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现役预应力混凝土梁桥时变失效树及使用寿命预测研究

作　者: 李季
导　师: 何雄君
学　校: 武汉理工大学
专　业: 公路桥梁与渡河工程
关键词: 预应力混凝土桥梁耐久性可靠度指标主要失效模式时变系统可靠度使用寿命
分类号: U441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在现代公路交通中,预应力混凝土梁桥由于整体性好、结构刚度大、抗裂性好,特别是主梁变形挠曲线平缓等优点而得到了广泛的应用。随着桥梁服役时间的增长,暴露在外界环境中的桥梁结构由于受到各种腐蚀介质的作用而出现耐久性减弱、承载能力下降等现象,这极大地影响了桥梁结构的正常使用。因此,基于结构寿命预测的桥梁评估就有着重要的意义。本文以结构系统可靠度理论和结构材料的时变特性为基础,研究了随时间变化的桥梁系统可靠度,提出了通过比较每个基准期内结构系统可靠度指标与目标可靠度指标来预测桥梁结构的使用寿命。文章所使用的理论分三部分,第一部为结构耐久性分析,通过结构耐久性分析研究,列出了影响预应力混凝土结构耐久性的各种因素:第二部分为结构构件可靠度分析,介绍了结构构件可靠度基本理论和构件可靠度计算方法,完整地给出了构件结构可靠度分析的过程,随后介绍了结构时变可靠度分析,并在最后研究了梁桥结构抗力和荷载作用的概率统计模型以及桥梁结构的概率极限状态分析;第三部分为结构系统可靠度分析,依次介绍了结构系统可靠度的基本问题、结构系统主要失效模式的识别和Ditlevsen上下界法的结构系统失效概率的计算。其中通过主要失效模式的识别建立了结构系统的失效树,通过Ditlevsen上下界法计算出结构系统的失效概率。在结构系统可靠度分析和结构构件时变可靠度分析的基础上,提出了通过计算结构时变系统可靠度指标来预测桥梁的使用寿命的方法。基于以上的理论分析,本文对某预应力混凝土连续梁桥进行时变系统可靠度分析。结合有限元分析和结构抗力时变分析的结果,采用系统全局分枝-约界准则搜索结构系统主要失效模式,建立结构系统失效树模型;采用JC法计算各主要失效模式的可靠度指标;采用Ditlevsen上下界方法计算结构的系统失效概率;结合抗力时变分析的结果,计算各基准期内的结构系统可靠度指标,比较其与目标可靠度指标最终得到结构的使用寿命。从而,为现役桥梁运营状况评估和桥梁设计提供了依据,也为同类型桥梁的维修提供了决策支持。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-19
    1.2.1 国内外桥梁评估研究现状  12-13
    1.2.2 结构可靠性研究的发展及应用概况  13-14
    1.2.3 系统可靠度的失效树理论的发展及应用概况  14-16
    1.2.4 桥梁结构时变可靠度与寿命预测的发展及应用  16-19
  1.3 本文的研究构思和研究内容  19
  1.4 本章小结  19-20
第2章预应力混凝土梁桥的耐久性分析  20-26
  2.1 前言  20
  2.2 预应力混凝土梁桥的材料组成  20-21
  2.3 使用环境对桥梁结构材料的作用  21-25
    2.3.1 钢筋的钝化作用  21-22
    2.3.2 钢筋的锈蚀及机理  22
    2.3.3 预应力钢筋的应力腐蚀  22-23
    2.3.4 混凝土碳化  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章梁桥结构构件可靠度分析  26-48
  3.1 前言  26-27
  3.2 结构可靠度分析的基本概念和原理  27-30
    3.2.1 结构设计中的随机变量  27-28
    3.2.2 结构的极限状态和极限状态表达式  28
    3.2.3 结构可靠度及可靠度指标  28-30
  3.3 结构的时变可靠度  30-33
    3.3.1 外部作用和内部作用对结构抗力的影响  31
    3.3.2 结构抗力随时间变化的模型  31-33
    3.3.3 抗力随时间变化时的可靠度分析  33
  3.4 结构构件可靠度计算  33-38
    3.4.1 验算点法(JC法)  34-36
    3.4.2 非正态随机变量的正态化  36-37
    3.4.3 结构构件可靠度计算流程  37-38
  3.5 梁桥结构抗力和荷载作用的模型  38-47
    3.5.1 结构构件抗力的概率模型  38-42
    3.5.2 桥梁结构上作用的概率模型  42-45
    3.5.3 桥梁结构概率极限状态分析  45-47
  3.6 本章小结  47-48
第4章梁桥结构系统可靠度分析  48-59
  4.1 前言  48
  4.2 结构系统可靠度的基本问题  48-50
    4.2.1 基本结构系统  48-49
    4.2.2 结构构件的破坏形式  49-50
    4.2.3 结构系统的失效  50
  4.3 结构系统主要失效模式的识别和失效树的建立  50-54
    4.3.1 β-约界(β-unzipping)法  52
    4.3.2 广义承力比最大准则法  52-53
    4.3.3 增量荷载法  53-54
    4.3.4 阶段、全局临界强度分枝-约界法  54
  4.4 结构系统失效概率的计算  54-57
  4.5 桥梁结构目标可靠度指标β_T及寿命预测  57-58
  4.6 本章小结  58-59
第5章分析实例  59-76
  5.1 工程情况  59
  5.2 分析过程  59-60
  5.3 系统失效树的建立  60-66
    5.3.1 确定失效标准  60
    5.3.2 建立结构有限元模型  60-61
    5.3.3 主要失效模式的搜索  61-66
  5.4 系统可靠度计算  66-70
    5.4.1 截面的承载力极限状态函数  66-67
    5.4.2 计算系统可靠度  67-70
  5.5 结构时变系统可靠度计算  70-75
  5.6 本章小结  75-76
结论与展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间发表的论文与参加的科研项目  81

现役预应力混凝土梁桥时变失效树及使用寿命预测研究

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