大跨度PC斜拉桥在长期荷载作用下的时变效应研究

Various damages appear in PC cable-stayed bridges due to long-term loading in service, and these damages can affect the safeties of the structures. However, current research on time-varying effects on bridge structures is still immature and does not consider the interactions between different damages. This project focuses on the analysis of time-varying mechanical behaviour, several PC cable-stayed bridges in service are studied as engineering examples. Using the indoor experiments, full-scale measurements and finite element (FE) method, the shrinkage and creep model of concrete, corrosion model of cables and temperature loading model are modified and improved. The assembled plate-girder elements considering the initial damage and the catenarian cable elements considering the effects of corrosion are derived using energy variational principle. Using the new finite elements and the modified or improved time-varying loading models, the FE simulation models considering the time-varying effects of PC cable-stayed bridges are also developed. These models can be used for quantitative analysis of the effects of various time-varying damages to the bridges. Furthermore, they can be used as the guidance of the structural safety evaluation of PC cable-stayed bridges in service, and also help draw up the repair and maintenance methods. This project investigates various time-varying effects on PC cable-stayed bridges in service, and establishes proper bridge safety evaluation model, which can promote the development of bridge health diagnosis and treatment methods.

服役期PC斜拉桥在各种长期荷载作用下出现了不同程度的病害，直接影响到结构的使用安全。本项目针对目前结构时变效应研究较为分散、没有综合考虑各种病害之间耦合作用的现状，对大桥在长期荷载作用下的时变力学行为进行深入的研究。以多座典型PC斜拉桥为工程背景，通过室内试验、现场实测和有限元数值模拟技术，对PC斜拉桥的混凝土收缩徐变模型、拉索锈蚀模型和温度荷载模型进行了修正和完善；并采用能量原理构造PC斜拉桥服役期间考虑初始缺陷的主梁"板梁单元"和考虑锈蚀影响的悬链线拉索单元，引入修正和完善的时变荷载模型，建立了PC斜拉桥服役期间考虑时变效应的有限元分析模型。采用该模型可定量分析各时变效应对桥梁结构受力性能的影响，为服役期PC斜拉桥的结构安全评估和维修养护对策制定提供指导。本项目对服役期PC斜拉桥的各种时变效应进行了综合研究，建立了更为准确的桥梁安全评估模型，可进一步推动桥梁健康诊断与处治方法的发展。

本项目以多座典型PC斜拉桥为工程背景，通过室内试验、现场实测和有限元数值模拟技术对服役期PC混凝土斜拉桥在长期荷载作用下的时变力学行为进行了深入的研究。主要研究内容及成果如下：. 1.以CEB-FIP1990模式为蓝本，研究变温变湿环境中的徐变系数计算问题，提出了以等效加载龄期和等效持载龄期来分别反映环境变化在养护和持载阶段对徐变特性的影响，对CEB-FIP1990徐变模式进行了改进，使得其适用于在役PC斜拉桥的时变效应分析。. 2.构造了组合式加筋板梁单元，将PC斜拉桥的混凝土主梁离散为顶板、底板、腹板、加劲肋等子单元组合而成的组合单元。将各类子单元视为梁单元，分别推导了子单元的刚度矩阵，再利用位移协调关系，通过位移转换矩阵，将各子单元组拼为组合板梁单元。将钢筋采用分层弥散的方式也作为一类子单元，考虑其对整体刚度的贡献，对于钢筋的损伤，通过弹性模量的折减进行考虑。对于裂缝，通过对裂缝出现位置处的子单元赋予不同的材料属性进行折减，该方法提高了时变结构建模和计算分析的效率，可精细地模拟出服役期间PC斜拉桥各板件不同程度缺陷对其力学性能的影响。. 3.结合本课题提出的改进的收缩徐变模型及板梁有限元法，提出了混凝土箱梁徐变效应的分区分块分析方法，可精细化的考虑混凝土箱梁不同板件之间的徐变差异，提高徐变效应的计算精度。. 4.提出了斜拉桥索力计算的统一实用公式，可准确的对斜拉桥的索力进行识别，跟踪测试了斜拉桥索力在服役期不同阶段的时变情况，引入Lemaitre参数考虑拉索损伤影响，提出了考虑拉索损伤和索力松弛的悬链线单元。. 5.跟踪测试了中山板芙二桥和湖南洞庭湖大桥在服役期内的主梁和主塔的温度场分布情况，对现有规范规定的温度场分布进行了适当修正，提出了适用于背景桥梁的温度荷载公式。. 6.利用通用有限元软件ANSYS的二次开发功能，将带缺陷的组合板梁单元和拉索单元嵌入ANSYS分析软件。利用软件提供的UPFs平台，实现了用户自定义单元，建立了在役PC斜拉桥的全桥分析模型，并对中山板芙二桥和湖南洞庭湖大桥进行了详细的算例分析，系统研究了混凝土收缩徐变、温度荷载和拉索索力松弛对桥梁受力性能的影响。