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原文传递钢管混凝土拱桥的时变可靠度分析

论文题名：	钢管混凝土拱桥的时变可靠度分析
关键词：	钢管混凝土拱桥;时变可靠度;蒙特卡罗法;结构剩余寿命;疲劳试验
摘要：	钢管混凝土拱桥造型独特，跨越能力强，施工简便且具有较强的经济性，在我国各地都有大量的应用。然而其发展时间尚短，结构复杂，目前对其的研究仍不够深入与完善。可靠度是评估桥梁结构稳定性和安全性的重要指标，能够对桥梁运营过程中的随机因素进行定量分析。本文基于时变可靠度理论，以某中承式钢管混凝土拱桥为分析实例，结合混凝土材料和钢材料的性能退化研究成果，分析了结构可靠度随桥梁服役年限增长的变化；考虑了交变荷载对疲劳寿命的影响，对桥梁构件的剩余寿命进行了预测。本文的主要研究内容与研究成果包括：　　1.整理了国内外学者在结构可靠度理论领域的研究成果，总结了可靠度理论的基本思路和计算方法的优劣，结合研究对象的特点，选取蒙特卡罗法作为可靠度计算的基本方法。结合中承式钢管混凝土拱桥的特点，分析了影响其功能的主要随机因素，包括材料性能、几何尺寸、计算模式与荷载效应及其分布。本文计算涉及的随机变量主要分布类型为正态分布、对数正态分布与极值I型分布。　　2.钢管混凝土拱桥主要材料为钢材料与混凝土材料，本文对其性能退化过程进行了分析，总结了材料退化的规律，建立了抗力劣化模型。主要考虑了混凝土强度的退化，钢材料在大气环境与密闭环境下的锈蚀深度。对吊杆中的钢丝材料，进行了盐雾加速腐蚀试验，通过观察腐蚀前后的钢丝表观特征和力学性能试验，得到了钢丝的强度以及疲劳性能退化规律，为后文的可靠度时变过程分析提供了理论和数据支持。　　3.针对研究对象的时变可靠度的计算，本文基本思路为：先计算设计阶段可靠指标即时不变可靠度，再结合时变过程，得到时变可靠度计算结果。结合现行规范，考虑对桥梁运行影响较大的随机因素，以承载能力极限状态和正常使用极限状态为主要失效模式，对钢管混凝土拱桥的主要承力构件分别建立了抗力函数表达式。建立了钢管混凝土拱桥的三维有限元模型，通过对模型施加不同荷载得到了桥梁的荷载效应标准值，进而联立抗力表达式得到了相应的功能函数。通过MATLAB（R2019b）软件实现了蒙特卡罗法对功能函数的运算，得到了桥梁主要构件在设计阶段的可靠指标，对构件的可靠指标进行了分析，发现拱肋与立柱为设计阶段钢管混凝土拱桥最可能失效的构件，其失效模式分别为拱肋桁式偏心受压与立柱面外偏心受压。　　4.以时不变可靠度为计算起点，以抗力劣化模型为时变过程，得到了中承式钢管混凝土拱桥在服役期各时间点的可靠指标，建立了时间-可靠指标坐标系，对点位图进行曲线拟合得到了主要构件的时变可靠度曲线，通过对时变可靠度曲线的分析，对研究对象各主要构件的剩余寿命做出了预测。预测结果为拱肋的使用寿命为47年，吊杆的使用寿命为25年，立柱的使用寿命为71年，钢横梁的使用寿命为52年。其中吊杆的疲劳寿命最短，为25年；承载能力极限状态下吊杆的受拉可靠指标下降幅度最大，为61.6%。
作者：	魏志翔
专业：	道路与铁道工程
导师：	李红
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022