多因素共同作用下确定土木工程结构薄弱处的方法研究

在土木工程结构的长期使用过程中，不可避免地受到环境侵蚀、材料老化与荷载效应等因素的作用而在结构内部出现不同程度的损伤，严重的以至于发生倒塌事故。在整个结构倒塌过程中，最为关键的是首先发生失效的位置，在本项目中称之为结构薄弱处。本项目对多因素共同作用下如何确定土木工程结构中的薄弱处展开研究。首先，根据现场实测得到的材料参数及修正的材料性能下降曲线，计算结构中各处的实际承载力，并根据损伤识别结果相互验证；其次，分析结构外荷载变化、材料性能变化引起的结构内力重分布以及动力荷载引起的结构疲劳寿命的降低程度，以此来确定结构所受到的真实荷载效应。最后通过比较结构各处的实际承载力与荷载效应，二者最接近的位置即为结构在当前状态下的薄弱处。本项目将结构损伤引起的承载力下降与荷载变化引起的荷载效应增加结合起来考虑，建立一套结构薄弱处分析方法，对于保证结构的安全使用、减少人民生命财产损失有着重要意义。

在土木工程结构的长期使用过程中，不可避免地受到环境侵蚀、材料老化与荷载效应等因素的作用而在结构内部出现不同程度的损伤，严重的以至于发生倒塌事故。在整个结构倒塌过程中，最为关键的是首先发生失效的位置，在本项目中称之为结构薄弱处。随着结构使用年限的增加，结构中各部分材料退化程度也有所不同，而且外荷载变化导致各部分内力变化也并不相同，因而结构中承载力与实际荷载效应最接近的地方并不同于理论计算出的结构内力最大处。本项目考虑在多因素共同作用下如何找到结构内部的薄弱处，主要从结构承载力分析、荷载效应分析及根据二者确定结构薄弱处等三个方面展开研究，全部计划任务均以完成。在承载力方面，本项目主要针对结构材料性能退化展开研究，包括基于人工神经网络的混凝土实时强度预测及锈蚀钢筋混凝土构件承载力退化分析。在荷载效应方面，主要进行了钢筋混凝土梁开裂后变形及应力分析、疲劳荷载作用后锈蚀钢筋混凝土梁承载力分析、基于水泥基压电传感器的结构荷载监测研究。综合上述研究成果，可以确定土木工程结构内部的薄弱位置。首先，根据预埋在结构内部的传感器测定结构上外荷载的变化，根据实测的结构荷载计算结构各构件的内力。其次，获取结构材料的实时参数，包括：实测得到结构混凝土强度及利用人工神经网络预测的结构中难以测到的混凝土强度，根据实测得到的钢筋锈蚀程度确定结构内钢筋的剩余强度及截面面积，根据实测得到结构外荷载产生的疲劳效应确定钢筋的剩余屈服强度及有效截面面积；之后，根据前一步得到的结构材料实时参数及本研究中提出的疲劳锈蚀构件承载力计算公式来计算结构内各构件的实际承载力，并根据结构内实测的开裂情况加以修正；最后，根据前述计算得到的结构内各构件的实际内力与实际承载力进行比较，二者最为接近的构件即为该土木工程结构内部的薄弱处。本项目将材料性能退化引起的承载力下降与荷载变化引起的荷载效应增加结合起来考虑，建立了一套结构薄弱处分析方法，对于保证土木工程结构的安全使用、制定有效的结构管理养护策略、降低结构寿命期总费用有着重要意义。