酸雨环境下既有拱桥吊杆抗力衰减规律与寿命预测方法研究

Suspender is the key element of through and half-through arch bridges and it is also the element most sensitive to damage. Suspender damage and failure have already been the main factor influencing the service life of through and half-through arch bridges. This research project takes arch bridge suspender as the research object and puts the focuses on the degradation process of suspender resistance and prediction of residual service life. Firstly, the characteristics of suspender load effect randomness and fatigue load effect are studied, the modeling method for probabilistic model of traffic-load effect and its extreme value are presented, and the prediction method for suspender cumulative damage beyond monitoring period is presented too. Then, the characteristics are researched about steel wire coupling damage and suspender resistance during the long-term degradation process in acid rain environment, and the time-variant probabilistic model of suspender resistance degradation process is given. Finally, based on the research above and the theory of time-variant reliability analysis, the prediction approach of residual service life of existing arch bridge suspender is studied. This research project through the research on the characteristics of suspender resistance during the long-term degradation process in acid rain environment, presents the prediction approach of residual service life of existing arch bridge suspender, and the research results provides a theoretical basis for ensuring the service safety of through and half-through arch bridge.

吊杆是中、下承式大跨径拱桥的主要承重构件，也是拱桥结构体系中对损伤最为敏感的构件，吊杆的损伤与破坏已经成为影响中、下承式大跨径拱桥服役寿命的主要因素。本课题以既有中、下承式拱桥的吊杆为研究对象，重点研究吊杆抗力衰减规律与剩余寿命预测方法。首先，利用监测数据，研究吊杆荷载效应随机性的特征与疲劳荷载效应的特征，建立吊杆车辆荷载效应及其极值的概率模型，给出非监测时段内吊杆疲劳累积损伤的预测方法。然后，分析酸雨环境下钢丝的耦合损伤演化规律与吊杆的抗力衰减规律，建立吊杆抗力衰减的时变概率模型。最后，在上述研究的基础上，基于时变可靠度理论研究既有拱桥吊杆剩余寿命的预测方法。本课题通过对酸雨环境下吊杆抗力衰减规律的研究，将形成一种既有拱桥吊杆剩余寿命的预测方法，为保障既有中、下承式拱桥的服役安全性提供理论基础。

吊杆是中、下承式大跨径拱桥的主要承重构件，也是拱桥结构体系中对损伤最为敏感的构件，吊杆的损伤与破坏已经成为影响中、下承式大跨径拱桥服役寿命的主要因素。本课题以既有中、下承式拱桥的吊杆为研究对象，重点研究吊杆抗力衰减规律与剩余寿命预测方法。首先，针对我国拱桥吊杆的实际服役现状问题，系统归纳了总结了拱桥吊杆的常见病害及其成因，指出腐蚀与疲劳是拱桥吊杆的主要损伤形式，腐蚀与疲劳的耦合作用是导致吊杆服役寿命降低乃至断裂的主要原因。然后，针对拱桥吊杆车辆荷载与疲劳荷载效应概率模型建模问题，利用监测数据，研究了吊杆荷载效应随机性的特征与疲劳荷载效应的特征，指出较重车辆荷载是导致吊杆疲劳累积损伤的主要荷载，其疲劳应力幅与平均应力具有近似呈线性的特点；建立了吊杆车辆荷载效应及其极值的概率模型，提出了建立吊杆车辆荷载效应概率模型的非参数统计方法和建立车辆荷载效应极值概率模型的方法；在此基础上，提出了非监测时段内疲劳累积损伤程度的计算方法和剩余服役期内疲劳累积损伤程度预测方法。然后，针对酸雨环境下钢丝的耦合损伤演化规律与吊杆的抗力衰减规律问题，采用浸泡和盐雾两种方法模拟锚头积水与索体湿热两种服役环境，研究了酸雨环境下钢丝的损伤演化规律，指出由于腐蚀产物的包裹防护作用，使得镀锌层腐蚀速率随时间增加而降低，铁基体则相反；基于损伤力学与断裂力学的基本理论，提出了钢丝名义剩余强度的计算公式。分析了吊杆抗力的衰减过程，进而采用脆性钢丝模型作为吊杆剩余承载能力的计算模型，借鉴纤维束强度计算理论给出了吊杆在腐蚀与疲劳耦合损伤作用下、在抗力衰减各阶段的剩余承载能力的计算方法。将服役构件抗力的不确定性归结为构件损伤的不确定性，提出了改进的服役构件抗力衰减独立增量随机过程模型并将其应用于吊杆。最后，针对吊杆服役寿命预测问题，采用随机变量描述服役吊杆的剩余寿命，给出了基于时间离散法的服役吊杆时变可靠度的计算方法。本课题通过对酸雨环境下既有拱桥吊杆抗力衰减规律的研究，建立了吊杆剩余寿命的预测方法，为保障既有中、下承式拱桥的服役安全性提供了理论基础。