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悬索桥吊索寿命期内动态可靠性分析

作　者: 杨靓
导　师: 邵旭东
学　校: 湖南大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 悬索桥吊索抗力退化腐蚀动态可靠度脉动风抖振力疲劳可靠指标全寿命成本
分类号: U443.38
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,随着我国交通事业的迅猛发展,修建了许多大跨度、特大跨度桥梁跨越峡谷、海峡、陆岛和大江大河。悬索桥是跨越能力最大的桥型之一,而吊索作为悬索桥的主要传力构件,使用环境恶劣且易受周围大气、温度的影响而发生劣化,并且长期承受汽车和风的动荷载,容易导致疲劳问题。多座缆索系统桥梁因为各种原因而不得不提前换索,既影响了桥梁的使用又造成了巨大的经济损失。本文以矮寨桥为工程背景,对悬索桥吊索在寿命期内可靠指标的变化,进行了以下几个方面研究工作:(1)分析了悬索桥吊索抗力退化的原因,包括吊索防护体系的破损和吊索钢丝抗力退化的机理。根据矮寨大桥桥位处的气候环境和腐蚀介质,探讨了在酸雨环境中的腐蚀机理和腐蚀破坏形态,比较了点蚀和均匀腐蚀两种不同腐蚀模型的影响,结果表明在腐蚀初始时,随时间增长两者差距加大,后期随时间增长两者逐渐接近。(2)针对矮寨桥结构的非对称性,根据分段悬链线法,编制了XLX.FOR程序和ANSYS混合计算得到较理想的成桥状态。(3)综述了桥梁结构可靠度理论,重点对比了不同求解方法的优劣性。采用响应面结合JC法计算了矮寨桥吊索在寿命期内的静力动态可靠指标,结果表明当腐蚀的影响仅仅考虑截面积减小时,吊索一直处于较安全状态。对部分参数做了敏感性分析,表明吊索截面积的变异性对可靠指标的影响很大。(4)对矮寨桥在脉动风抖振力下的应力时程进行了计算,由雨流计数法程序统计得到等效应力幅,分析了矮寨桥吊索的疲劳可靠度。计算结果显示疲劳可靠度指标基本上随着吊索长度的减短而减小,跨中短吊索疲劳可靠指标仅为3.062。根据吊索在寿命期内的退化规律,综合考虑疲劳可靠指标在寿命期内的变化,拟合了一个考虑时间和吊索长度的疲劳可靠指标计算公式。(5)对矮寨桥吊索结构提出初步的改进设计,提高了吊索的疲劳可靠指标,并和原设计对比了全寿命期成本。介绍了吊索系统在全寿命期的检查、养护和更换吊索的方法和目前的吊索结构防腐的新材料新技术发展。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 悬索桥概述  11-15
    1.1.1 悬索桥的发展简介  11-13
    1.1.2 悬索桥的分析计算理论  13-15
  1.2 全寿命周期分析理论  15-16
  1.3 结构可靠度理论研究  16-17
  1.4 紊流场中桥梁抖振及疲劳问题的研究现状  17-18
  1.5 本文的研究背景和主要内容  18-20
第2章吊索抗力退化分析  20-37
  2.1 概述  20
  2.2 吊索防护破损机理  20-23
  2.3 吊索钢丝抗力退化机理  23-28
    2.3.1 腐蚀的影响  23-27
    2.3.2 疲劳的影响  27-28
  2.4 矮寨大桥吊索抗力退化分析  28-36
    2.4.1 矮寨大桥环境概述  28-29
    2.4.2 防护体系使用寿命预测  29-31
    2.4.3 吊索在酸雨腐蚀环境中抗力退化  31-36
  2.5 本章小结  36-37
第3章矮寨大桥吊索寿命期内的动态可靠度  37-63
  3.1 概述  37
  3.2 结构可靠度理论  37-44
    3.2.1 极限状态方程  37-38
    3.2.2 结构可靠指标  38-39
    3.2.3 可靠度计算方法  39-44
  3.3 桥梁结构荷载模型  44-49
    3.3.1 恒载模型  44-45
    3.3.2 车辆荷载模型  45-46
    3.3.3 风荷载模型  46-47
    3.3.4 温度荷载模型  47-49
    3.3.5 考虑剩余使用寿命期的可变荷载参数修正  49
  3.4 有限元模型  49-55
    3.4.1 实桥简介  49-51
    3.4.2 分段悬链线理论  51-53
    3.4.3 有限元模型的建立  53-55
  3.5 矮寨大桥吊索寿命期内动态可靠度  55-62
    3.5.1 矮寨大桥荷载组合及最不利荷载  55-57
    3.5.2 随机变量选取和可靠度计算方法  57
    3.5.3 吊索寿命期内的动态可靠度  57-60
    3.5.4 吊索寿命期动态可靠度的参数敏感性分析  60-62
  3.6 本章小结  62-63
第4章悬索桥吊索风致抖振疲劳可靠度计算  63-86
  4.1 概述  63
  4.2 随机风场的数值模拟  63-70
    4.2.1 随机风场模拟概述  63-64
    4.2.2 Deodatis's谐波合成法  64-65
    4.2.3 改进的谐波合成法  65-66
    4.2.4 矮寨桥实际脉动风场模拟  66-70
  4.3 桥梁抖振风荷载计算  70-74
    4.3.1 概述  70
    4.3.2 抖振风荷载计算公式  70-72
    4.3.3 矮寨大桥抖振力模拟  72-74
  4.4 疲劳可靠度  74-79
    4.4.1 材料的S-N曲线  74-75
    4.4.2 结构的疲劳寿命和疲劳可靠度  75-78
    4.4.3 雨流计数法  78-79
  4.5 矮寨大桥吊索疲劳可靠度计算  79-85
    4.5.1 全桥吊索疲劳可靠度比较  79-82
    4.5.2 考虑抗力衰减的吊索疲劳可靠度  82-85
  4.6 本章小结  85-86
第5章吊索延长使用寿命的分析和对策  86-94
  5.1 概述  86
  5.2 改进设计的影响  86-90
    5.2.1 疲劳可靠指标的比较  86-89
    5.2.2 经济指标的比较  89-90
  5.3 吊索系统的检查、养护和更换  90-91
    5.3.1 吊索系统的检查  90
    5.3.2 吊索系统的养护维修  90-91
    5.3.3 吊索系统的更换  91
  5.4 提高吊索防腐能力的新材料和新技术  91-93
    5.4.1 Galfan合金镀层钢丝  92
    5.4.2 CFRP材料  92
    5.4.3 复合防腐体系  92-93
  5.5 本章小结  93-94
结论与展望  94-96
参考文献  96-100
致谢  100

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