【博士】大跨度悬索桥设计寿命期内的监测、维护与管理策略研究【2009】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：同济大学土木工程学院　　学位年度： 2009年　　目前，桥梁工程的重点已经从新桥的设计逐渐变成了新建与养护加固并重的阶段。为了实现可持续发展，保证桥梁结构在整个使用寿命期内安全运营，须进行桥梁的监测、维护与管理策略研究。本文基于全寿命的思想，对大跨度悬索桥在使用寿命期内的监测、维护与管理进行了深入研究，建立了相应的总体框架、流程，制定了相应的管理对策。本文的研究工作主要有以下几个方面：　　1、分析了悬索桥的主要受力构件的病害。由施工过程中滞留的雨水和运营过程中防护的损伤而造成的主缆腐蚀是最主要的危害。吊杆的常见病害有护套划伤、锚头、吊杆钢丝、附属构件的病害等，其中护套损伤、钢丝锈蚀和开裂是吊杆损伤退化的主要机理。钢丝锈蚀与开裂出现频率高，检测困难，降低拉索承载力，无法修复的特点，对缆索的危害性最大。钢桥面板容易开裂的部位主要是各部件连接处的焊缝和因应力集中导致易开裂的部位。　　2、在对BS5400，AASHTO以及Eurocode等桥梁设计规范的分析基础上，针对我国现行公路桥梁设计规范未对车辆荷载谱进行明确规定的不足，通过对江阴长江大桥的车辆状况调查，提出了用于大跨度钢桥的疲劳累积损伤计算的典型车辆荷载谱，并考虑冲击系数、车道分布效应以及交通量变化等因素。在疲劳累计损伤计算方法基础上，建立了钢桥的疲劳等级评定的判定项目：疲劳的累积损伤度、疲劳损伤的“进展性"、构件的“冗余度”、劣化状态对结构机能的影响程度。根据疲劳损伤等级评定结果，采用相应检测与维修措施。　　3、根据钢丝裂纹扩展“先圆后扁"的特点，提出了一种拟合的实用的几何修正系数来考虑钢丝的裂纹特征，建立了基于断裂力学的钢丝强度评定方法，　　并用于江阴长江大桥主缆钢丝的断裂强度分析，以辅助养护决维修决策。在分析缆索钢丝腐蚀机理与锈蚀特点的基础上，用钢丝腐蚀分级的方法来评估钢丝强度与承载力。根据主缆的长度、截面尺寸与细节的局部损伤的分析尺度上相差甚远的特点，建立了主缆的三个分析尺度：钢丝的尺度、索股的尺度、主缆的尺度。　　4、将桥梁运营阶段的全寿命成本分为检测成本、维修成本、用户成本和失效成本，并详尽阐述了各个成本的组成及计算方法。其中桥梁失效后果可用失效费用来表示，其主要费用包括重建费用、交通延迟费用、道路与交通管理费用、人身损害赔偿费用以及其它间接费用等。　　5、提出了桥梁构件的检测与维修优化模型，将检测与维修优化问题变为：　　在构件满足最小允许可靠度的条件下，总费用最小。该优化模型可以用于结构疲劳与腐蚀养护优化，并研究了主要参数(检测费用、维修费用、失效费用以及折现率等)对最优检测时间的影响。　　6、根据桥梁在寿命期内的评估预测以及养护需求，从建立桥梁监测、维护与管理策略与方案的目标出发，确定桥梁监测、维护与管理的原则，建立基于全寿命成本的桥梁监测、维护与管理策略；根据桥梁使用中可能出现的病害问题，建立桥梁构件监测、维护与管理的方案与方法，建立了桥梁监测、维护与管理的流程。　　7、以江阴长江大桥为分析实例，制定了吊杆、主缆与钢箱梁的养护维修策略，建立了各主要构件的检测维修的内容、方法、设备和时机等。　　

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