斜拉索损伤对在役斜拉桥体系可靠度的影响

为了研究拉索腐蚀与疲劳损伤对在役斜拉桥服役安全的影响,分析平行钢丝拉索斜拉桥的时变体系可靠度。采用串-并联模型研究平行钢丝索强度概率受拉索长度和数量的影响,对比拉索断裂产生的静力与动力效应,并基于更新响应面方法捕捉拉索断裂产生的非线性效应。基于钢丝的疲劳试验结果评估某双塔混凝土斜拉桥的时变体系可靠度。研究结果表明:腐蚀和未腐蚀拉索20 a的抗拉强度均值分别下降32%和13%,基于串-并联模型可捕捉钢丝长度和数量效应对拉索强度概率分布均值和标准差的影响;单根拉索断裂可导致相邻拉索索力静力效应增加7%,而动力效应达到11%;基于更新响应面方法采用20个均匀设计样本点即可捕捉到该非线性效应;在"疲劳"和"腐蚀-疲劳"这2种损伤作用下,该斜拉桥在第20年的结构体系可靠指标由4.62分别下降至4.42和和2.46,表明腐蚀效应对斜拉桥运营期体系可靠度影响显著。     

基于裂纹扩展的锈蚀拉索疲劳寿命评估

将平行钢丝索视为一个多裂纹竞争的串-并联模型,通过点蚀不均匀系数确定锈蚀钢丝的初始裂纹尺寸. 基于疲劳裂纹扩展速率模型各参数的概率分布,采用疲劳失效全过程Monte-Carlo模拟法计算了不同断丝率下拉索的疲劳寿命,并通过试验数据对计算结果进行了验证. 结果表明：拉索断丝率随疲劳次数增加符合幂级数的增长规律,当拉索的断丝率达到10%之后,拉索的断丝率迅速增长而失去抵抗疲劳荷载的能力. 纤维束模型中串联钢丝单元划分越多,拉索的疲劳寿命越短,但这种趋势会随着钢丝单元数的增加而逐渐趋于稳定. 锈蚀拉索的疲劳寿命服从Weibull分布,点蚀效应缩短了钢丝裂纹萌生寿命,随锈蚀程度的增加,拉索疲劳寿命均值大幅下降,变异性减小,其抗疲劳性能快速劣化. 通过雨流计数法将随机荷载历程转化为疲劳荷载谱块的重复作用,基于钢丝的腐蚀发展规律计算了不同腐蚀程度拉索的疲劳寿命,建立了随机荷载作用下拉索腐蚀程度与疲劳寿命劣化之间的关系模型. 根据P-dc-N曲线可对锈蚀拉索服役期的疲劳可靠性进行评估,应用时需要准确掌握拉索钢丝的缺陷或腐蚀细节信息.     

考虑拉索抗力退化的斜拉桥体系可靠度评估

疲劳损伤和大气腐蚀作用致使斜拉索性能退化,影响斜拉桥运营期的安全水平.为了分析拉索抗力退化对斜拉桥体系可靠度的影响,建立了斜拉索抗力退化的串并联概率模型,提出基于机器学习的斜拉桥时变体系可靠度分析方法.以经典斜拉桥和某大跨度双塔混凝土斜拉桥为工程背景,研究了考虑拉索抗力退化的结构时变体系可靠度.研究结果表明:对于稀索体系的小跨度斜拉桥,随着斜拉索抗力的逐步退化,桥梁结构体系的主要的失效路径为由梁和塔的弯曲失效逐渐转变为由拉索腐蚀引起的拉索强度失效;当拉索抗力退化后的可靠度低于主梁关键截面可靠度时,结构体系可靠度将显著降低;对于密索体系的大跨度斜拉桥,在拉索疲劳和腐蚀共同作用下,该斜拉桥体系可靠指标将在29年降低到5.2.     

长期荷载作用下SFRC梁承载能力极限状态可靠性分析

为分析长期荷载作用下SFRC梁承载能力极限状态可靠性的时变规律,基于持荷10年的SFRC梁抗弯试验结果,建立了SFRC梁承载能力极限状态时变可靠性分析模型.对于Ⅰ系列梁(持荷水平不变、钢纤维掺量改变)和Ⅱ系列梁(持荷水平改变、钢纤维掺量不变),将等效抗力法和一次二阶矩法相结合,求得其时变可靠指标,并预测了100年长期荷载作用下可靠性的时变规律.结果表明:对于Ⅰ系列梁,钢纤维体积分数为0.5%是最佳掺量;对于Ⅱ系列梁,外荷载越小,可靠指标越大,抗弯承载力越大,外加荷载越接近,可靠指标越接近;在服役期内SFRC梁可靠指标先上升后下降,当钢筋开始锈蚀,可靠指标曲线出现拐点,导致梁正截面抗弯承载力下降明显.     

斜拉索在随机风-车-覆冰联合作用下的疲劳可靠度分析

为了分析随机风-车荷载及覆冰联合作用下的斜拉索的疲劳可靠度,以武汉天兴洲长江大桥为工程背景进行研究。首先,根据Monte Carlo法组成随机车队,模拟随机车辆荷载谱,将车辆模型转化为节点动力荷载输入斜拉桥模型中,通过谐波叠加法生成风速时程,将风荷载引起的静风力、抖振力、气动自激力施加到斜拉桥模型中;然后,依据横风向驰振理论,考虑扇形索覆冰引起的自激振动影响,采用Fluent软件模拟拉索在覆冰状态下的升力系数,求出30°风攻角下的升力并施加到拉索上,将拉索计算出的时程力施加到对应的主梁模拟点上;最后,基于累积损伤理论,分别对斜拉桥在单一车荷载、风-车荷载联合作用及风-车-覆冰联合作用下拉索的疲劳可靠度进行分析,得到拉索的疲劳可靠度指标。研究结果表明:风-车荷载联合作用下拉索的疲劳可靠度指标明显低于单一随机车荷载作用下的疲劳可靠度指标,最短索的疲劳可靠度指标降低了约21%;覆冰会降低拉索的疲劳可靠度指标,但其降低幅度不大,考虑到覆冰作用引起的最大索力大于其他2种工况的最大索力,其影响不能忽略;风荷载对拉索的疲劳可靠度影响显著,且随着拉索长度增大,影响也逐渐增大。该方法主要是将荷载以节点动力荷载的形式施加到桥面模拟点上,因此该方法同样适用于其他桥梁的疲劳可靠度分析。     

基于车辆荷载模型的斜拉索索力随机模拟及疲劳分析

为了满足斜拉索状态评估和养护管理的需求,提出基于车辆荷载模型的斜拉索疲劳寿命分析方法。以桥梁收费站的静态称重数据和桥面监控资料为依据,采用极大似然估计和最大期望(EM)算法,建立了12类车型及车重、轴重、车速等相关参数的车辆荷载统计模型。基于Monte-Carlo方法、泊松过程理论和车辆跟驰模型,编写计算程序进行随机车流仿真分析,随机生成车辆荷载的作用位置和大小,并在影响线上加载得到活载索力时程,将其与长期监测系统得到的实测活载索力时程进行对比分析,验证了该模型的有效性。然后,考虑车辆荷载模型的长期趋势,结合腐蚀斜拉索的应力-疲劳寿命(S-N)曲线和Miner线性累积损伤理论,分别对未腐蚀和腐蚀2种情况的斜拉索长期性能进行了分析与预测。研究结果表明:各车型质量统计数据呈现多峰分布特征,建立随机车辆荷载模型时,宜采用混合分布模型,并考虑车重与轴重之间的相关性;建立的随机车流仿真模型计算得到的活载索力与实测活载索力具有较高的相似度,相对熵(KL)散度在0.1左右,证明该模型能较为准确地模拟实际的交通荷载流,可用于进一步的分析和预测;腐蚀是影响斜拉索疲劳寿命的重要因素,根据试验桥的分析结果,未腐蚀的斜拉索基本不存在疲劳问题,但腐蚀使斜拉索的疲劳寿命迅速降低,甚至会发生早期断裂。     

锈蚀疲劳耦合作用下的斜拉索钢绞线损伤分析

斜拉索是斜拉桥重要的承重构件,索体工作环境恶劣,极易遭受腐蚀与疲劳破坏,使得实际寿命大大低于设计寿命。在分析斜拉索钢绞线锈蚀和疲劳过程的基础上,以钢绞线有效截面面积为耦合参数,研究锈蚀疲劳耦合作用下的拉索损伤计算方法。对某钢绞线拉索的计算分析表明,锈蚀和疲劳的耦合作用造成的强度损伤要高于两者简单叠加之和,符合实际情况。该分析给出的强度损伤、剩余强度和当前承载力等计算公式,也可以为拉索剩余寿命估算提供参考。     

交变荷载与腐蚀环境耦合作用下拉索钢丝腐蚀行为特征及预测

为探究和预测交变荷载和腐蚀环境耦合作用下拉索钢丝的腐蚀行为,通过加速试验制定不同锈蚀等级下的钢丝锈蚀图例,测量了相应锈蚀等级下锈蚀钢丝失重量、名义抗拉强度和断后延伸率,使用图像小波分解技术探讨了HSV和RGB色彩模式在表征钢丝锈蚀图像整体颜色与局部边缘轮廓特征方面的适应性,分析了不同锈蚀等级下钢丝锈蚀图像小波系数分量的L1范数均值和L1范数百分比与锈蚀钢丝平均失重量的相关性,建立了钢丝平均失重量的预测模型。研究发现:交变荷载和盐雾环境耦合作用下拉索钢丝呈现出明显的局部坑蚀现象,且钢丝名义抗拉强度和断后延伸率均随锈蚀失重量的增加而减小;钢丝腐蚀形态的改变主要体现在腐蚀钢丝表观颜色浓度和亮度的改变,而HSV色彩模式中的饱和度分量可较好地反映钢丝锈蚀图像整体颜色的变化,RGB色彩模式中的蓝色分量可较好地反映钢丝锈蚀图像局部蚀坑周围局部亮度的变化;拉索钢丝腐蚀图像与腐蚀失重量、名义抗拉强度之间存在良好的线性回归关系,可用于预测钢丝锈蚀失重量和名义抗拉强度。     

交通荷载对拉索钢丝疲劳寿命的影响

钢丝的疲劳寿命主要受到荷载(特别是交通荷载)作用的影响.从疲劳裂纹扩展以及临界裂纹长度两个方面研究交通荷载对疲劳寿命的影响.首先从Paris公式出发对裂纹扩展量计算公式进行简化,指出疲劳应力幅概率分布对疲劳寿命的影响主要由其均值决定;接着采用Rice公式提供的临界交通荷载分布规律对疲劳寿命的影响进行分析,给出了疲劳寿命的失效概率计算公式.通过将以上方法应用于实桥的拉索钢丝,发现应力幅的变异性对疲劳寿命的影响可以忽略.计算结果还显示,交通荷载极值对于疲劳寿命有一定影响,其标准差可达9周以上.     

含预制缺口的电力导线腐蚀疲劳性能试验

为了研究腐蚀介质和疲劳荷载两者的耦合作用、腐蚀溶液浓度和pH值等因素对电力导线腐蚀疲劳寿命的影响,设计了一种新型的试验装置对某线路老旧导线进行腐蚀疲劳试验。通过在导线表面预制缺口,研究了不同腐蚀条件、不同腐蚀和疲劳作用方式对含缺陷导线力学性能的影响,得到了各加载工况下的S N曲线和拟合方程,并分析了腐蚀溶液浓度、pH值对导线寿命的影响权重。试验结果表明：腐蚀介质和疲劳荷载耦合作用下导线寿命比无腐蚀作用时显著降低;随着溶液酸性的增强,导线寿命显著缩短;由于高浓度的氯离子抑制了溶液中氧的溶解及扩散作用,使溶液对导线的腐蚀作用减弱,因此氯离子浓度的改变并非和疲劳寿命呈负相关关系。     

港口岸电电缆提升装置静力学与疲劳性能分析

电缆提升装置的强度直接决定电缆输送过程的可靠性,但是针对该方面的研究较少。在4级风工况下,对4层提升装置进行静力学分析,并与试验结果对比,验证了分析方法的合理性。进而研究了0-8级风工况下,该装置的应力分布情况。由于3、4层应力较大易发生疲劳破坏,故采取疲劳分析。结果显示,0-8级风工况下,该装置性能合格。随着风载荷的增加,每层最大应力值均有所提高,同时该装置最易破坏的位置均在第3层底部。此外,当风速大于4级后应力增长速度提高,且疲劳寿命降低速度提高。     

大跨径斜拉桥斜拉索静风荷载计算方法比较

针对大跨径斜拉桥对风荷载作用十分敏感的特点，分析了斜拉索风荷载的不同计算方法的差异，并以苏通长江公路大桥为例比较了不同计算方法对关键截面响应的影响．分析表明，对于大跨径斜拉桥，斜拉索上的风荷载计算方法对关键截面的响应影响较大；横桥向风作用下，在不考虑斜拉索设计风速的误差的前提下，可将斜拉索上风荷载平均分配到其端部；顺桥向风荷载作用下，则斜拉索上风荷载应直接作用在拉索分段的节点上。     

既有预应力空间索杆系结构的安全性评价方法

为解决考虑拉索腐蚀程度的既有预应力空间索杆系结构安全评价技术难题,研究建立了基于结构自身特性和拉索腐蚀程度的安全性客观评价方法。首先,建立了空间索杆系在瞬间断索下的动力响应分析方法,并通过三索结构算例验证了该方法的合理性和可行性;其次,根据判断矩阵构建理论和断索分析结果,建立了考虑拉索腐蚀程度的索杆系中各拉索权重系数确定方法;在此基础上,建立了拉索腐蚀程度的隶属函数,构建拉索索系的安全评语集,根据权重系数和拉索腐蚀程度检测结果,建立了既有预应力空间索系安全性的模糊综合评价体系。依托于某基于空间索杆系结构,对所构建的权重确定方法、隶属度函数和模糊综合评价模型进行了初步的应用和合理性验证。     

基于概率密度演化的风机基础疲劳可靠度计算

风机底部基础在风荷载作用下会产生疲劳破坏.为了研究风荷载作用下风机的疲劳可靠性,将随机脉动风荷载进行正交展开,用数论选点法和概率密度演化方法将展开的风荷载模型用于风机塔身的疲劳可靠度计算.采用推力系数法计算风荷载作用下风机基础较危险部位的应力时程,然后用雨流计数法统计该点的疲劳损伤,将其代入概率密度演化方程并通过差分计算可求得疲劳损伤的概率密度函数.通过累计疲劳损伤小于1的概率可求得危险部位的疲劳可靠度,也就是整个基础的疲劳可靠度.以一3 MW风机作为算例验证了本文方法的有效性,应用概率密度演化方法,可以精确地给出基础在风荷载作用下的疲劳可靠度,本文成果对于近似工况的风机基础疲劳可靠度的计算具有借鉴意义.     

零均值随机变幅载荷作用下零件疲劳可靠度尺寸的计算方法

本文根据现有的疲劳理论,提出了进行零均值随机变幅载荷作用下零件疲劳可靠度尺寸的计算方法。这个计算方法同时也适用于零均值随机变幅应力下,零件给定可靠度时的寿命计算及给定工作寿命时的可靠度计算。计算过程简单,适合于工程应用。     

基于改进损伤算法及MCMC车流模拟的 混凝土桥梁疲劳寿命预测

基于改进损伤算法及多车道精细车流模拟,提出一种新的混凝土桥梁疲劳寿命的预测方法.改进损伤算法将每一次循环造成的损伤计入S-N曲线,对疲劳荷载作用下材料的S-N曲线进行了修正,使得材料疲劳寿命预测结果更贴近真实状况.采用马氏链蒙特卡洛模拟法(Markov Chain Monte-Carlo,MCMC),考虑车流中相邻车型及车道的相关性,生成多车道精细车流.分别通过一组钢筋混凝土梁及一组预应力混凝土梁多级变幅疲劳试验对改进损伤算法的准确性进行了验证.介绍MCMC多车道随机车流模拟的具体流程,并提出基于改进损伤算法及多车道随机车流模拟的混凝土桥梁疲劳寿命预测方法.最后,以某高速公路实测交通流数据与一座跨径为20 m的简支T梁桥为例进行分析.结果表明:5组试件预测误差较常规损伤算法均有明显降低,除两根预应力混凝土梁预测误差较大(53％～56％)外,其余3组试件误差较小(小于8％),表明改进损伤算法可用来预测混凝土桥梁的疲劳寿命;实例分析中,简支T梁桥各主梁应力幅谱呈现多峰分布的特征,与车辆荷载分布特征相似,验证了模拟的合理性;根据改进损伤算法预测,当年交通量增长率(Average Annual Growth Rate,AAGR)为0时,该T梁桥的疲劳寿命为77.50年,不满足设计使用年限要求.AAGR为3％时,疲劳寿命为52.49年,较AAGR为0时下降32.27％.     

斜拉索上雨线的气动力特性的试验研究

设计制作了可方便调节雨线在拉索模型上的位置和风向角的试验装置、用于测压试验的带人工雨线的拉索模型，并在风洞中进行了拉索模型同步测压试验．试验得到了在典型拉索倾角下，具有不同风向角时拉索雨线模型上的风压和气动力系数．这些结果为建立更为精细的理论模型提供了基础。     

基于车桥耦合振动的波形钢腹板箱梁体外预应力束疲劳损伤评估

基于ANSYS建立精细化波形钢腹板箱梁桥数值模型,开展体外束疲劳分析。利用MATLAB编制了考虑车辆类型,行车位置、速度、车头距及轴重等因素的随机车流程序。采用雨流计数法计算24小时内随机车流作用下体外束应力等效应力幅以及等效应力循环次数。修正Muller研究结果,提出应力比低于0.035且考虑侧向弯曲磨损作用下的钢绞线S-N公式。利用Miner累积损伤准则并考虑冲击系数的影响,推算波形钢腹板箱梁桥体外预应力束的疲劳损伤度及剩余疲劳使用寿命,同时分析了桥梁跨径对体外束疲劳损伤的影响。研究结果表明,移动荷载对不同位置处体外束应力影响线的大小顺序为：中跨跨中位置＞边跨跨中位置＞中跨1/4跨位置,中跨跨中位置处的体外束应力受到的车辆荷载的影响较大；随机车流对体外束产生的疲劳损伤随跨径增加而减小。     

考虑温度效应的风电增速箱动力学特性研究

针对风电增速齿轮箱温度异常现象,基于Block闪温理论与Hertz接触理论,提出一种考虑随机风载作用下齿面接触温度的计算方法.以该方法为理论基础,根据行星轮系耦合建模理论,建立风电增速齿轮箱动力学性能计算模型.模型不仅揭示了随机风载、齿面接触温度及齿廓热变形之间相互影响的函数关系,还展现了随机风载、齿面接触温度等非线性...