桥梁结构作为重要的基础设施之一,对社会的快速发展发挥着重要的作用,其安全运营关系到国家经济健康发展和保障人民生命财产安全。其中,中小跨径桥梁由于其易于安装建设、适用范围广等特点,在已建成桥梁体系中占有很高的比例。然而由于环境不利因素和日益增长的汽车荷载的影响,桥梁结构性能退化、出现不同程度的损伤,给正常交通运行和人身安全带来极大的隐患。所以,准确地评价既有桥梁性能不仅可以为日常维修加固提供有力的依据,还可以有效地避免桥梁安全事故的发生。可靠性理论已经广泛地应用在桥梁性能评估中,可以很好地对桥梁结构完成预定功能的能力进行量化评估,而且经过时变可靠度计算可以对未来结构性能的变化趋势进行预测。然而,对于季冻区不利环境特点的可靠度研究较少,现有研究成果并不能完全适用于季冻区既有中小跨径桥梁。因此,如何准确、有效地对既有中小跨径桥梁的可靠性进行研究具有重要意义。本文结合国家自然基金项目“考虑温度效应的桥梁结构模态参数识别技术及损伤识别方法研究”和吉林省交通运输厅科技项目“基于动态可靠度的季冻区高速公路桥梁安全性评价及维修加固策略研究”,针对季冻区环境因素影响下的既有中小跨径桥梁时变可靠性展开研究,明确了季冻区中小跨径桥梁的主要影响因素,构建了考虑氯离子侵蚀、冻融循环等多种因素影响的中小跨径桥梁可靠度计算方法。提出了基于模态柔度理论和人工蜂群算法优化Kriging模型的桥梁挠度监测方法,采用动态贝叶斯网络进行桥梁适用性可靠度的分析计算,并对中小跨径桥梁的损伤识别方法进行了研究。本文开展的具体研究工作如下:1、综合考虑了季冻区冻融循环作用对氯离子侵蚀作用的影响,建立了氯离子侵蚀、冻融循环作用和温度等多重影响因素共同作用下的钢筋、预应力钢绞线锈蚀程度和剩余抗拉强度时变模型。构建了考虑冻融循环作用的混凝土抗压强度的时变模型。模拟了恒载的不确定性和车流的随机性,提出了中小跨径桥梁抗弯承载能力时变可靠度的计算方法。以吉林省内一座简支铰接板桥和一座三跨预应力连续梁桥作为典型中小跨径桥梁的代表,计算了桥梁抗弯性能的时变可靠度。结合灵敏度计算,分析了各影响因素对桥梁抗弯承载能力可靠性的影响。2、将简支铰接板桥铰接缝和主板损伤、连续梁桥主梁损伤作为中小跨径桥梁的主要损伤形式,提出了车辆荷载偏载系数和超载系数来研究不利车辆活载作用对桥梁抗弯承载能力的影响,构建了以板间相对位移作为铰接缝损伤程度的指标的修正铰接板法,以桥梁承载能力折减系数作为主板和主梁损伤评价指标。研究了车辆不利的荷载作用和损伤状态对桥梁可靠度的影响。3、提出了基于模态柔度理论的桥梁挠度计算方法。通过Kriging方法构建模态振型的代理模型,达到通过少量节点的振型数据就可以计算任意荷载作用下桥梁任意截面挠度的目的。利用人工蜂群算法对Kriging模型进行优化,提高其作为代理模型的计算精度。通过单梁的现场试验,对比本章建立方法和传统静力测试方法的挠度测试结果,验证了基于模态柔度理论和Kriging模型的桥梁挠度计算方法的可行性和准确性。4、以挠度作为桥梁正常使用极限状态可靠性的评价指标,结合季冻区环境因素和桥梁动力健康监测数据,对季冻区典型中小跨径桥梁挠度可靠性进行了计算分析。通过贝叶斯网络建立了环境温度、湿度和桥梁模态频率、振型间的关系,利用监测数据对可靠性影响因素的概率模型进行了更新,提高了桥梁挠度可靠性评估的准确性。分析了桥梁挠度时变可靠度指标与影响因素监测数据间的关系,采用影响因素灵敏度分析的方法研究了环境温度、湿度、模态频率和模态振型对桥梁可靠性的影响作用。5、针对简支铰接板桥和连续梁桥常见损伤形式的识别方法进行研究。将荷载横向分布影响线作为铰接缝损伤识别参数,提出了基于修正铰接板法和群智能算法的铰接缝损伤识别方法,研究了原始蜂群算法、优化蜂群算法、遗传算法以及粒子群算法等群在该识别方法中的适用性和有效性。以模态曲率差作为主梁损伤识别指标,采用Kriging方法对桥梁实测模态曲率进行重构来获得结构未损伤时的基准模型,从而达到不依赖完整结构数据基准模型进行损伤识别的目的。以简支铰接板桥和三跨连续梁桥不同的损伤工况作为分析对象,验证了所建立方法的可行性。