基于长期动态应变监测数据的大跨钢桥时变疲劳可靠度评估

Based on the 15-year monitoring data from the long-term structural health monitoring system instrumented on the Tsing Ma Bridge, this research project aims to investigate the fatigue performance deterioration mechanism of the structural components in steel bridges under the combined effect of traffic loading and environmental factors using theoretical analysis, numerical simulation, and model experiments. In recognition of the excavated inherent characteristics and long-term variation rules of the monitoring data, the method of multi-component data structure analysis and multi-modal probabilistic modeling of stress spectra will be developed. Additionally, a general hot spot stress method for fatigue life assessment of welded components in steel bridges based on the master S-N curve method will be exploited to effectively solve the randomness in determining the structural hot spot stress of welded components in steel bridges as well as the restriction in selecting the S-N curves. Furthermore, an analytical model considering multiple effects for fatigue reliability assessment of the structural components in steel bridges will be established, and the limit state equation of fatigue damage will be formulated based on the structural reliability theory. The time-variant characteristic of the probabilistic model of stress spectra and the deterioration model of the fatigue resistance will be investigated. A data-driven method for time-dependent fatigue reliability analysis of the structural components in steel bridges will be derived based on Bayesian theory. The results of this research project will provide a basis for the probability-based fatigue design theory and assessment method for the structural components in steel bridges, which have a great value in theoretical development and practical significance.

本项目以青马大桥结构健康监测系统获取的15年长期监测数据为基础，应用理论分析、数值模拟以及模型试验相结合的方法，围绕交通荷载与环境因素共同作用下钢桥结构构件的疲劳性能退化机理这一关键科学问题开展系统性的理论研究。在充分挖掘监测数据内在特征及长期变化规律的基础上，提出多组分数据结构分析方法及应力谱多模态概率建模理论。发展针对钢桥焊接构件的主S-N曲线通用热点应力疲劳寿命分析方法，有效解决钢桥焊接构件疲劳寿命评估现存的结构热点应力确定随机性和S-N曲线选择受限性的问题。建立考虑多因素共同作用的钢桥结构构件疲劳可靠度评估模型，基于结构可靠度理论建立疲劳损伤极限状态方程，研究应力谱概率模型时变特性及疲劳抗力退化模型，以贝叶斯理论为基础，发展基于数据驱动的钢桥结构构件时变疲劳可靠度分析方法。本项目的研究成果将为基于概率的钢桥结构构件疲劳设计理论与评估方法提供依据，具有重要的理论价值和现实意义。

本项目运用理论分析、数值模拟以及现场监测相结合的方法，以青马大桥结构健康监测系统获取的15年长期监测数据为基础，针对交通荷载与环境因素共同作用下钢桥结构构件的疲劳性能退化机理这一关键科学问题开展了系统性的研究。主要成果及科学意义包括：. (1) 提出了交通荷载与环境因素共同作用下钢桥结构构件应力谱的多组分数据结构分析方法。发展了基于遗传算法的混合参数估计算法，不仅适用于应力幅的多模态建模，也能构建平均应力和应力幅组成的二维联合概率密度函数。将有限混合分布方法和基于遗传算法的参数估计算法相结合，应用于青马大桥监测数据的多模态建模与分析。. (2) 建立了钢桥焊接构件结构热点应力确定方法及疲劳分析模型。研究了钢桥焊接构件的受力特性及应力分布，建立了相应的结构热点应力分析方法。发展了普遍适用于钢桥焊接构件疲劳寿命预测的主S-N曲线疲劳分析模型，解决了现有钢桥疲劳分析方法中热点应力确定随机性以及S-N曲线选择受限性的问题。. (3) 发展了考虑多因素共同作用的钢桥结构构件疲劳损伤解析模型及时变疲劳可靠度分析方法。基于青马大桥长期结构健康监测数据，利用多模态分布模型和疲劳可靠度模型，研究了青马大桥焊接节点的时变疲劳可靠度，并比较分析了考虑和未考虑钢材锈蚀的焊接节点疲劳寿命失效概率和可靠度指标。基于贝叶斯更新理论，建立了钢桥长期监测数据动态建模分析框架。. (4) 网格不敏感结构热点应力确定方法的建立及试验验证。利用有限元分析及相应的后处理程序，对典型焊接节点结构热点应力计算中的单元类型选择、单元尺寸划分、焊缝模拟方法等进行了比较分析研究。依据网格不敏感热点应力确定方法分析结果，提出了热点应力现场实测中的传感器布置策略及优化方案。. (5) 本项目的研究成果可以为新建钢桥的疲劳设计以及现役钢桥的疲劳评估提供参考，发展的基于主S-N曲线法的典型钢桥焊接节点疲劳寿命评估方法已应用于杭州跨京杭大运河昌运桥的疲劳性能监测与评估。