基于健康监测的钢筋混凝土桥梁结构全寿命设计理论与方法

本项目针对钢筋混凝土桥梁主要荷载-车辆荷载和主要损伤-钢筋锈蚀，结合桥梁健康监测系统采集的相关数据，研究车辆荷载和荷载效应的概率模型及参数更新方法，研究建立车辆荷载模拟的随机模型。针对氯离子导致的钢筋锈蚀，考虑不同配合比、掺合料等因素，通过CT试验研究氯离子扩散系数的影响因素，建立二维氯离子扩散模拟的有限元模型，考虑边界条件与氯离子扩散系数的时变性，研究钢筋的初始锈蚀时间和钢筋混凝土桥梁构件的抗力衰减速率，建立构件时变可靠指标的计算模型，并通过健康监测数据反演更新抗力衰减模型；研究基于健康监测数据的荷载与抗力模型不确定性及桥梁结构失效风险分析方法，发展基于Markov决策过程的钢筋混凝土桥梁结构全寿命设计理论，研究钢筋混凝土桥梁的最优初始投资与后续维修决策，研究健康监测系统的最优建造成本，最终建立基于健康监测的钢筋混凝土桥梁结构全寿命设计理论与方法。

结构健康监测技术是保障大型桥梁服役安全的有效手段之一，本项目着重开展基于健康监测的钢筋混凝土桥梁结构全寿命设计理论与方法的研究。本项目取得的主要研究成果和结论：（1）高速公路桥梁车辆荷载双对数正态分布模型，模型由轻型车辆和重型车辆不同的出现概率、不同分布参数的对数正态分布加权得到；系统建立了高速公路桥梁疲劳荷载谱及车流量预测和更新方法。（2）建立了基于健康监测的拉索车辆活荷载效应分布、活荷载效应极值分布及拉索疲劳荷载效应模型；拉索车辆活荷载效应及其极值分别服从Weibull分布和极值I型分布，荷载效应的概率分布对其极值分布影响较大；拉索如果仅受到疲劳荷载作用，在设计服役期30年内，拉索不会发生疲劳破坏。（3）腐蚀钢丝的实验表明：腐蚀对钢丝的弹性模量和强度影响较小，但对延性影响较大，腐蚀会极大地降低钢丝的疲劳寿命。（4）拉索的疲劳寿命由拉索内小部分疲劳寿命较短的钢丝控制，建议以10%断丝率作为拉索疲劳寿命的终止；拉索疲劳寿命的参数分析表明，长度效应和钢丝疲劳寿命的变异性对拉索疲劳寿命影响较大。（5）建立氯离子侵蚀环境下钢筋混凝土内钢筋初锈时间预测方法，钢筋阻滞作用导致氯离子扩散前沿范围内的自由氯离子浓度明显大于不考虑阻滞作用时的自由氯离子浓度，且越靠近钢筋的位置，考虑钢筋阻滞作用时自由氯离子浓度越高；边界浓度较小时，阻滞作用对钢筋初始锈蚀时间的影响越明显，同时边界浓度较小时，保护层厚度越小，阻滞作用影响越明显；相同条件下，保护层厚度越大，与矩形截面相比圆形截面对钢筋初锈时间影响越明显，且浓度小的时候圆形截面影响更明显。（6）建立钢筋混凝土桥梁全寿命设计方法，研究表明，随着全寿命周期内检测次数的增加，检测和维修费用逐渐增加、失效损失逐渐减小，全寿命总成本先减小并达到最优而后逐渐增加，可靠指标则逐渐增加；检测维修次数和检测精度对桥梁结构全寿命周期成本影响较大；折现率越高全寿命周期应该进行越多的检测维修，且折现率高时应该缩短结构的服役期；初始设计时有针对性地、合理地通过提高初始造价来提高结构的耐久性是有效减小结构全寿命周期总成本的一种有效途径。