基于长期应变监测数据的钢桥疲劳可靠度评估

来源 :福州大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:zlp0234
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大部分桥梁在恶劣环境下工作,加上长期循环荷载的作用,结构的承载能力和疲劳寿命将急剧降低。对于近海桥梁和跨海大桥,由于其长期暴露在腐蚀性环境下,加之动力循环荷载作用,因此其疲劳性能与正常环境下的桥梁相比有较大幅度的降低,钢材腐蚀因素对桥梁焊接节点疲劳寿命的影响值得关注。此外,由于传感器技术的限制,应变传感器通常无法安装在焊接节点的焊趾处,只能获得焊接节点热点附近处的名义应力。由于热点处的应力集中效应,热点应力幅远大于名义应力幅,因此有必要建立焊接附近区域的名义应力和焊趾处的热点应力的关系,通过热点应力评估焊接节点的疲劳可靠度。基于此,本文开展了基于监测应变数据的桥梁疲劳可靠度评估研究,主要的研究工作与取得的研究成果如下:(1)研究了考虑多因素共同作用的钢桥焊接节点疲劳可靠度分析方法。通过建立有效截面积衰减模型及节点疲劳性能退化函数,综合考虑应力集中效应,利用Miner损伤累积准则的连续概率函数表达式,建立了考虑多因素作用的疲劳可靠度解析模型。该方法不仅考虑了钢材锈蚀引起的有效截面积衰减和节点疲劳性能退化,同时考虑了热点处的应力集中效应。(2)研究了基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)的混合参数估计算法并用于应力谱建模上。该方法根据大数定理建立适应度函数,不仅适用于应力幅的多模态建模,更能拟合平均应力和应力幅组成的二维联合概率密度函数。与期望最大化(Expectation Maximum, EM)算法相比,该方法具有更广的适用范围。(3)将有限混合分布方法和基于GA的参数估计算法相结合,对香港青马大桥的监测数据进行了多模态建模与分析。首先,采用小波分析方法剔除原始应变数据中温度对平均应力的影响,利用雨流计数法得到疲劳应力谱,经统计分析得到标准日应力谱;其次采用混合正态分布、混合对数正态分布和混合威布尔分布对应力幅数据进行多模态建模,并分别利用基于GA和EM算法估计有限混合分布的未知参数;接着利用赤池信息准则和距离测度比较分析了两种算法的拟合效果;最后采用基于GA的分布参数估计算法估计平均应力和应力幅二维联合概率密度函数的分布参数。4)根据青马大桥长期结构健康监测数据,对该桥典型焊接节点的疲劳可靠度进行了评估。首先,利用雨流计数法将应变时程曲线转化为日应力谱,考虑到交通荷载(包括汽车荷载和火车荷载)和台风影响,通过统计分析建立标准日应力谱。采用有限混合分布方法和基于GA的混合参数估计算法,得到标准日应力谱多模态有限混合分布函数。利用标准日应力谱多模态分布模型和疲劳可靠度模型,研究了青马大桥T型焊接节点的疲劳可靠度,并分析比较了考虑和未考虑钢材锈蚀的焊接节点疲劳寿命失效概率和可靠度指标。研究表明钢材锈蚀因素和应力集中效应对桥梁焊接节点的疲劳可靠度评估结果有较大影响。
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