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考虑模糊性与随机性的既有RC梁桥时变可靠性研究

王磊

   由于材料老化、不利环境以及管理和使用不当等,使得既有钢筋混凝土(RC)桥梁在服役过程中结构性能不断退化,可靠性降低,结构的正常使用受到影响。既有RC桥梁服役期的可靠性属于时变可靠性范畴,在对其当前可靠性评价或未来可靠性预测过程中,受实验手段以及时间和空间等的限制,使得人们对以往和未来一些结构抗力和可靠性的影响因素认识存在局限性,从而产生不确定性。这些不确定性包括模糊性、随机性及知识不完善性或未知性。知识不完善性是一种弱的不确定性,当其与前两者并存时可并于前两者中来考虑。 为了真实合理地评估既有RC桥梁整个服役期间的可靠性,本文结合国家自然科学基金项目“既有钢筋混凝土桥梁时变可靠度研究(50478032)”和国家西部交通建设科技项目“混凝土桥梁剩余寿命评估方法研究(200631800019)”,主要针对既有RC梁桥,对考虑模糊性与随机性的时变可靠性等相关问题进行了深入研究,主要工作包括以下几个方面: (1)建立了同时考虑模糊性和随机性的材料耐久性退化概率模型。针对RC桥梁中氯离子导致的钢筋锈蚀,同时考虑模糊性与随机性,研究了锈蚀初始时间的模糊概率特征;引入Monte Carlo区间抽样数值模拟技术,分别建立了均匀锈蚀和局部锈蚀状态下的主筋截面积退化概率模型,并对比了其异同;鉴于局部锈蚀对小直径钢筋影响显著,建立了箍筋截面积退化概率模型;基于不同构件中锈后钢筋力学性能试验研究,得到了质量损失率——屈服强度以及截面损失率——屈服强度之间的关系,建立了钢筋强度退化概率模型。在已有的混凝土强度时变模型基础上,进一步考虑模糊性,建立了混凝土强度退化概率模型。 (2)建立了同时考虑模糊性与随机性的受弯构件抗力退化概率模型。基于建立的材料耐久性退化模型,考虑锈后粘结力退化对构件抗力的影响,以模糊随机过程和误差传递理论为基础,推导了不修复情况下的构件抗力退化均值和标准差模糊随机时变函数,以RC梁桥为例,建立了受弯构件抗力模糊随机概率模型,同时,提出了模糊性随服役时间变化的抗力均值和标准差分析方法。 (3)基于服役多年的两座RC桥梁构件室内的试验研究,提出了一种抗力估算方法。分析了构件抗力退化的影响因素,并分别建立了这些影响因素无损检测结果的模糊隶属函数,将定性描述定量化,利用模糊数学和层次分析(AHP)法把这些既相互关联又相互影响的不确定因素系统化,从而计算出在这些影响因素下的承载能力综合折减系数,再与不考虑损伤的有限元计算结果相结合,实现对件抗力的估算。估算结果与静载试验结果吻合,可为既有RC桥梁构件抗力评估提供参考。 (4)基于平衡更新过程建立了既有公路桥梁车辆荷载效应模型。依据我国现有车辆荷载统计数据,通过截尾概率分布限制不同连续到达间距和车重最值,采用卷积公式计算连续n个车辆到达间距及总重的概率密度函数,应用平衡更新过程推求车队长度概率函数,进一步结合桥梁影响线函数,建立我国既有公路桥梁车辆荷载效应模型。该模型以截尾概率分布和平衡更新过程为理论基础,可以考虑混合交通,适用于既有桥梁可靠性评估。 (5)针对现有统计资料中桥梁构件设计容重采用定值,以及既有桥梁自重分布统计参数受很多因素的影响难以用确定性的量值加以准确描述的特点,将恒载均值和标准差作为有界闭模糊数来考虑,将其概率模型用模糊概率分布来描述,利用选取的模糊隶属函数中阈值а的取值变化,来解决既有桥梁恒载分布统计参数可能发生变异的问题。 (6)提出了同时考虑模糊性与随机性的既有RC桥梁时变可靠性分析方法。考虑抗力和车辆荷载效应的模糊随机时变性、恒载的模糊随机性以及失效准则的模糊性,建立了承载能力模糊极限状态方程,改进JC法并采用Matlab语言编制相应程序来求解模糊时变可靠指标。分析了一座RC梁桥可靠指标随时间和阈值а变化情况,以及模糊性随时间变化时可靠指标变化规律。将常规既有RC桥梁时变可靠性分析过程中只考虑随机性,扩展到同时考虑模糊性与随机性。……   
[关键词]:既有RC梁桥;抗力;钢筋锈蚀;混凝土劣化;车辆荷载效应;恒载;模糊性;随机性;模糊时变可靠性
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:长沙理工大学2008年