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原文传递斜拉桥锈蚀拉索力学性能分析方法研究与应用

论文题名：	斜拉桥锈蚀拉索力学性能分析方法研究与应用
关键词：	斜拉桥;锈蚀拉索;动力特性;参数振动;疲劳断裂;可靠度评估
摘要：	斜拉索是斜拉桥最主要的承力构件之一。钢丝锈蚀和开裂是导致拉索承载力下降和使用寿命缩短的最关键因素。研究钢丝、丝股和拉索锈蚀演化规律、锈蚀拉索静力学和动力学性能及斜拉桥结构随机分析，提出以可靠度指标和寿命周期费用成本最小为目标的拉索更换维修策略，有着重要的工程价值和理论意义。本论文相关研究内容包括：　　(1)锈蚀拉索的静力控制方程及其参数分析。在完好拉索控制方程的基础上，引入锈蚀程度η、锈蚀范围δ以及锈蚀位置α等参数表征拉索的锈蚀特征，推导了锈蚀拉索的无量纲形式的静力方程组，并且从单段损伤扩展剑任意多段锈蚀损伤的一般情形。在拉格朗日型弧坐标系下分析了拉索倾角θ及η、δ、α等多个锈蚀参数对轴力方程、线形方程以及弧长方程的影响。建立了轴力缩减系数和垂度增长系数与拉索张拉力参数γ以及锈蚀参数的关系表达式，最后分析了锈蚀参数对轴力缩减系数和垂度增长系数的耦合影响关系。结果表明，锈蚀会引发拉索轴向刚度和整体几何刚度的降低，导致拉索轴力的降低和垂度的增加，并受拉索张拉力水平的影响。该研究把锈蚀对结构静力退化响应分析从定性分析深化到定量分析。斜拉桥的整体分析表明，考虑锈蚀参数才能分析斜拉桥力学行为演化的多样性，同时也表明斜拉桥在拉索损伤初期，索力具有线性变化的特征，索力变化对于局部损伤不敏感，因此基于振动频率法测试索力不能在损伤早期识别拉索局部损伤。　　(2)锈蚀拉索的动力控制方程及其参数分析。将锈蚀参数引入到完好拉索的动力控制方程中，无量纲化得到锈蚀拉索的控制方程，通过与无锈蚀拉索的特征频率方程的比较，分析了锈蚀参数对拉索的特征频率的影响，把锈蚀对拉索的损伤分解为几何效应和静态纯度效应影响，探讨了锈蚀引发的频率变化的新的特征。分析表明：几何效应导致拉索的正对称和反对称频率降低，静态效应导致锈蚀拉索局部刚化，致使正对称频率在等效艾维参数大于0.1小于4时增大。　　(3)锈蚀钢丝强度及疲劳断裂分析。综述了根据串并联模型从丝段试验结果得到拉索平均强度的方法，探讨了丹尼尔效应和相关长度效应对锈蚀拉索强度影响，并将这一模型在锈蚀对钢丝和拉索的疲劳寿命的影响分析进行了总结，最后提出锈蚀拉索的最小临界面积计算方法，并和桥梁养护规范进行了对比验证。最后根据断裂力学方法，计算了带不同初始缺陷的钢丝中裂纹扩展应力强度因子，对基于断裂韧性准则和净截面准则的钢丝断裂强度进行了对比，初步验证了最小临界面积需要综合考虑疲劳和断裂以及试验及其拉索串并联构成等因素的思想。　　(4)斜拉索锈蚀退化概率模型。在综合锈蚀开始时间的概率模型和锈蚀面积扩展的概率模型的基础上，建立了平行拉索锈蚀时变概率模型。根据不同检测周期钢丝锈蚀概率树形结构的特点，提出了锈蚀概率计算的分枝-约界方法，有效地解决了计算量指数级增长的问题。模型参数分析和拉索失效概率实例表明：该模型能够预测在役拉索任何检修周期的钢丝锈蚀的数目及其概率，能够计算任意时刻钢丝锈蚀的总量，进而分析拉索的时变失效概率。　　(5)斜拉桥索-梁耦合非线性振动。通过简化的索桥耦合振动模型，研究了斜拉索与桥面的耦合特性，通过数值计算综合分析了索与桥的桥面质量、阻尼、初始位移等参数对索-桥耦合振动的影响。特别研究了拉索锈蚀损伤后，索桥耦合振动的变异特征。计算表明：随着锈蚀的扩展，结构系统动力特性变化，维持耦合振动的条件不断变化，参数耦合振动可能在不同拉索间迁移。　　(6)斜拉桥结构随机分析。运用斜拉桥结构找形方法对斜拉桥的成桥索力进行迭代，在最优成桥状态下基于蒙特卡罗方法和索力迭代方法结合，研究了斜拉桥结构在索力和结构尺寸随机情况下的结构特征，并进行了参数敏感性分析。计算表明，在索力随机情况下，斜拉桥主梁截面弯矩变化最大，反映了斜拉桥结构对斜拉索索力变异敏感性的一面；同时轴力的稳定性致使叠加后的截面应力的变异不是很大，反映了斜拉桥结构稳定性的一面。结构几何大尺寸随机计算表明，斜拉桥的基本几何数据如主塔的塔位、塔高、边跨长度等结构尺寸是决定索力的主要因素，虽然各挂索点位置参数众多，但索力对这些位置参数的扰动并不是很敏感。　　(7)根据拉索寿命函数和拉索系统的串并联模型，研究了斜拉桥拉索系统失效概率变化即结构劣化的规律，分析了全寿命周期内不同维修更换措施对结构失效概率的影响。运用周期成本理论，进一步分析了不同维修更换时间和更换策略的经济性。结合一斜拉桥模型，验证了模型的适用性，并且以延长使用寿命和累积维修费用最低为目标，获得了该桥的最优维修策略。寿命函数和周期成本理论结合是确定斜拉桥拉索更换优化策略的有效途径，为工程拉索更换策略的实施奠定了基础。
作者：	王立彬
专业：	土木工程；防灾减灾工程及防护工程
导师：	李爱群
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文