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原文传递桥梁结构疲劳时变损伤的模型更新及其可靠度评估

论文题名：	桥梁结构疲劳时变损伤的模型更新及其可靠度评估
关键词：	多尺度建模;桥梁结构;表面缺陷;疲劳时变;损伤状态;可靠度评估
摘要：	对于在役大跨钢桥进行疲劳时变损伤评估，在借助于其上安装的结构健康监测系统所记录的应变时程监测数据进行寿命预测的同时还必须借助于桥梁每年的人工无损探测所得到的桥梁实际运营状态下产生的各类缺陷来进行定性的桥梁分级评估。这些人工检测信息能够反映结构的疲劳时变损伤状态，其形成的年检报告可以详细地给定桥梁上已存在的焊接裂纹及表面缺陷的大小及位置等信息，根据相关规范或合同的规定，可依据各类缺陷的严重等级来决定是否需要进行短期内的维修。若借助健康监测系统记录的监测数据，所能预测的仅仅是安装了部分传感器处的名义应力下的疲劳寿命；而仅仅靠检测报告来定性的进行桥梁的状态分级，包含的主观性和随机性均很大。为了能够更好的评估桥梁的疲劳使用状态，本文尝试将可由人工检测得到的反映结构疲劳时变损伤状态的缺陷信息，通过相应的数学模型量化，应用于有限元模型的更新，并进行后续的可靠度评估。对于桥梁这样的大型结构，若使用传统的精细有限元的建模方法来准确反映结构局部缺陷处的应力状态，计算量将十分巨大，考虑到桥梁的缺陷主要集中在局部细节处，无需对整个结构均建立精细的有限元模型。因此，本文尝试建立一个面向大跨钢桥疲劳状态评估与可靠度分析的多尺度有限元模型，发展多尺度的建模策略，来反映结构的整体特性、局部特性和细部的缺陷特性，并将此建模策略应用于结构健康监测系统不易布设或人工检测不易检测到的疲劳易损段，然后，将疲劳易损段的可由人工检测信息获得的考虑疲劳时变损伤状态的主要因素进行量化并引入模型来更新有限元模型，基于S-N曲线和线弹性断裂力学方法得到初步的疲劳寿命评估结果后，比较评估结果，采用线弹性断裂力学进行后续含缺陷及裂纹状态下的桥梁疲劳易损部位的可靠度评定。完成的研究工作及取得的主要成果有：　　1.根据研究目标的需要，以大型通用软件ANSYS为平台，对比了可用于整体结构与局部结构连接的子结构技术与子模型技术的优缺点，最终选定子模型技术作为本文多尺度一致分析的整体与局部的连接方法。以润扬长江大桥北汉斜拉桥为例，详细介绍了大跨钢桥结构基于子模型技术的多尺度建模策略。其结果表明：子模型技术较子结构技术而言，更适用于面向大跨钢桥疲劳状态评估与可靠度分析的多尺度模型的连接；　　2.基于一定的数学模型将可由人工检测信息获得的考虑结构疲劳时变损伤状态的包含疲劳裂纹、表面缺陷等在内的主要因素量化并引入结构的多尺度模型，发展了一个考虑疲劳时变损伤状态的结构模型更新的方法，此方法可通过反映结构损伤时变状态的人工检测信息的不断更新获得结构在最新损伤状态下的计算模型，具有一定的可持续性，进而进行的疲劳寿命预测与可靠度评估可更准确的反映桥梁实际服役状态；　　3.基于发展的多尺度建模策略，建立了面向大跨钢桥跨中关键段疲劳易损部位的多尺度模型，并分别基于S-N曲线法和线弹性断裂力学方法进行桥梁易损部位疲劳状态的评定。其结果表明：发展的多尺度建模策略可成功实现受力复杂的局部应力状态的分析和疲劳状态的评估，为桥梁结构考虑结构疲劳损伤特征提供了一种更为精确的分析方法，一定程度上弥补了大桥结构健康监测系统无法反映复杂构型局部焊缝区域应力分布规律的不足；　　4.S-N曲线法的评估结果表明：大型重车经过桥面时对桥梁局部构件的等效应力及损伤增量的影响均比较小；线弹性断裂力学的评估结果表明：裂纹的出现并扩展会大大地缩短结构的疲劳寿命；裂缝宽度的增加不会使构件发生断裂失效，而不同的初始裂纹长度对构件的疲劳寿命的影响比较明显。由两种评估方法的评估结果对比可知：基于线弹性断裂力学考察的多尺度模型可更实际地模拟裂纹扩展对构件疲劳状态与寿命的影响，反映结构的破坏机理；　　5.通过折减材料的弹性模量可成功地引入结构的表面缺陷。当构件上相邻位置同时存在裂纹缺陷与表面缺陷时，若表面缺陷的位置处于裂纹所处区域范围内时，能有效降低裂纹区域的应力水平；若表面缺陷处于裂纹所处区域范围外时，此缺陷则会削弱裂纹所在局部区域刚度，对结构的使用性能不利。此外，局部小范围内的表面缺陷不会引起整体构件应力状态的变化；　　6.引入裂纹信息用于模型的更新，并在建立的疲劳裂纹随机扩展的韧断极限状态方程中考虑裂纹的随机特性，可得到构件疲劳可靠度指标随时间的变化规律。可知，构件的韧断临界裂纹值主要在裂纹扩展前期影响构件的疲劳可靠度指标，而结构上的交通荷载疲劳作用次数则主要在裂纹扩展后期影响构件的可靠度指标；　　7.基于贝叶斯定理的概率断裂力学评估模型能够有效的引入人工探测裂纹信息，实现裂纹扩展模型及其相应参数的更新。本文进行的可靠度评估表明：在检测到具体疲劳裂纹值后，人工探测后的疲劳可靠度指标较探测前有了明显的提高，因而其检修间隔时间可相应延后，该研究结果对实际的桥梁检修间隔调整具有指导意义。　　本文对在役大跨钢桥构件进行疲劳寿命与可靠度评估所发展的考虑结构疲劳时变损伤状态的结构模型更新方法，一方面是对在役大桥寿命与使用评估方法体系的一种完善；另一方面也使得桥梁人工探测信息被更有效地加以应用，取代了以往利用探测信息来粗略的对桥梁当前状态进行简单分级的思路，能更加精确的实现桥梁在整个服役期内考虑损伤时变状态的疲劳状态评定。对在役桥梁应用这种评定方法，其评估结果还可对桥梁人工探测的精度要求以及人工检修间隔做出相应的指导，具有良好的应用前景。
作者：	赵丽华
专业：	工程力学
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：	2012
正文语种：	中文