预应力混凝土连续箱梁桥可靠度分析及剩余寿命研究

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预应力混凝土连续箱梁桥在长期运营过程中,不仅要承受车辆荷载、车辆冲击力、人群荷载、风荷载等外力的作用,还会受到周遭环境以及化学物质的侵蚀,桥梁的材料性能会随着时间不断下降。桥梁结构构件会随着桥梁运营期的增长出现不同程度的损伤,这些损伤的不断累积最终将会影响桥梁的正常运营甚至可能引起安全事故的发生。因此,对既有桥梁结构进行科学合理的可靠度分析与剩余寿命预测,给出桥梁在其设计基准期内的可靠度水平,以便及时采取相应的维修加固措施,这不仅能降低桥梁的安全隐患,同时还能带来一定的经济效益。本文以预应力混凝土连续箱梁桥的可靠度及剩余寿命为研究对象,在总结前人研究成果的基础上,研究分析了桥梁自重、车辆荷载、构件几何尺寸以及材料性能等影响桥梁可靠度因素的时变模型,比对了几组材料性能的时变概率模型,提出了各自的适用环境,同时考虑了桥梁检测数据与时变概率模型的预测值存在一定偏差的情况下,对材料性能统计参数的修正。在此基础上,建立了预应力混凝土连续箱梁桥荷载概率模型和抗力概率模型。结合某工程实例,依照本文建立的概率模型得到了该桥恒载、车辆荷载以及正截面弯曲抗力的时变统计参数,对其进行了抗弯可靠度的分析及剩余寿命的预测,揭示了预应力混凝土连续箱梁桥可靠度的时变规律,能够为提高预应力混凝土连续箱梁桥可靠度并延长其剩余使用寿命以及在役预应力混凝土桥梁可靠度评估方法的完善提供参考依据,具有一定的工程指导意义和创新性。主要研究内容和成果如下:(1)基于可靠指标计算方法JC法的基本原理,利用Matlab软件编制了计算可靠指标的程序。(2)建立了基于有限元模型的桥梁恒载以及车辆荷载概率模型。建立了混凝土强度、钢筋截面积、钢筋屈服强度、预应力筋截面积和预应力筋屈服强度五个因素的概率模型,研究分析了其统计参数的时变规律。本文还考虑了桥梁检测数据与时变概率模型的预测值存在一定偏差的情况下,对材料性能统计参数进行相应修正,从而使抗力衰减模型能更准确的反映工程的实际情况。在此基础上,建立了综合考虑多种因素下预应力混凝土连续箱梁桥的正截面弯曲抗力的时变概率模型。(3)以某在役预应力混凝土连续箱梁桥为工程实例,对其抗弯可靠度进行评估并预测其剩余寿命。利用Midas Civil软件建立有限元模型,基于时变可靠度理论计算得到了主桥各项时变随机变量的统计参数。根据本文建立的恒载、车辆荷载概率模型以及不同阶段预应力混凝土连续箱梁桥正截面弯曲抗力的概率模型得到了恒载、活载以及综合抗力的时变统计参数,通过Matlab编制的可靠指标计算程序得到了桥梁结构构件正截面抗弯可靠指标的时变规律,与目标可靠指标进行对比预测了桥梁的剩余寿命。结果表明,在桥梁运营初期,桥梁的抗弯可靠指标仅受混凝土强度和荷载效应的变化影响,可靠指标波动较小;当钢筋发生腐蚀后,可靠指标开始大幅下降,且随着桥梁运营时间的增长,可靠指标呈加速下降的趋势。由于普通钢筋预应力筋对腐蚀更为敏感,其力学性能随着锈蚀率的增加而大幅下降。通过分析表明,预应力筋的锈蚀率是预应力混凝土连续箱梁桥可靠度的主要影响因素。
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