大跨索承钢箱梁桥时-空多尺度温度作用及其效应研究

To fulfill the requirement of quantitatively evaluating thermal loads and thermal efforts in long-span bridges, the time-space multiscale thermal loads and their effects in long-span cable supported steel box-girder bridges will be throughoutly studied. The main contents are as following: 1) The spatial thermal boundary conditions, which has the capability of exactly modeling the work environment, will be developed based on field measured data. Then, the mathematical model of coupling sloar radiations, heat and airflow in the interface bwtween the air and the solid will be established. After that, the numerical method of simulating the tridimensional temperature distribution in a total bridge subjected to the coupling effects of sloar radiations, heat and airflow will be proposed. 2) The state-space model of heat transfer will be deduced by combining distribution models of tridimensional temperature field, the spatial thermal boundary conditions, and the thermodynamic equation. Then, the reconstitution method for the tridimensional temperature field in a total bridge will be proposed based on monitoring data recored by limited temperature sensors. 3) The method of simulating long-term stochastic temperature time histories by using short-term monitoring temperature data will be proposed, and the technology of predicting extreme temperatures by using a few temperature samples will be developed. Then, the models of time-space multiscale thermal loads for condition assessment and structural design will be established. 4) The generation mechanism and the evolution law of spatial multiscale thermal effects will be found out. Then, the quantitative model among thermal loads, thermal effects, and time scales will be developed. After integtrated and verified by data measured in a practical long-span cable supported steel box-girder bridge, the models of time-space multiscale thermal loads and the methods of calculating time-space multiscale thermal effects will be finally developed.

针对大跨桥梁温度作用及其效应定量化评价的迫切需求，本项目以大跨索承钢箱梁桥为研究对象，对时（时间）—空（三维）多尺度温度作用及其效应开展深入的理论研究，主要包括：1）基于实测数据建立反映服役环境的空间热边界条件，构建辐射—热量—气流在气—固边界上的耦合传热数学模型，建立辐射—热—流耦合作用下全桥三维多尺度温度场的模拟方法；2）提出结合三维温度场分布模式、空间热边界条件和热力学方程的热传导状态空间模型，形成基于有限温度测点监测数据的全桥时—空多尺度温度场重构方法；3）建立基于短期监测数据的长期温度时程随机模拟方法和基于少量温度样本的极值温度预测方法，给出面向评估和设计的时—空多尺度温度作用模型；4）揭示时—空多尺度温度效应的产生机理和演化规律，提出温度作用—温度效应—时间尺度之间的量化关系模型。通过系统集成与现场试验验证，最终建立大跨索承钢箱梁桥时—空多尺度温度作用模型和温度效应分析方法。

准确的温度作用及其效应不仅是保证大跨桥梁设计安全的重要前提，也是确保大跨桥梁长期服役性能准确评估的关键环节，已成为桥梁工程和结构健康监测领域的研究热点。本项目对“大跨索承钢箱梁桥时-空多尺度温度作用及其效应”的关键科学问题开展了深入研究，主要成果包括：.揭示了大跨索承钢箱梁桥的测点温度和截面有效温度的强时间相关性以及温度日变化和三维温度梯度的弱时间相关性，给出了不同材料的日温度变化特征；建立了钢箱梁温度梯度的概率分布模型，给出了钢箱梁50年重现期和100年重现期的横向和竖向温度梯度分布模型。.提出了基于Copula函数的多维温度变量联合概率模型建立方法，给出了大跨索承钢箱梁桥温度和温差的联合分布模型；建立了任意概率密度函数下样本生成的数值逆变换抽样方法，并进一步给出了样本的时间修正方法，形成了大跨索承钢箱梁桥温度场的模拟方法。.建立了大跨索承钢箱梁桥温度作用极值估计的区间极值法，给出了钢箱梁温度竖向和横向温度梯度的极值分布模型；提出了考虑数据更新的大跨索承钢箱梁桥温度作用的极值分布估计方法，实现了全寿命期不同置信水平的温度作用极值的可靠预测。.获得了大跨索承钢箱梁桥的温度变形规律，揭示了大跨索承钢箱梁桥的竖向温度变形和纵向温度变形的机理；提出了考虑时滞效应的大跨索承钢箱梁桥多元温度-位移非线性映射模型的建立方法，实现了多元温度变量输入下温度变形的有效预测。.研究结果为进一步完善桥梁设计理论和评估结构长期性能提供了关键信息，为大跨索承钢箱梁桥的科学运营、管理和维护提供了技术支撑。