【摘要】：拉吊索是懸索橋、斜拉橋以及中、下承式拱橋的重要承重構(gòu)件之一,其服役可靠性直接影響橋梁的安全性。為保證橋梁安全營運,對病害嚴(yán)重的拉吊索不得不進(jìn)行換索處置。拉吊索更換的時機(jī),理論上需以其病害狀態(tài)對其承載能力的影響程度為依據(jù)。遺憾的是,眾多拉索橋更換拉吊索時,由于受技術(shù)所限并沒有對拉吊索進(jìn)行系統(tǒng)的服役可靠性以及安全風(fēng)險分析,更沒有從經(jīng)濟(jì)因素、社會影響等方面綜合考慮而選擇最佳換索時機(jī)。當(dāng)前,對于固結(jié)構(gòu)造的懸索橋主纜的更換還沒有適宜的方法進(jìn)行,而懸索橋的吊索、斜拉橋的斜拉索、拱橋的吊桿頻繁出現(xiàn)病害,并進(jìn)行更換,個別橋梁還因為拉吊索破斷造成垮橋事故,如四川宜賓小南門大橋、福建武夷山大橋、新疆孔雀河大橋等。如何提高拉吊索的服役可靠性以及精準(zhǔn)安全風(fēng)險分析、評估,保證拉索橋營運安全以及人民生命財產(chǎn)安全是土木工程人必須考慮的問題。除了加強(qiáng)設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)等管理措施外,及時掌握拉吊索的動態(tài)可靠性,準(zhǔn)確評估安全風(fēng)險也是行之有效的方法之一。本文依托國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項目“復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)疲勞實驗系統(tǒng)研制”(No.11627802)、國家自然科學(xué)基金項目“交變荷載與侵蝕環(huán)境耦合作用下斜拉索腐蝕疲勞損傷機(jī)理與壽命預(yù)測模型研究”(No.51478071)、重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃重點項目“服役環(huán)境條件下拉索腐蝕疲勞損傷機(jī)理及破損安全可靠度評估方法研究”(No.cstc2015jcyj BX0022)、交通運輸部建設(shè)科技項目“在役鋼筋混凝土箱型拱橋可靠性評估技術(shù)及檢測關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)”(2014-318-223-030);交通運輸部公路科學(xué)研究院財政部科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目“公路混凝土橋梁耐久性壽命設(shè)計及指標(biāo)體系研究”(2017-9035)等課題,以懸索橋吊索、斜拉橋拉索以及中、下承式拱橋吊桿為研究對象,以拉吊索服役可靠性的三個方面(安全性、耐久性以及適用性)為主線,以各組件出現(xiàn)病害的可能因素為導(dǎo)向,圍繞在役拉吊索腐蝕-疲勞問題,結(jié)合服役環(huán)境、試驗?zāi)M,建立可靠性分析模型,進(jìn)行拉吊索服役可靠性和安全風(fēng)險分析、評估。通過人工加速腐蝕試驗、理論分析、有限元數(shù)值仿真、電子掃描圖像(SEM)灰度分析等研究方法,分析拉吊索在防護(hù)體系失效后,索體鋼絲在鹽霧、酸雨環(huán)境與交變荷載耦合作用下的腐蝕-疲勞損傷機(jī)理,并以拉吊索的現(xiàn)場病害檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合橋梁服役環(huán)境,建立拉吊索可靠性模型,開展拉吊索服役可靠性以及安全風(fēng)險分析、評估。論文主要開展以下研究工作:(1)通過對拉吊索組成結(jié)構(gòu)以及調(diào)研資料分析,發(fā)現(xiàn)下錨固區(qū)積水造成該處索體鋼絲腐蝕-疲勞也是影響可靠性因素之一。模擬鋼絞線在酸雨環(huán)境與交變應(yīng)力的耦合作用下加速腐蝕試驗,揭示其腐蝕-疲勞損傷特性;(2)模擬鋼絞線在鹽霧環(huán)境與交變應(yīng)力耦合作用下加速腐蝕試驗,揭示外護(hù)套破損處索體鋼絲的腐蝕-疲勞力學(xué)機(jī)理;(3)模擬鋼絲在鹽霧環(huán)境與交變應(yīng)力耦合作用下的加速腐蝕試驗,對鋼絲腐蝕-疲勞損傷演化及破斷形式進(jìn)行分析,并建立模型,分階段預(yù)測發(fā)生腐蝕-疲勞后鋼絲的剩余壽命;(4)將拉吊索系統(tǒng)設(shè)計為由外護(hù)套破損處索體鋼絲以及下錨固區(qū)積水,該處索體鋼絲組成的串聯(lián)系統(tǒng),對拉吊索系統(tǒng)進(jìn)行多狀態(tài)服役可靠性和安全風(fēng)險動態(tài)分析、評估。論文的主要創(chuàng)新點如下:(1)防護(hù)體系失效后,不僅外護(hù)套破損處索體鋼絲發(fā)生腐蝕-疲勞病害,下錨固區(qū)積水,該處索體鋼絲也發(fā)生腐蝕-疲勞病害損傷。揭示了橋梁拉吊索在鹽霧、酸雨環(huán)境與交變荷載耦合作用下的腐蝕-疲勞損傷演化機(jī)理;(2)揭示了發(fā)生腐蝕-疲勞的拉吊索鋼絲在點蝕發(fā)展成裂紋后發(fā)生韌-脆轉(zhuǎn)化。建立了橋梁拉吊索鋼絲點蝕成長、裂紋成核及擴(kuò)展、韌脆轉(zhuǎn)化三階段的腐蝕-疲勞剩余壽命預(yù)測模型;(3)依據(jù)不同腐蝕介質(zhì)的作用,外護(hù)套破損處索體鋼絲發(fā)生氣相腐蝕-疲勞;下錨固區(qū)積水致使該處鋼絲發(fā)生液相腐蝕-疲勞,兩者都直接影響拉吊索的服役可靠性。提出了基于串-并聯(lián)系統(tǒng)的服役橋梁拉吊索服役可靠性與安全風(fēng)險評估方法。
【學(xué)位授予單位】：重慶交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U448.25
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本文編號：2649974