鋼管混凝土拱橋因其高承載力、優(yōu)良的塑性和韌性、較強(qiáng)的耐火性能和耐沖擊性能、良好的施工性及卓越的經(jīng)濟(jì)性，在中國(guó)甫一出現(xiàn)便得到了廣泛的應(yīng)用，但是其設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、規(guī)范編制等技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)落后于實(shí)際工程建設(shè)。早期建設(shè)的鋼管混凝土橋梁由于規(guī)范缺失導(dǎo)致部分設(shè)計(jì)或者施工不足產(chǎn)生了一定的缺陷，隨著橋梁運(yùn)營(yíng)日久，加之環(huán)境的影響，這些缺陷導(dǎo)致的橋梁病害也日益顯現(xiàn)出來(lái)，嚴(yán)重影響橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。為準(zhǔn)確判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，進(jìn)而對(duì)橋梁的安全狀況進(jìn)行評(píng)估，以提出切實(shí)可行的應(yīng)對(duì)措施，保證此類橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，本文以鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁杜坑特大橋?yàn)楸尘�，針�?duì)此類橋梁損傷識(shí)別工作進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的研究和探討：1)結(jié)構(gòu)有限元模型修正研究；2)結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化布置與結(jié)構(gòu)振型擴(kuò)階分析；3)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷機(jī)理、損傷指標(biāo)及損傷識(shí)別方法研究；4)結(jié)構(gòu)損傷程度評(píng)估和損傷結(jié)構(gòu)安全狀況評(píng)級(jí)研究。本文主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)結(jié)構(gòu)有限元模型修正研究。將Kriging模型引入結(jié)構(gòu)有限元模型修正領(lǐng)域，采用遺傳算法優(yōu)化Kriging模型參數(shù)，以設(shè)計(jì)參數(shù)變量與結(jié)構(gòu)有限元分析頻率作為訓(xùn)練樣本訓(xùn)練Kriging模型，以實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)頻率作為輸入樣本，得到優(yōu)化后設(shè)計(jì)參數(shù)變量。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法有限元模型修正方法相比較，基于Kringing模型的有限元模型修正方法采用較少量訓(xùn)練樣本即可得到較高精度的修正模型，且具有更高的計(jì)算效率。 (2)結(jié)構(gòu)傳感器測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置研究。改進(jìn)奇異值分解法可以得到最大線性無(wú)關(guān)的傳感器測(cè)點(diǎn)布置組合，節(jié)點(diǎn)模態(tài)應(yīng)變能則表征了節(jié)點(diǎn)的活躍度。以指數(shù)函數(shù)作為候選測(cè)點(diǎn)奇異值信任度計(jì)算函數(shù)，將測(cè)點(diǎn)信任度與節(jié)點(diǎn)模態(tài)應(yīng)變能進(jìn)行融合，取目標(biāo)值較大的候選測(cè)點(diǎn)作為傳感器布置測(cè)點(diǎn)，該方法得到的傳感器測(cè)點(diǎn)布置方案能夠以較高的信噪比獲得盡可能多的模態(tài)信息。 (3)結(jié)構(gòu)振型擴(kuò)階分析。介紹了Kidder動(dòng)態(tài)擴(kuò)階法、系統(tǒng)等效縮聚擴(kuò)階方法及改進(jìn)縮聚系統(tǒng)方法三種結(jié)構(gòu)振型擴(kuò)階方法，并采用一座鋼桁架簡(jiǎn)支梁模型與杜坑橋主梁為例做了振型擴(kuò)階比較分析。研究結(jié)果表明，對(duì)于鋼桁架這類簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，三種擴(kuò)階方法都能得到較高精度的擴(kuò)階振型，其中系統(tǒng)等效縮聚擴(kuò)階方法擴(kuò)階精度最高；對(duì)于杜坑橋這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，三種振型擴(kuò)階方法存在較大誤差，說(shuō)明振型擴(kuò)階方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用依然存在局限。 (4)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷機(jī)理研究。將鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁離散成鋼管混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土主梁及吊桿體系三種構(gòu)件，針對(duì)最容易發(fā)生的拱肋核心混凝土脫空、主梁預(yù)應(yīng)力混凝土主梁裂縫及吊桿腐蝕三種損傷進(jìn)行了發(fā)生機(jī)理分析。重點(diǎn)推導(dǎo)了拱肋核心混凝土在軸向受壓、內(nèi)外溫差及核心混凝土收縮徐變?nèi)N因素下的脫空臨界條件，建立了鋼管混凝土構(gòu)件有限元實(shí)體模型，對(duì)推導(dǎo)的鋼管混凝土在承受軸壓與內(nèi)外溫差因素下的脫空臨界條件進(jìn)行了檢驗(yàn)。 (5)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷指標(biāo)研究。比較了常用的幾種基于動(dòng)力、靜力的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，針對(duì)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁提出了需根據(jù)不同構(gòu)件類型采用合適的損傷指標(biāo)。推導(dǎo)了圓弧拱的波動(dòng)方程，建議以小波包分解應(yīng)力波信號(hào)得到的能量譜特征頻帶能量比偏差作為鋼管混凝土拱肋的損傷指標(biāo)；以應(yīng)變模態(tài)差分為預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的損傷指標(biāo)，并定義了有效面積比作為傳感器布置密度的建議值；以吊桿內(nèi)力差作為吊桿體系的損傷指標(biāo)并運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)吊桿進(jìn)行損傷識(shí)別研究。 (6)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度研究。建立了鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁損傷程度評(píng)估模型，采用模糊數(shù)學(xué)理論方法，將確定的各種因素用定量的方法表示出來(lái)，通過(guò)計(jì)算各因素的隸屬度，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行評(píng)級(jí)，并對(duì)一座實(shí)際檢測(cè)鋼管混凝土拱—連續(xù)梁組合體系橋梁進(jìn)行了損傷程度評(píng)級(jí)。 (7)損傷結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估分級(jí)研究。采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)響應(yīng)面法進(jìn)行結(jié)構(gòu)極限承載力可靠度分析，提出基于可靠度指標(biāo)的有效極限承載能力比作為結(jié)構(gòu)安全狀況分級(jí)指標(biāo)，對(duì)橋梁安全狀況進(jìn)行分級(jí)。以杜坑橋?yàn)槔M(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全狀況評(píng)估分級(jí)。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：U445.71
【部分圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文橋面出現(xiàn)大量裂縫等病害，經(jīng)鑒定屬危橋，于 2004 年報(bào)廢拆除。2) 鋼管拱肋發(fā)生銹蝕，鋼管焊接有缺陷。鋼管拱肋發(fā)生銹蝕是鋼管混凝土拱橋最容易發(fā)生的病害之一。導(dǎo)致病害發(fā)生的原因有如下幾種：①由于外界環(huán)境如日照、風(fēng)雨、腐蝕性物質(zhì)的影響。日照溫度的影響使得拱肋鋼管與防銹涂層變形不一致涂層發(fā)生開(kāi)裂；雨水導(dǎo)致空氣濕度加大，在拱肋鋼管表面形成一層肉眼無(wú)法觀測(cè)的水膜，鋼管表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致生銹；大氣中腐蝕性氣體融入水膜中加劇了鋼管的腐蝕速度。②鋼管涂刷防銹層時(shí)工藝不到位，未能真正起到防銹效果；另外，已經(jīng)涂刷完畢的鋼管拱肋在制造、運(yùn)輸及安裝過(guò)程中防銹涂層遭到破壞而未加以修補(bǔ)也會(huì)導(dǎo)致鋼管的銹蝕。③在外界荷載作用下拱肋發(fā)生縱向變形，而防銹涂層與鋼管變形不一致，防銹涂層發(fā)生開(kāi)裂脫落無(wú)法起到防銹的作用。下圖 1-1 示出了某橋拱肋發(fā)生銹蝕的情況[3]。

圖 1-2 彩虹橋垮塌前 圖 1-3 彩虹橋垮塌后3) 核心混凝土與鋼管拱肋發(fā)生脫粘現(xiàn)象，并伴隨密實(shí)度不足的問(wèn)題，如圖 1-4 所示。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，對(duì)已建鋼管混凝土拱橋檢測(cè)均發(fā)現(xiàn)有不同程度的脫空現(xiàn)象。表 1-1為對(duì)國(guó)內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋所做的脫空調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表 1-1 國(guó)內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋脫空調(diào)查結(jié)果橋名 主跨(m) 主拱圈規(guī)格(mm) 竣工時(shí)間 脫空情況資江三橋 114 Φ1300×14 2001 最大 14mm巫山長(zhǎng)江大橋 492 Φ1220×22 2005 最大 6.2mm廣東佛陳大橋 113 Φ1000×14 1994 最大 3cm~10cm康富南路跨線橋 120 Φ1000×14 2006 最大 18mm茅草街大橋 368 Φ1000×18 2006 最大 3.86mm奉節(jié)梅溪河大橋 288 Φ920×14 2001 最大 2.5mm浙江三門鍵跳大橋 245 Φ800×16 2001 1mm～2mm合川嘉陵江大橋 200 Φ760×14 2002 1mm～2mm湖南湘西王村大橋 208 Φ750×12 2000 最大 2.4mm

圖 1-2 彩虹橋垮塌前 圖 1-3 彩虹橋垮塌后3) 核心混凝土與鋼管拱肋發(fā)生脫粘現(xiàn)象，并伴隨密實(shí)度不足的問(wèn)題，如圖 1-4 所示。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，對(duì)已建鋼管混凝土拱橋檢測(cè)均發(fā)現(xiàn)有不同程度的脫空現(xiàn)象。表 1-1為對(duì)國(guó)內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋所做的脫空調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表 1-1 國(guó)內(nèi)部分鋼管混凝土拱橋脫空調(diào)查結(jié)果橋名 主跨(m) 主拱圈規(guī)格(mm) 竣工時(shí)間 脫空情況資江三橋 114 Φ1300×14 2001 最大 14mm巫山長(zhǎng)江大橋 492 Φ1220×22 2005 最大 6.2mm廣東佛陳大橋 113 Φ1000×14 1994 最大 3cm~10cm康富南路跨線橋 120 Φ1000×14 2006 最大 18mm茅草街大橋 368 Φ1000×18 2006 最大 3.86mm奉節(jié)梅溪河大橋 288 Φ920×14 2001 最大 2.5mm浙江三門鍵跳大橋 245 Φ800×16 2001 1mm～2mm合川嘉陵江大橋 200 Φ760×14 2002 1mm～2mm湖南湘西王村大橋 208 Φ750×12 2000 最大 2.4mm
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2880388