考虑抗力非平稳劣化和荷载相关性的桥梁可靠性分析

桥梁结构在服役期间受到环境侵蚀和均值增大的相关荷载作用,承载力降低,安全状况不容乐观。为了准确评估服役桥梁在剩余使用寿命内的安全性能,需要考虑结构抗力劣化的非平稳特性以及荷载的时间相关性。该文基于时变可靠度理论,采用Gamma分布描述结构抗力的非平稳劣化过程,并用二维联合分布函数表示相邻荷载的相关性,基于贝叶斯原理,提出了计算公式,并采用蒙特卡洛模拟(MCS)对计算结果进行了验证。对四川省某钢筋混凝土简支梁桥的时变可靠度分析结果表明:在单次条件概率分子的二重积分结果大于0.7时,公式计算结果与MCS结果接近,证明了其正确性;Gamma劣化过程的尺度参数越大,荷载的时间相关性越弱,结构失效概率越大;当作用于结构的车辆荷载年均增长率超过2%时,桥梁在30年内失效的概率较大,需要对结构进行定期监测、养护和维修。

基于逆高斯随机过程的混凝土梁桥抗力退化模型

为准确体现混凝土梁桥抗力退化的时变性与随机性,运用逆高斯(IG)随机过程建立了结构抗力退化模型.基于现场检测数据,采用贝叶斯更新理论对IG随机过程进行实时更新.针对IG随机过程中的参数因先验分布与后验分布非共轭而难以采样估计的问题,提出了混合Gibbs采样法.结合数值案例论证了该方法的可行性,并将其应用于某一混凝土梁桥的抗力预测分析.研究结果表明:IG随机过程可利用现场检测信息对桥梁抗力退化过程实时更新;混合Gibbs采样法可解决IG随机过程的高维参数估计问题,克服了形函数中指数q值的经验性给定缺陷;随着服役年限的增大,桥梁结构的累积退化量逐步增大,当桥梁服役年限为60 a时,其累积退化量为服役年限为30 a时的3.48倍.与Gamma随机过程相比,IG随机过程避免了部分初始参数的假定,可得到更为精确的桥梁抗力退化模型.

桥梁评估与加固理论2019年度研究进展

综合运用现代测试手段、试验技术、评估理论、结构理论、数值仿真、数学统计预测等理论方法和技术手段,对既有桥梁在剩余服役期内的安全性和适应性给出评判,提出维护策略及加固方法,是桥梁工程的重要研究领域。基于该领域最新研究进展,对基于时变理论的既有桥梁可靠性评估方法、结合工程应用的可靠度计算方法、维修加固的策略、钢筋混凝土墩柱的抗震性能及其抗震加固、桥梁加固的新材料、新方法和新装备等研究进行了介绍和总结,并从对既有结构性能衰变的认识、发展新的理论与方法、根据实际需求拓展新的研究领域等方面对研究提出了展望。

考虑非平稳过程的劣化钢筋混凝土梁桥时变可靠度分析

采用Gamma随机过程描述车辆荷载频率函数,提出了基于荷载频率增大的钢筋混凝土桥梁时变可靠度分析方法.考虑历史荷载信息对桥梁时变抗力的验证作用,改进了抗力变异系数为时间变量的桥梁时变可靠度计算公式.采用上述方法,对某装配式预应力混凝土桥进行时变可靠度分析,结果表明,车辆荷载频率增量关联与否不影响结构时变可靠度的变化;结构在20至40 a的时变失效概率介于验证荷载为31.6%至36.4%初始抗力的失效概率之间,证明改进的公式具有更高的精度.当荷载频率λ小于10 a^(−1),考察范围不超过35 a,若历史荷载强度不高于初始抗力的29.1%,可以采用基于荷载频率函数λ(t)的可靠度计算方法;若一年两遇的车载强度超过结构初始抗力的36.4%,且年均增长率γ超过150%时,在海洋环境建造的钢筋混凝土梁桥在20 a内的失效概率较高,需引起注意,在设计和施工时增强钢筋的耐锈蚀性.

考虑关联荷载验证时变抗力的桥梁结构可靠度评估方法

作用于桥梁结构的荷载效应存在时间相关性。基于多维随机变量的Copula随机数矩阵和Monte Carlo数值模拟方法,提出了服从平稳随机过程的关联荷载既有桥梁时变可靠度评估方法。采用服从正态分布的历史荷载信息作为验证荷载,基于相邻荷载效应的Pearson相关系数矩阵分别构造n元Gaussian Copula和t-Copula随机数行向量,讨论了基于线性相关的荷载时间关联性强弱对桥梁时变抗力验证作用的影响。对某钢筋混凝土梁桥进行时变可靠度分析,结果表明:考虑荷载过程的时间关联性会降低其对桥梁抗力的验证作用。相关性越强,验后抗力的均值提升和标准差降低越小,验证作用越不显著;t-Copula函数的验证效果低于Gaussian Copula函数。对在役桥梁而言,已服役历史验证荷载过程的时间离散程度越高,对后继服役期结构的安全性能评估越不利。使用Copula随机数矩阵法,若采用t-Copula函数生成随机数行向量,自由度d f的取值建议在1~20之间。

基于可靠度理论考虑验证荷载的既有桥梁评估分项系数研究

为准确评定既有桥梁的运营安全性能,基于可靠度与贝叶斯更新理论提出了综合考虑评估基准期与历史服役荷载的评估分项系数取值方法.根据5种不同风险准则确定相应基准期下目标可靠度,利用抗力优化法对构件进行评估分项系数取值分析,引入贝叶斯更新理论分析考虑历史服役荷载的评估分项系数取值,并与规范法、设计值法计算的评估系数在某一简支T型梁桥安全性评估上进行对比分析.结果表明:验活比(验证荷载效应标准值与活载效应标准值之比)为0.8、1.0时,考虑验证荷载后与考虑验证荷载前评估分项系数比为1.0.对于二级结构安全等级构件,抗力评估分项系数比取值为1.0;验证期为10、20、30、40 a时,荷载评估分项系数比在验活比为1.5时分别取0.94、0.81、0.69、0.69,在验活比为2.0时分别取0.88、0.75、0.63、0.50.采用建议的评估分项系数进行桥梁结构安全评估能充分挖掘结构潜在承载能力,更好控制桥梁结构的运维成本.

铁路斜拉桥减隔震方案参数优化研究

为研究不同设防烈度下铁路斜拉桥合理的减隔震方案及参数优化方法,以某主跨432 m斜拉桥为背景,采用SAP 2000软件建立该桥有限元模型进行非线性动力时程分析,对比多级设防烈度下摩擦摆支座、粘滞阻尼器、弹性索3种减隔震装置在不同参数组合下的减隔震效率。结果表明:摩擦摆支座在设防烈度高时不适用于半飘浮体系斜拉桥,在设防烈度较低时能一定程度控制地震响应,此时摩擦摆半径应考虑对行车平顺性的影响选取较大值;合理的粘滞阻尼器方案能有效降低铁路斜拉桥的内力与位移响应,阻尼器设计参数与目标设防烈度相关,可首先选定阻尼常数 C 的初值,再依据内力响应随速度指数α的变化趋势进行优化;弹性索能显著抑制梁端位移响应但会增加塔底弯矩响应,其刚度选取时宜将初始进入强相关区间或稍大的弹性刚度值作为最优刚度。

多级设防水准下大跨连续梁桥减隔震方案优化研究

为研究多级设防水准下大跨度连续梁桥的减隔震方案与参数优化方法,以某跨径布置为(77+144+77)m的高速铁路连续梁桥为工程背景,采用SAP 2000软件建立全桥有限元模型进行非线性动力时程分析,对比多级设防水准下摩擦摆支座、阻尼器、速度锁定器和联合布设摩擦摆支座、阻尼器方案(组合方案)的减震效率,并对各方案的参数组合进行优化。研究表明:设防水准越高,摩擦摆支座对固定墩墩底弯矩响应的减震效率越高,对梁端位移的限制作用越弱;合理设置阻尼器可将固定墩墩底弯矩响应降低约50%;速度锁定器仅使固定墩地震响应降低17.3%,却使原活动墩地震响应激增93.5%;设防水准越高,组合方案的减震效率越突出,在9度罕遇地震下可使固定墩墩底弯矩响应降低75.5%。

考虑交通量增长的非平稳荷载效应极值研究

为准确获取桥梁车载效应极值分布,提出了考虑交通量增长引起的非平稳极值模型。基于传统广义帕累托分布(GPD)采用"时间离散"与"概率联合"思想构建改进广义帕累托分布(AGPD)模型,并进行数值验证;运用AGPD模型对随机车流作用下的荷载效应进行极值外推分析。结果表明:交通量增长使荷载极值呈现非平稳性,破坏了独立同分布假定(IID),传统GPD模型不再适用,而AGPD模型可准确地进行非平稳极值预测分析;在车载分布不变前提下,交通量年增长率分别为0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.1%、5.0%、6.0%时,重现期为1950年的荷载效应外推值为《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)规范给定值的1.55倍~1.58倍。

预应力CFRP加固损伤钢筋混凝土墩柱的抗震性能试验研究

为了研究预应力CFRP加固初始损伤程度不同钢筋混凝土墩柱的抗震性能,设计并制作了4个钢筋混凝土墩柱试件,其中3个为带有不同预损伤的试件,1个为对比试件。对各损伤墩柱塑性铰区采用施加相同预应力的CFRP加固并进行低周反复荷载试验,获取各试件破坏过程和破坏特征。基于实测水平力-荷载滞回曲线、骨架曲线探讨了预应力CFRP加固对不同损伤程度钢筋混凝土墩柱的滞回性能、位移延性、耗能等重要抗震性能指标的影响。结果表明:使用预应力CFRP加固不同损伤程度的墩柱试件,损伤柱的承载能力、延性性能、滞回耗能等抗震性能均在一定范围内有所提高,提高程度随初始损伤的增大而减小;预应力CFRP加固损伤程度为轻度到中度的钢筋混凝土墩柱可以提高其安全储备。