【摘要】：大跨度斜拉橋長期處于惡劣服役環(huán)境中,如近海岸、海濱海洋及環(huán)境污染嚴重地區(qū),拉索容易遭受侵蝕破壞,作為斜拉橋的“生命索”,這必然對橋梁服役性能構成潛在的威脅。此外,這些斜拉橋中有相當比例還處于高烈度抗震設防地區(qū),拉索銹蝕導致的主梁幾何形變必然對斜拉橋,尤其是漂浮體系斜拉橋的抗震性能有著潛在的影響,因此,結合拉索銹蝕對極端作用下斜拉橋失效行為影響的研究對了解其服役安全性有重要指導意義。以大跨度斜拉橋拉索銹蝕和極端作用失效兩個關鍵問題為主線,分析了服役銹蝕環(huán)境下拉索銹蝕對漂浮體系斜拉橋倒塌易損性和穩(wěn)健性的影響。針對其極端作用損傷及失效機制研究中存在的問題,結合能量法、彈性地基梁理論以及塑性極限分析方法等分析手段,系統(tǒng)討論了拉索銹蝕對斜拉橋極限承載力、穩(wěn)定性及潛在失效模式方面的影響,初步實現拉索銹蝕對斜拉橋極端作用下失效行為影響的研究。主要研究工作如下:(1)結合氯離子濃度分布、拉索服役應力水平及截面銹蝕分布規(guī)律建立拉索銹蝕時變空間分布模型,并作為大跨斜拉橋服役期間的結構時變退化模型。在此基礎上分析了斜拉橋拉索易損性及關鍵區(qū)域的穩(wěn)健性,從而確定災害作用下易損拉索和易誘發(fā)斜拉橋發(fā)生鏈式連續(xù)倒塌的關鍵區(qū)域。分析表明:拉索銹蝕對主梁和索塔的位移有顯著影響,所提出的方法可以有效的識別出斜拉橋的易損拉索及各關鍵區(qū)域的穩(wěn)健性大小。算例分析表明,所有易損拉索主要集中于索塔附近,且隨著拉索銹蝕程度的增加改變不明顯。算例斜拉橋各關鍵區(qū)域的穩(wěn)健性大小順序為:區(qū)域3(索塔附近)≤區(qū)域2(1/4主跨)≤區(qū)域1(跨中)區(qū)域5(邊跨端部)區(qū)域4(1/2邊跨)。易損性和穩(wěn)健性分析表明斜拉橋的區(qū)域2和區(qū)域3是相對薄弱且易失效的區(qū)域,同時也是最可能誘發(fā)斜拉橋發(fā)生鏈式連續(xù)倒塌的區(qū)域。為此在斜拉橋的初步設計中,應給予區(qū)域2和區(qū)域3特別關注,避免這些區(qū)域成為誘發(fā)結構失效的薄弱區(qū)域。(2)提出考慮拉索銹蝕不確定性影響進行斜拉橋地震易損性分析的思想。利用均勻設計法(UD)考慮拉索銹蝕模型的不確定性因素,如銹蝕速率、氯離子濃度、銹蝕開始時間及拉索換索時間等,研究了不同服役時間、不同不確定性對斜拉橋結構地震易損性的影響。分析表明:拉索銹蝕以及材料強度的不確定性對斜拉橋服役期間各構件的易損性都有明顯的影響。各損傷等級下主梁不敏感于地震損傷。材料強度不確定性對各構件的易損性的影響都比較突出,有時甚至高于拉索銹蝕不確定性的影響。在同時考慮拉索銹蝕和材料強度不確定性的情況下,隨著服役時間的增加,各構件的地震易損性未必一定會增加。此外,分析過程中提出的簡化軸力-彎矩相關曲線更適用于刻畫斜拉橋薄壁鋼箱梁(bghg)受力狀態(tài)。在地震易損性分析中,通過算例分析眾多已有地震動強度指標與斜拉橋地震響應的相關性發(fā)現,速度型的指標更適合預測大跨度斜拉橋的地震響應,如PGV、PGV/PGA、vrms、SED 和 SMV。(3)基于等效彈性地基梁模型和最弱截面法分析拉索銹蝕對大跨度斜拉橋失效行為的影響,從而建立了拉索銹蝕導致的構型改變與與斜拉橋抗震性能之間的潛在聯系。靜力Push-down分析和動力IDA分析結果表明:拉索銹蝕導致的局部損傷可改變首個塑性鉸及首根屈服拉索的位置,拉索銹蝕導致主梁塑性鉸和失效拉索的出現次序發(fā)生變化,進而改變了結構的失效路徑。塑性鉸和屈服拉索的發(fā)生次序與拉索銹蝕也存在較為明顯的關聯性。拉索銹蝕降低了斜拉橋的抗震能力。拉索銹蝕導致主梁屈曲安全系數降低,但對于屈曲模態(tài)的影響不明顯。據此可以合理地預測,隨著拉索銹蝕的發(fā)展,斜拉橋原來預設的強度破壞模式有可能轉變?yōu)橥蝗坏那Ｊ健?4)基于能量法建立考慮主梁支承剛度和軸力離散分布的彈性屈曲分析方法,在此基礎上分析了拉索銹蝕對斜拉橋臨界屈曲荷載的影響規(guī)律。Benchmark模型和實際斜拉橋模型的分析驗證表明本文所推導的公式與有限元方法計算結果吻合較好,誤差可控制在5%以下。算例分析表明隨著拉索銹蝕程度的發(fā)展,主梁軸向臨界荷載呈現非線性降低,屈曲失效模態(tài)有高階向低階轉變的趨勢,但其變化并未像屈曲荷載那樣明顯。對于常見的密索體系大跨度斜拉橋,銹蝕的不斷發(fā)展也必將增加一些主梁關鍵截面的內力水平,進而加大設計預期的強度失效機制逐步向屈曲失效機制轉變的可能性。文中推導的可考慮拉索銹蝕的彈性屈曲荷載公式是一種合理簡化且保守的方法,可有效用于斜拉橋的初步控制設計。(5)提出采用塑性極限分析法分析拉索銹蝕對斜拉橋塑性失效行為的影響的思想,并結合線性規(guī)劃法識別出不同拉索銹蝕情況下斜拉橋塑性極限荷載及其對應的失效模式。通過典型單塔漂浮體系斜拉橋失效機制與拉索銹蝕的關聯性討論分析發(fā)現,對于單塔漂浮體系斜拉橋來而言,拉索銹蝕在降低斜拉橋塑性極限荷載系數的同時,也明顯改變著塑性鉸的發(fā)生位置。當拉索銹蝕較輕時,僅有索塔附近的拉索銹蝕可以改變塑性鉸的位置,但隨著拉索銹蝕程度的增加,極限荷載系數持續(xù)降低,能夠引起塑性鉸位置改變的拉索數量不斷增加,失效機制也隨之發(fā)生相應的變化。分析發(fā)現斜拉橋的極限荷載系數更敏感于拉索強度的改變。在主梁強度系數一定時,隨著拉索強度系數的逐漸增加,主梁的失效模式會由類似于簡支梁的整體失效轉變?yōu)榫植渴�。當拉索強度系數一定時,隨著主梁強度系數的逐漸增加,主梁的失效模式則會由局部失效轉變?yōu)轭愃朴诤喼Я旱恼w失效。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U448.27
【圖文】：

邐－逡逑圖１．１蘇通大橋邐圖１．２俄羅斯島大橋逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｕ－Ｔｏｎｇ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋Ｂｒｉｄｇｅ邋Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｒｕｓｓｋｙ邋Ｉｓｌａｎｄ邋Ｂｒｉｄｇｅ逡逑斜拉橋又稱斜張橋，是一種由主梁、索塔、拉索三種基本構件組合起來的結構體系逡逑［２］。其中拉索是斜拉橋的重要組成部分，他能夠將橋跨結構的恒載和外荷載絕大部分或逡逑全部傳遞到索塔上，故拉索是斜拉橋的主要承重結構，是斜拉橋的“生命索”，它的耐久逡逑性將直接影響全橋的安全。自斜拉橋開始應用以來，可以說作為斜拉橋最重要承重構件逡逑的拉索的銹蝕問題就一直是設計施工關注的重點。由于長期承受交變荷載并暴露于惡劣逡逑的大氣環(huán)境中，特別是在近海岸、海濱海洋和環(huán)境污染嚴重的地區(qū)，拉索非常容易遭受逡逑銹蝕介質的侵蝕破壞，這對橋梁服役構成了潛在的威脅。由于拉索銹蝕失效導致嚴重事逡逑故的案例屢見不鮮，極大地影響了斜拉橋的安全運營，嚴重時不得不耗費大量的人力、逡逑財力對拉索進行維修或更換。二次世界大戰(zhàn)后修建的大跨度斜拉橋中

是一種突發(fā)的地質災害，強烈的地震會導致結構嚴重破壞，從而引起重＃的人員傷亡和逡逑財產損失。大跨度橋梁作為交通運輸和生命線工程，對于抗震救災及家園恢復重建是極逡逑其重要的。雖然目前斜拉橋震害資料很少，然而一旦在地震中遭受破壞（如圖１．３所示），逡逑？R伲義夏竊斐傻乃鶚Ы遣豢曬懶康�。辶x希剩В耄海誨澹祝耍灣義稀殄義賢跡保程ㄍ寮勾笄耪鷙η榭觶郟擔蒎義希疲椋紓澹保沖澹牛幔潁簦瑁瘢酰幔耄邋澹洌幔恚幔紓邋澹錚駑澹茫瑁椋蹋蹂澹悖幔猓歟澹螅簦幔澹溴澹猓潁椋洌紓邋澹椋鑠澹裕幔椋祝幔睿郟螅義獻魑賈灤崩趴贍蓯У牧嚼嘀匾暮稍刈饔茫杭俗饔茫ㄈ縝康卣鴝┖屠饜忮義鮮�，二者的成因机制完全不同。相比较而言，地怔Fǔ３質苯隙蹋饜饈叢虼嬖謨阱義锨帕旱惱齜燮諛�。一謳旁来，哉V峁溝納杓乒娣噸�，叙}椿蛘弒緩雎曰蛘呤塹ザ老戾義嫌Φ牡櫻漶詈獻饔猛槐還刈ⅲ停歡昀吹腦趾κ錄礱鰨雎栽趾χ淶膩義像詈獻饔每贍芑嵩斐芍卮蟮氖鹿�，因此眳Q脛厥釉趾淶鳥詈獻饔謾＠饜饈醋魑崩義希沖澹義

本文編號：2796196