大跨径混凝土斜拉桥主梁疲劳演变机理与评估方法研究

The negative effect of larger stress amplitude of live load and positive effect of elastic system supported with several cables act the girder of long-span concrete cable-stayed bridge together. The fatigue problem of cable-stayed bridge is more complicated than the normal concrete girder bridge. The material nonlinear, damage delegation and cycle-load of vehicle are considered in this study. A novel methodology for study fatigue behavior of long-span concrete cable-stayed bridge is proposal. It includes the inner and outer reason of fatigue, and a multi-layer of material, member, structure and system is considered. The main research tasks include: a fatigue numerical simulation for concrete cable-stayed bridge will be established. The novel test technology for concrete cable-stayed bridge under cycle loading is developed. Next, the probability feature for the inner and outer reason of fatigue is investigated. The mechanism and fatigue behavior are described by mathematical function of damage variable. Finally, the fatigue limit-state equation of bridge is established by statics and dynamics reliability analysis, considering the variable uncertainties and correlations. The time-dependent evaluating index for concrete cable-stayed bridge in the service life is proposal, and the design method for long-span concrete cable-stayed bridge can be developed.

大跨径混凝土斜拉桥主梁在运营期内由于存在活载应力幅较大的不利因素与多点索支撑弹性体系的有利因素共同作用，使得运营期内疲劳问题远比一般混凝土梁式桥要复杂。本项目旨在将主梁疲劳演化过程归结为材料非线性、损伤退化和反复车载效应。创新在于从疲劳“内、外因”，“材料-构件-结构-体系”的多层次揭示大跨径混凝土斜拉桥主梁疲劳行为。主要研究内容包括：（1）研究考虑车载效应和材料损伤的混凝土斜拉桥疲劳数值模拟方法，发展反复车载作用下混凝土斜拉桥主梁疲劳性能测试的实验技术。（2）基于斜拉桥组合体系疲劳性能试验与数值模拟方法，研究混凝土斜拉桥结构疲劳内、外因的概率特征；结合损伤变量的表征函数，揭示混凝土斜拉桥主梁疲劳演变机理与结构行为。（3）考虑随机参数不确定性与相关性，结合静、动力可靠度分析方法，从多角度建立桥梁极限状态方程，提出运营期内混凝土斜拉桥主梁的时变评估指标，完善大跨径混凝土斜拉桥设计方法。

大跨径混凝土斜拉桥主梁在运营期内由于存在活载应力幅较大的不利因素与多点索支撑弹性体系的有利因素共同作用，使得运营期内疲劳问题远比一般混凝土梁式桥要复杂。本项目旨在将主梁疲劳演化过程归结为材料非线性、损伤退化和反复车载效应。创新在于从疲劳“内、外因”，“材料-构件-结构-体系”的多层次揭示大跨径混凝土斜拉桥主梁疲劳行为。主要内容及成果包括：1）根据典型路段实际交通量特征，研究了桥梁疲劳荷载谱，基于WIM长期监测数据建立了随机疲劳车流模型。结合雨流计数法研究了混凝土斜拉桥主梁普通钢筋的疲劳应力谱，得到了斜拉桥主梁疲劳应力的概率密度特征。研究了反复荷载作用下混凝土斜拉桥塑性损伤计算模型，推导了适用于混凝土疲劳本构方程的疲劳损伤因子计算方法。2）设计并制作了部分预应力混凝土斜拉桥局部模型，开展了斜拉桥主梁在不同应力状态下的高周疲劳性能试验。发现了混凝土斜拉桥模型疲劳试验过程中结构效应随加载循环周期的变化特征，以及主梁裂缝发展稳定性。基于声发射等新型测试技术开展了预应力混凝土斜拉桥损伤试验研究，进行了声发射等参数分析，损伤定位方法和评估指标研究。3）基于混凝土斜拉桥模型静载和疲劳试验数据，结合疲劳损伤特性，研究了主梁疲劳加载过程中刚度与剩余承载力退化规律。验证了部分预应力混凝土斜拉桥主梁抗疲劳性能。以混凝土斜拉桥非线性算法为基础，考虑断裂力学模型，进一步融合信息更新技术，提出了基于贝叶斯网络的混凝土主梁疲劳寿命的可靠性预测方法。结合疲劳试验裂缝变化特征，验证了预测方法准确性。4）开展了混凝土斜拉桥主梁疲劳极限状态可靠性分析，结合累积疲劳损伤函数，研究了部分预应力混凝土斜拉桥主梁疲劳可靠指标变化特征。进一步考虑混凝土斜拉桥的斜拉索疲劳损伤，研究了在役混凝土斜拉桥运营期体系可靠度影响规律。相关研究成果将完善大跨径混凝土斜拉桥设计方法，为服役期桥梁智能运维提供科学决策。