复杂因素耦合作用下斜拉索疲劳寿命可靠性评估方法研究

斜拉索是斜拉桥易损的主要承重构件，环境侵蚀和荷载的长期效应等灾害因素耦合作用将不可避免地导致斜拉索损伤积累和抗力衰减，健康监测技术为评估结构状态提供了新的手段，是健康监测研究领域的重要方向之一。本项目采用试验、理论分析和健康监测系统的监测数据，从高强钢丝和斜拉索结构两个尺度研究复杂因素耦合作用下斜拉索的疲劳寿命预测模型。首先研究斜拉索PE套管内高强钢丝在复杂局部环境下的腐蚀随机过程，分析腐蚀高强钢丝在监测荷载作用下的腐蚀疲劳裂纹扩展，建立高强钢丝疲劳寿命预测模型；其次研究PE套管内局部微环境中，斜拉索高强钢丝之间腐蚀退化过程的相关性，进一步建立初始缺陷相关的斜拉索结构疲劳寿命预测模型；最后研究基于健康监测系统监测数据的斜拉索断丝数目的概率模型更新方法。本项目将形成一种正常运营状况下斜拉索疲劳寿命可靠性评估方法，发展和丰富桥梁结构全寿命设计理论，为保障大跨度斜拉桥服役安全提供理论基础。

本研究首先通过加速腐蚀试验研究斜拉索和高强钢丝的腐蚀随机过程，建立均匀腐蚀和点蚀模型；其次通过力学性能试验，研究高强钢丝在腐蚀作用后的力学性能退化状态；最后依据以上结果分析腐蚀疲劳裂纹扩展规律，并通过车辆荷载的极值建模研究拉索的极值荷载效应，对斜拉索运营状态进行评估。依据本项目的研究成果，形成了一种正常运营状况下斜拉索疲劳性能退化状态的辨识方法，推进了桥梁结构状态评估的智能化水平，为保障大跨度斜拉桥服役安全提供理论基础。并依据研究成果，建立了世界范围内首个真实桥梁结构拉索状态评估的Benchmark模型，得到世界范围内健康监测课题组的采用。同时将相关实验数据编写入应用软件，获得了软件著作权。.斜拉索高强钢丝的均匀腐蚀可分为镀锌层腐蚀和钢腐蚀两个阶段，其均匀腐蚀深度服从对数正态分布，均值和标准差都随腐蚀周期的增长而增大。点蚀系数不随时间的变化而变化，区间点蚀系数服从Gumbel分布，可由位置参数和形状参数唯一确定。高强钢丝的力学特性可以用双线性四参数弹塑性模型来描述。弹性模量和极限拉应变服从正态分布，屈服强度和极限强度服从威布尔分布。极限抗拉强度均值随着腐蚀时间的增长而降低，同时标准差增加，并且抗拉强度与屈服强度之间表现出强线性的相关关系。.最后应用上述分析结果可得到高强钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展深度概率分布以及断丝率随时间变化的规律。由斜拉索内钢丝分层分布情况，可计算斜拉索的剩余面积及剩余持荷能力。腐蚀疲劳裂纹扩展深度及横截面损失服从广义极值分布，其均值、方差以及断丝率都随服役时间的增长而增大。.在拉索抗力衰减研究的基础上，还研究了基于Bayesian车辆荷载的建模方法，建立了尾分布阈值选择的方法。同时利用健康监测数据对车辆荷载的极值模型中的参数进行更新，使得更新后的模型能够更好的反应桥梁结构真实的车辆荷载的状况。