在役斜拉桥拉索的腐蚀损伤寿命预测及振动控制方法研究

According to the deficiency of shortest life of cable relative to other stress componets such as beam, tower and bridge deck of large-span cable-stayed bridge, the key problem that some cable in service cannot be made full use of due to the corrosion damage is solved by means of theroretical analysis, numerical simulation and model test, which are different from the existing researches on remaining life assessment and vibration control of cable. The following research will be carried out: Firstly, models will be built up about intensity of the constitutive relation of probabilistic sense and corrosion monitoring; real-time reliability assessment and life prediction of cable will be proceed based on the bayesiann dynamic linear prediction theory; and vibration on cable will be active controlled based on the sliding mode algorithm, in order to reduce cable's accumulated fatigue damage. Also, the model test will be carried out to verify accuracy of predicting cable reliability by bayesian dynamic linear prediction model, and the reliability of active control by sliding mode. At last, the field monitoring data of a cable-stayed bridge with health monitoring system will be utilized to analyze the stay cable on which corrosion fatigue damage and the vibration response, to ensure that the cable in service with serious corrosion damage can be replaced in time. The research results will provide the theoretical accumulation and technical support for remaining life assessment of flexible class structure under multi-field coupling and complex environment, and the vibration control issue of dynamics.

针对大跨斜拉桥拉索相对梁、塔、桥面等其他受力构件寿命最短的不足，区别于现有文献对拉索剩余寿命评估及振动控制问题展开研究，以理论分析、数值模拟及模型试验为研究手段，旨在解决部分在役拉索由于腐蚀损伤寿命不能充分利用这一关键性问题。拟开展以下探索性研究：首先，构建概率意义上的本构关系强度模型及腐蚀监测模型，进行基于贝叶斯动态线性预测理论的实时可靠度评估及寿命预测分析，并基于滑移模态算法对拉索振动进行主动控制，以减少其疲劳损伤积累；同时，利用模型试验进一步验证贝叶斯动态线性预测模型对拉索可靠度预测的准确性及滑移模态主动控制的可靠性；最后，结合我国一座已建立健康监测系统的斜拉桥结构，利用现场监测数据，对拉索的腐蚀疲劳损伤及振动反应进行追踪分析，确保存在严重腐蚀损伤的在役拉索能够及时更换。本项目得以完成，为柔性类结构在多场耦合和复杂环境作用下剩余寿命评估和动力学振动控制问题研究提供理论积累和技术支持。

在役斜拉桥拉索的腐蚀损伤寿命预测及振动控制方法研究已成为桥梁工程领域亟待开展的课题。本项目重点以拉索本构关系强度模型及腐蚀监测模型为着手点，分析拉索的剩余寿命，并对影响拉索寿命的振动控制开展相关研究。对以下几个问题进行了探讨：.①对国内某斜拉桥换下的腐蚀斜拉索的腐蚀程度、力学性能、疲劳性能进行系统的试验研究。研究斜拉索钢丝的均匀腐蚀程度和点蚀程度及其概率分布；研究腐蚀对钢丝弹性模量、屈服强度、极限强度、极限应变、延伸率、反复弯曲性能的影响，建立腐蚀钢丝应力－应变本构关系模型及其模型特征点的概率分布模型，研究腐蚀拉索的荷载－应变本构关系；研究腐蚀钢丝及拉索的疲劳寿命，揭示腐蚀对钢丝和拉索疲劳寿命的影响。.②利用各种钢丝强度试验数据和智能拉索现场监测数据，采用纤维束强度模型，研究平行钢丝斜拉索安全评定方法。研究新的、未腐蚀和腐蚀三种钢丝和拉索的强度概率分布参数及拉索承载力可靠度，分析拉索长度和钢丝数量对拉索强度的影响规律，采用PSO方法进行基于拉索可靠度的参数敏感性分析。建立基于疲劳极限状态的拉索可靠度计算方法，研究新索和腐蚀拉索疲劳可靠度指标随服役时间的衰减规律，揭示腐蚀是拉索疲劳极限状态的控制因素，腐蚀后拉索的安全由疲劳极限状态控制，而腐蚀对拉索承载力极限状态影响较小。.③针对斜拉桥拉索与桥面耦合振动的参激共振问题，区别于弹簧-质量块、拉索-质量块等参激共振模型，建立了索-梁耦合的参激共振模型，推导了无量纲参激共振微分方程组，利用多尺度近似求解方法对系统的参激共振特性进行探讨，并以实际斜拉桥工程中的拉索为研究对象，利用四阶龙格-库塔方法进行了多种工况下的数值模拟分析；.④基于状态空间方程和最优控制原理，得到了斜拉索参数共振的最优控制律，对拉索的参数共振进行了主动控制研究，并与无控状态的拉索跨中位移进行了对比，能够很好的控制参数共振，控制效果明显。