基于全寿命可靠度的高速铁路工程结构设计理论与方法

针对高速铁路工程结构设计理论与方法当前研究的不足和发展趋势，对基于全寿命可靠度的高速铁路工程结构设计理论与方法展开系列研究。一方面，针对高速铁路土木工程结构的服役环境和受力特点，以试验研究和实际观测数据为基础，提出考虑性能退化的混凝土损伤本构关系和考虑基本因素为随机变量的时变随机承载力模型。另一方面，深入开展基于高阶矩法的结构可靠度和体系可靠度理论研究，力争形成信息更新条件下结构体系的全寿命动力可靠度分析的新理论体系，为高速铁路工程结构的精细化分析、设计与控制提供理论基础与技术支持。同时针对我国目前结构涉及规范中设计表达式存在的问题，建立易于为设计人员所接受；能采纳新材料、新构件或者引用新的荷载统计成果，并具有更广的适用范围的通用设计表达式。以此为基础编制高速铁路土木工程结构可靠度设计统一标准建议稿，形成基于全寿命可靠度的高速铁路工程结构设计体系。

本项目针对高速铁路工程结构设计理论与方法当前研究的不足和发展趋势，按照项目原定计划对基于全寿命可靠度的高速铁路工程结构设计理论与方法开展了较为系统的研究，取得了系列创新成果：(1) 基于不同服役年限的混凝土抗压强度实测数据，建立了混凝土强度经时变化规律的模型; 通过微细观物理分析，建立了混凝土疲劳随机损伤本构模型，结合概率密度演化理论，建立了混凝土工程结构疲劳可靠度分析技术。(2) 开展了受腐蚀箍筋和预应力钢绞线的力学性能、受腐蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力和受腐蚀预应力混凝土梁抗弯承载力的试验研究；提出了受腐蚀箍筋和预应力钢绞线的损伤本构模型、受腐蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力和受腐蚀预应力混凝土梁抗弯承载力的预测公式。(3) 发展了利用标准正态随机变量的一元三次多项式表示一般随机变量的理论与方法,提出了简明准确的四阶矩标准正态函数(u-x变换)的显式表达；提出了四阶矩拟正态变换(x-u变换)的完整表达；提出了快速多重Bayes积分方法，发展了信息更新条件下结构动力可靠度分析的高阶矩实用可靠度分析方法。(4) 提出了基本失效模式已知时结构体系失效功能函数的建立方法以及基于失效物理机制分析的结构体系功能函数的建立方法；发展了计算体系失效功能函数前四阶矩的有效方法-基于减维积分的点估计方法；提出了基于立方正态分布的体系失效功能函数的概率密度近似及失效概率求算方法；编制了基于高阶矩法的有限元结构可靠度分析程序，形成了基于高阶矩法的结构体系可靠度分析理论和实用分析方法体系。(5) 提出了以高阶矩法为基础的、确定荷载抗力分项系数的基本计算公式；提出了能反映全寿命周期荷载和抗力时变性的等效抗力折减系数的新公式，发展了基于高阶矩法的全寿命荷载抗力分项系数设计方法；提出了基于高阶法的、三个层次 (层次1：规范规定分项系数值；层次2：分项系数简单计算式；层次3：基于破坏概率的设计) 的高速铁路土木工程结构设计方法。项目组主办了国际学术论坛、会议7次，80多人次参加国内国际会议，12人次赴欧洲、日本等多国进行短期访问和学术考察。待出版中、英文专著各1部；发表论文41篇，其中SCI/EI收录18篇；获铁道科技奖一等奖1项；并参编了《铁路工程结构可靠性设计统一标准(试行)》。项目负责人带领的创新团队入选教育部“创新团队发展计划”、 1人获得“优青”项目资助、共培养博硕研究生(含在读)共29名。