钢管混凝土拱桥病害机理及承载能力评估方法研究

Concrete filled steel tube (CFST) arch bridges have been widely used at home and abroad. However, because the study on the structural behaviors of CFST arch bridges lags behind its construction, and there is no corresponding design code to guide the design, so in their service period there is a big security risk, so it is very important to analyze the disease mechanism and to evaluate their actual bearing capacity by means of reasonable, efficient, accurate detection technology. The research of this project focuses on the CFST bridges. Based on field test data, the nonlinear finite element analysis models of CFST arch bridge with different disease will be established to invert disease causes and evolution mechanism, and the development trend of the disease and the influence on the bearing capacity will be studied. Then the bearing capacity and the value at risk of structure capability to resist disasters during various service phases of existing CFST bridge will be correctly evaluated, and the carrying capacity reducing in the future and the remaining life of bridge structure will be predicted. The global and local detection properties information of CFST bridge is dealt with by the detection data information fusion technology, which is also adopted to develop the CFST arch bridge damage identification method, to establish a set of bearing capacity detection system and evaluation system for existing CFST bridge. The research results can provide scientific basis for the CFST bridge maintenance and disaster warning.

钢管混凝土（简称CFST）拱桥在国内外有着广泛的应用，然而由于其结构行为的研究远远滞后于其建设规模，并且尚未有相应的设计规范来指导设计，所以其在服役期间存在较大的安全隐患，分析其病害机理并采用科学、合理、高效、准确的评估检测手段评估其实际承载能力显得非常重要。本项目以CFST 拱桥为研究对象，基于现场检测数据，建立不同病害下CFST 拱桥非线性基准有限元计算分析模型，反演既有CFST 拱桥的病害成因及演化机理，预测其病害发展趋势及对拱桥承载能力的影响，正确评估既有CFST 拱桥服役期间各阶段的承载力和结构抗灾害能力的风险值，并预测该桥梁结构未来承载力降低情况及剩余寿命，采用检测数据信息融合技术处理CFST 拱桥整体和局部性态检测信息，并发展基于信息融合技术的CFST 拱桥损伤识别方法，建立一套在役CFST 拱桥承载能力检测技术系统和评估体系，为CFST 拱桥管养和灾害预警提供科学依据。

本项目以钢管混凝土（CFST）拱桥为研究对象，采用理论推导、有限元数值模拟、现场检测和模型试验的研究方法，完成了以下研究工作：（1）钢管表面局部损伤的CFST拱极限承载能力的研究。共完成了60根钢管表面不同损伤情况的CFST拱的试验研究，分析了带局部损伤的两端固接抛物线CFST拱在五点竖向对称荷载作用下的受力全过程，实时追踪了拱在整个试验加载过程中的内力、变形和破坏模态；分析了损伤深度损伤位置和损伤长度对CFST拱极限承载能力的影响规律。（2）地震动下CFST拱桥桥墩损伤评估及加固方法。研究了普通钢筋混凝土、钢管混凝土、劲性骨架混凝土拱桥桥墩的地震破坏形态和破坏机理、荷载—位移滞回曲线、骨架曲线、滞回耗能、荷载退化、刚度退化、延性变形和最小残余塑性变形，揭示了不同类型拱桥桥墩的特点和耗能的薄弱部位；对比分析了碳纤维布加固前后钢筋混凝土、劲性骨架混凝土拱桥桥墩的抗震性能，并验证了通过粘钢加固使桥墩塑性铰转移加固方案的可行性，建立了通用性较好的双向恢复力理论模型，阐明了损伤桥墩的抗震加固力学行为。（3）CFST桁架拱结构界面部分脱粘对钢管混凝土粘结界面力学性能的影响研究。设计制作了16组CFST桁梁拱试件，对CFST桁架拱粘结界面进行了不同程度的处理，完成了钢管内壁抹油脂和刮毛处理的对比实验，考察了其对CFST拱界面粘结性能的影响；分析了不同脱空高度对CFST桁架拱极限承载力和结构刚度的影响。（4）采用信息融合技术采集了CFST 拱桥损伤信息，提出了基于信息融合技术的CFST 拱桥损伤识别方法，建立了带损伤的CFST 拱桥承载能力评估方法，制定了灾害预警与实时诊治机制。本项目已取得如下成果：（1） 在《Composite Structure》(JCR一区期刊)《Steel and Composite Structure》(JCR一区期刊)、《Journal of Bridge Engineering-ASCE》国内外学术刊物发表科研论文15篇 ，其中被SCI检索7篇；（2） 于2016年获软件著作权1项；（3）部分成果于2015年获得广东省科技进步三等奖；（4）培养硕士研究生3名； （5）课题组成员两人晋升高级职称。