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悬索桥高大塔柱裂缝仿真及安全性评估分析

作　者: 蒋晓源
导　师: 周建庭
学　校: 重庆交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 悬索桥 高大塔柱 裂缝图像技术 裂缝仿真 安全性等级评估
分类号: U448.25
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


由于塔柱箱内外温差、构造处理不当等原因，导致我国现有悬索桥高大塔柱开裂现状较普遍。而现有规范又不足，因此针对悬索桥高大塔柱开裂状况提出科学的评估体系意义重大。本文紧随科学研究前沿，提出通过塔柱裂缝仿真分析的方法来直接评估悬索桥高大塔柱的安全性，并结合裂缝监测和图像采集技术，构想形成一整套悬索桥塔柱安全性监测评估系统。本文首先在分析悬索桥高大塔柱采用材料及结构形式，塔柱受力特性及影响塔柱安全因素的基础上，指出影响塔柱安全性最显著也是最直观的是塔柱裂缝病害信息，并对塔柱上各种裂缝病害成因进行了剖析；通过轨道车加高清摄像机的方式采集悬索桥塔柱裂缝图像，并将采集到的裂缝图像进行数值化变成数字图像，然后基于广义结构元与扩展形态学滤波原理对图像进行二值化与裂缝提取、拼接工作，最后利用左右边缘求取裂缝宽度，提出了向量化存储和模拟重现的实现方法；在悬索桥塔柱裂缝仿真分析进行之前，首先用Madis/Civil2010建立悬索桥整体模型进行塔柱详细内力分析，并结合实际调查裂缝分布情况综合确定用于裂缝仿真分析的塔柱节段；通过基本假定及钢筋混凝土本构关系、混凝土破坏准则的设定，钢筋混凝土有限元模型和裂缝模型的选定，模型混凝土单元、钢筋单元和粘结单元的选取，提出了塔柱结构裂缝宽度计算有限元的实现方法，并建立了塔柱节段裂缝仿真分析模型；最后依据裂缝与塔柱承载力关系的探讨，以及提出的塔柱开裂承载力折减系数，结合具体依托工程，提出了悬索桥高大塔柱基于裂缝仿真分析的安全性等级评估方法。本文的研究成果对客观、科学评估悬索桥开裂高大塔柱的安全状况具有积极的借鉴作用，应用前景广阔。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 研究背景与意义  9-12
    1.1.1 研究背景  9-10
    1.1.2 研究意义  10-12
  1.2 研究现状  12-15
    1.2.1 桥梁监测研究现状  12-13
    1.2.2 安全性评估研究现状  13-14
    1.2.3 混凝土裂缝研究现状  14-15
  1.3 本文主要研究内容  15
  1.4 本文主要创新点  15-16
  1.5 本章小节  16-17
第二章 悬索桥高大塔柱结构特性及裂缝成因分析  17-22
  2.1 塔柱结构材料及形式  17-18
    2.1.1 塔柱材料  17
    2.1.2 塔柱结构形式  17-18
  2.2 塔柱受力特性及安全影响因素分析  18-19
    2.2.1 受力特性  19
    2.2.2 安全影响因素分析  19
  2.3 塔柱裂缝成因分析  19-21
    2.3.1 环状裂缝成因分析  19
    2.3.2 纵横向裂缝成因分析  19-20
    2.3.3 竖向裂缝成因分析  20-21
  2.4 本章小结  21-22
第三章 悬索桥高大塔柱裂缝监测信息采集及处理技术研究  22-29
  3.1 高大塔柱裂缝图像采集  22-23
    3.1.1 裂缝图像采集方法  22
    3.1.2 图像采集技术系统组成与原理  22-23
    3.1.3 裂缝图像数值化  23
  3.2 裂缝图像处理  23-26
    3.2.1 裂缝图像二值化与提取  23-25
    3.2.2 裂缝图像拼接  25-26
  3.3 裂缝宽度测量  26-28
    3.3.1 轮廓跟踪  27
    3.3.2 图像标定  27
    3.3.3 宽度计算  27-28
  3.4 本章小结  28-29
第四章 基于有限元的悬索桥高大塔柱裂缝仿真分析理论  29-47
  4.1 有限元法概述  29
  4.2 基本假定与理论  29-35
    4.2.1 平截面假定  29
    4.2.2 忽略混凝土的抗拉强度  29
    4.2.3 材料的本构关系  29-33
    4.2.4 混凝土破坏准则  33-35
  4.3 钢筋混凝土有限元模型选择  35-36
    4.3.1 分离式模型  35-36
    4.3.2 组合式模型  36
    4.3.3 整体式模型  36
  4.4 塔柱开裂分析的裂缝仿真模型选择  36-38
    4.4.1 离散式裂缝模型  36-37
    4.4.2 弥散式裂缝模型  37-38
    4.4.3 断裂力学裂缝模型  38
  4.5 有限元模型单元选取  38-41
    4.5.1 混凝土单元——Solid65  38-39
    4.5.2 钢筋单元——Link8  39
    4.5.3 粘结单元——Combine39  39-41
  4.6 混凝土开裂与压碎  41-43
  4.7 有限元计算塔柱结构裂缝宽度方法  43-46
  4.8 本章小结  46-47
第五章 基于裂缝仿真分析的悬索桥高大塔柱安全性评估分析  47-57
  5.1 塔柱钢筋混凝土裂缝信息  47-49
    5.1.1 各规范裂缝控制标准  47-48
    5.1.2 塔柱裂缝特征参数  48-49
  5.2 塔柱裂缝状态与结构承载力关系研究  49-54
    5.2.1 裂缝长度与承载力关系研究  49-50
    5.2.2 裂缝宽度与承载力关系研究  50-54
  5.3 塔柱安全性等级评估  54-56
    5.3.1 安全性评估主要内容  54-55
    5.3.2 安全性等级评估方法  55-56
  5.4 本章小结  56-57
第六章 实桥应用  57-74
  6.1 重庆忠县长江大桥简介  57-59
    6.1.1 桥梁概况  57-58
    6.1.2 设计标准及主要技术指标  58-59
    6.1.3 主要材料  59
  6.2 悬索桥整体模型建立及塔柱受力分析  59-65
    6.2.1 计算的基本参数  60-61
    6.2.2 塔柱受力分析  61-65
  6.3 塔柱局部节段裂缝仿真分析  65-69
    6.3.1 基于 ANSYS 的塔柱裂缝仿真模型建立  66
    6.3.2 边界条件及荷载施加  66-67
    6.3.3 裂缝状态发展过程  67-69
  6.4 基于裂缝仿真分析的塔柱安全性评估  69-73
    6.4.1 塔柱裂缝仿真结果  69-72
    6.4.2 塔柱安全性评定  72-73
  6.5 本章小结  73-74
第七章 结论与展望  74-76
  7.1 本文主要结论  74
  7.2 展望  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-80
在学期间发表的论著及取得的科研成果  80
  一、在学期间发表的论文  80
  二、在学期间参与的科研项目及取得的成果  80

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 各种桥梁 > 桥梁：按结构分 > 悬索桥
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