5．以混凝土碳化-钢筋锈蚀-结构劣化-结构整体安全性能劣化为分析主线。基于城市轨道列车运行的高安全性和平稳性，确定了城市轨道交通桥建合一结构安全性能评价指标。基于结构碳化理论，确定了碳化作用下结构劣化关键时间计算公式，从材料性能劣化和截面退化模拟了碳化作用下结构构件损伤过程。基于材料时变模型、结构碳化理论和车-桥-建耦合动力理论，从结构振动角度，分析预测了服役期内既有城市轨道交通桥建合一结构安全性能劣化规律，从而主动掌握既有城市轨道交通桥建合一结构安全性能演变规律，研究结果表明：服役期内城市轨道交通桥建合一结构的构件损伤度最大值为 0.12998；城市轨道交通桥梁结构服役期内的安全性能虽有所降低，城市轨道交通桥梁结构具有足够的安全性能储备，保证列车安全运营；城市轨道交通建筑结构服役期内的安全性能降低，在列车激励作用下，城市轨道交通建筑结构安全性能储备不足，服役后期有发生振动破坏的危险；城市轨道交通列车的最大脱轨系数和最大轮重减载率变化较小，城市轨道交通桥建合一结构服役期内的安全性虽有所降低，列车在结构服役期内能够保持安全运行。
作者：	杜连玉
专业：	土木工程;防灾减灾及防护工程
导师：	李兆霞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022