基于长期监测的山区扁平钢箱梁横向温度梯度研究

为实现桥梁结构温度场和温度效应的准确描述和预测,对某山区扁平钢箱梁横向温度梯度特征进行分析。首先,基于某山区悬索桥扁平钢箱梁结构温度场的长期监测数据,进行横向温差极值分析,采用聚类分析得到结构温度场的不对称分布特征;然后,通过统计分析建立钢箱梁顶、底板横向温差的概率密度模型,并以50年为重现期,计算钢箱梁顶、底板的横向温差标准值;最后,将不同位置处的横向温差按照最不利状况进行组合,得到顶、底板横向温度梯度模式。结果表明：钢箱横向温差受季节变化影响较小。受山区地貌影响,结构温度场具有明显的非对称分布特征。钢箱梁顶、底板横向温差的概率统计模型与双高斯模型吻合较好。由于顶板直接被太阳辐射,其横向温差明显大于底板横向温差。以50年为重现期计算钢箱梁顶、底板横向温差标准值的最大绝对值分别达到37.68℃和13.37℃。山区扁平钢箱梁顶板具有M形、W形、斜N形3种横向温度梯度模式,底板具有V形、倒V形、直线形3种横向温度梯度模式,顶、底板横向温度梯度模式均具有明显的不对称性。     

低纬度地区混凝土箱梁温度梯度研究

混凝土箱梁结构的温度梯度与自然环境条件密不可分,但我国公路桥梁设计规范尚未能详细考虑不同环境条件下的温度梯度。为此,对低纬度的广东地区某连续刚构箱梁截面布置温度测点并进行了长期的监测,提取混凝土箱梁沿竖向的每日最大温差数据,分析得到了沿截面高度变化的指数和折线函数相结合的正、负温差函数。依据极值理论得到50年重现期的温度梯度标准值,并与规范规定的温度梯度函数进行了对比研究。结果表明:实测竖向温度梯度可用折线和指数函数相结合的分段函数描述;气温骤降是引起箱梁负温度梯度的主要原因,实测温差数据推得的负温度梯度值大于规范规定的负温度梯度值。     

基于实测数据的扁平钢箱梁日照温度效应研究

为了解高温地区扁平钢箱梁的温度效应,基于厦门天圆大桥钢箱梁连续3个月温度实测数据,分析扁平钢箱梁温度、温差分布特征;运用广义极值分析方法拟合同一横截面不同测点之间的温差累积分布函数,确定具有一定重现期的温差标准值,建立8种日照温度场分布梯度;采用ANSYS模拟在最不利及规范推荐的2种温度场分布梯度工况下扁平钢箱梁瞬态温度场,计算其温度应力分布。结果表明:该桥扁平钢箱梁顶板11:00开始出现横向温差,14:00～16:00达到峰值;8:00开始出现竖向温差,14:00～16:00达到峰值;最不利温度场分布梯度工况下,顶板温度应力最大值接近设计车辆荷载作用下的应力,且顶板、底板温度应力显著大于按规范温度场分布梯度计算结果,扁平钢箱梁设计时应结合当地气候情况考虑日照温度效应的影响。     

基于长期监测数据的润扬大桥扁平钢箱梁温度分布特性

以润扬大桥悬索桥和斜拉桥的扁平钢箱梁为研究对象,采用假设检验方法对扁平钢箱梁长期温度监测结果进行了温度分布特性分析,重点研究了扁平钢箱梁的横向温差和竖向温差分布特征,在此基础上采用极值分析方法计算了扁平钢箱梁的温差标准值,建立了钢箱梁温差计算模型,并针对悬索桥和斜拉桥的温度分布模式建立了6种最不利横向温差计算模型.研究结果表明:润扬大桥悬索桥和斜拉桥底板的横向温差可忽略;悬索桥和斜拉桥钢箱梁对称轴位置受相同的竖向温差作用;悬索桥和斜拉桥顶板的横向温度分布差异较大.     

基于长期监测的北方跨海斜拉桥钢箱梁截面温差特性分析

钢箱梁斜拉桥受其结构特征影响受力状态非常复杂,钢箱梁结构温度受环境条件影响变化难以预测,截面内温度差异对钢箱梁应力分布具有显著影响,确定钢箱梁截面内温差基准值是确保桥梁结构安全耐久的必要条件。目前国内外设计规范对截面温差基准值的确定尚没有统一的方案。通过坐落于我国北方冰冻海域的大跨度钢箱梁斜拉桥长期监测系统,获取跨中主梁截面温度测点监测数据。对2012年跨中大气温度数据进行整理,年温度变化具有显著的季节性特征。钢箱梁跨中截面的6个主要温度测点的温差分析显示,顶板横向温差与顶底板纵向温差显著,底板横向温差非常小,顶底板温度横向分布呈明显不对称性。采用加权威布尔分布分别建立主要测点间正负温差概率分布模型,分布函数拟合效果良好。在此基础上结合国内外相关规范提出了基于极值分析的截面内温差基准值计算方法。以2012年至2015年的监测数据为样本,在年样本抽样数取12的前提下,对钢箱梁截面上最为显著的两组测点温差的基准值进行了计算。计算结果表明,指定50年重现期下钢箱梁跨中截面顶板横向温差为21.42℃,顶底板竖向温差为28.53℃,超过《公路桥涵设计通用规范》规定的20℃,设计与监测钢箱梁斜拉桥时必须对主梁温度应力给予足够的重视。     

舟山跨海大桥钢主梁横向温度长期监测与分布规律研究

以西堠门大桥和金塘大桥钢箱梁为对象,采用假设检验方法对钢箱梁温度监测数据进行温度分布特性分析。重点考虑钢箱梁的横向温差分布特征,采用极值分析方法建立钢箱梁温差计算模型,并针对斜拉桥和悬索桥的温度分布模式分别建立4种最不利横向温差模型。研究表明:(1)斜拉桥和悬索桥钢箱梁顶板的横向温差作用不可忽略;(2)斜拉桥和悬索桥钢箱梁横截面温度的统计特性都具有对称性;(3)斜拉桥和悬索桥钢箱梁顶板横向温差特性存在明显的差异。此研究结果可为大跨桥梁设计和评估提供参考。     

公路桥梁车辆荷载截尾分段概率模型及应用

为了准确描述实际公路桥梁车辆荷载多峰厚尾的分布特征,利用分段函数结合多个高斯分布函数,并采用数据拟合方法,求得了车辆荷载的概率密度函数和概率分布函数表达式,建立了车辆荷载的分段截尾的多重混合高斯概率分布模型,并进一步推导了基于EM算法的多重混合高斯分布模型求解方法。根据中国实测车辆荷载的轴组特征,获得了各典型地区该分段截尾车辆荷载模型的概率分布参数。分析结果表明:该分布函数模型的拟合精度较高,能准确反映荷载分布的多峰厚尾特征;各典型地区车辆荷载轴质量分布呈现不同特点,但各地区单轴质量的首峰分布基本一致,各轴组荷载普遍超载,特别是贵州、湖北和湖南地区超载较严重;各地区双联轴、三联轴的平均轴质量超出汽车国标规定值约2倍,双联轴平均轴质量超出现行公路工程规范标准值的15%以上;实测数据显示三联轴在95%保证率下的平均轴质量约为50t。     

钢-混凝土组合梁桥的温度梯度作用——作用模式与极值分析

为建立适用于钢-混组合梁桥的竖向温度梯度作用模式和取值方法，对一组合梁节段模型开展超过一年的长期温度测试与有限元数值模拟，以温度场分解得到的竖向线性温差和残余温度作为温度评价指标，根据指标达到极值时的竖向温度分布特征建立适用于组合梁桥的温度梯度模式体系。利用气象站23年的历史气象数据计算组合梁桥的长期温度梯度，采用基于广义帕累托分布(GP分布)的超阈值模型进行温度梯度代表值极值分析。研究结果表明：竖向线性温差和残余温度可反映温度作用在结构产生的次生效应和自生效应，是判断竖向温度梯度模式合理性的有效评价指标；考虑中梁和边梁腹板的日照条件差异，建立了适用于多主梁组合梁桥的竖向温度梯度模式体系，包括了2种升温模式和1种降温模式，对不同铺装厚度和桥面板板厚均有较好的适用性；钢梁形状对各温度梯度模式的影响并不显著，桥面板厚度、沥青铺装厚度对组合梁顶部的温差影响显著，钢表面吸收率则对升温模式1、2中钢梁部分的温差影响显著；在边梁的升温模式2中，钢梁温度渐变段高度与组合梁的悬高比(桥面板悬臂宽度与钢梁高度的比值)有直接关系，当悬高比大于1.51时，钢梁完全处于阴影之中；建立了西安组合梁桥各温度梯度中温差的GP分布模型，计算得到了各温差50年重现期的代表值，通过与中国通规和欧洲规范中的温度梯度模式对比，发现提出的3种温度梯度模式可以更好地包络住组合梁桥中梁和边梁长期运营期间产生的正负线性温差和拉压应力状态，对于中国规范组合梁桥温度作用相关条款的补充具有重要意义。     

基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型

特殊地区风雨联合作用下高速铁路桥梁和车辆的气动特性会发生改变，进而影响列车安全舒适运行。为了全面描述风雨联合分布规律和时空关联特征，基于兰新高铁自然灾害监测系统的长时气象监测数据，提出基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型。首先选取Gumbel、Clayton和Frank Copula函数建立混合Copula函数。然后采用非参数核密度估计方法估计出日极值风速和日极值雨强的边缘分布函数；根据贝叶斯模型加权平均方法以及离差平方和最小准则分别估算出混合Copula函数的权重参数和相依参数；利用K-S法以及最小距离法对混合Copula函数进行拟合优度检验。最后以兰新高铁沿线日极值风速和日极值雨强的监测数据为例，建立基于不同Copula函数的风雨联合概率分布模型，并比较不同模型的拟合优度。研究结果表明：基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型能够更加准确地描述日极值风速和日极值雨强之间的多种相关关系；基于Gumbel、Clayton和Frank三种混合Copula函数的风雨联合概率分布模型是描述日极值风速和日极值雨强联合分布规律的最优模型；兰新高铁沿线基站监测的日极值风速和日极值雨强之间存在下尾相关为主、上尾相关和对称相关为辅的相关关系。     

寒冷地区特大扁平钢箱梁温度及纵向应力分析

为指导寒冷地区钢箱梁桥的设计,以主跨436m的钢箱梁斜拉桥——辽河特大桥为研究对象,对其扁平钢箱梁进行了为期8个月的温度监测,采用对比分析、极值分析、概率统计等方法分析钢箱梁跨中截面温度及纵向应力日变化趋势、总体变化规律及温度对纵向应力的影响情况。结果表明:环境温度在20~45℃时,桥梁设计规范计算得到的钢箱梁顶板温度最大值小于实际监测值;钢箱梁连续24h温度变化服从正弦曲线分布,纵向应力每天前6h变化服从线性分布,后18h服从高斯曲线分布;24h内温度极值点时的温度效应为其它活荷载总效应的5.7~6.5倍;顶板冬季最冷月平均纵向应力相比夏季最热月低12~35 MPa,底板冬季最冷月平均纵向应力相比夏季低12~16 MPa。     

基于广义帕累托分布的桥墩温度荷载极值研究

针对目前混凝土桥墩缺少日照温度场长期实测样本,以及在温度数据处理中忽略尾部数据偏离主体的最大样本问题,提出采用广义帕累托分布(GPD)模型估计桥墩的温度荷载极值。以昌吉赣客运专线某大桥混凝土桥墩(墩高35m)为例,基于其1年的实测温度数据,分析了不同季节沿桥墩壁厚方向的温度分布及时程变化特征,采用GPD模型对桥墩100年重现期下的温差极值进行了估计,提出了高墩温度荷载的最不利组合。结果表明:桥墩温度变化具有明显的季节性规律,最大温差分别发生在近东侧11:00左右和近西侧18:00左右;采用GPD模型估计的100年重现期温差极值能对实测最大日温差进行较好的包络;温度变形计算时,应同时考虑桥墩顺桥向、横桥向的极值温差作用。     

基于统计分析的混凝土箱梁温差标准值研究

为了确定混凝土箱梁内部最不利正温差和反温差的大小,对处于施工阶段的某混凝土连续箱梁桥进行了为期1年的温度效应观测.在实际温度观测数据的基础上,采用统计分析中假设检验和参教分析的方法对混凝土箱梁温差标准值进行了分析,进而计算出混凝土箱梁正温差和反温差相应的标准值.结果表明,混凝土箱梁正温差和反温差服从不同的Weibull概率分布;混凝土箱梁正温差标准值为24.8℃,反温差标准值为-10.9℃.     

考虑沥青路面影响的钢箱梁桥日照温度场数值模拟

为了研究带铺装层的钢箱梁日照温度场分布规律,开展日照温度作用下受改性沥青玛蹄脂路面影响的钢箱梁温度场数值模拟,根据传热学和有限元基本理论,综合考虑辐射、对流、传导等热交换对温度场的影响,建立某悬索桥有沥青砼铺装层钢箱梁有限元模型,对该梁段日照温度场进行仿真计算分析,拟合钢箱梁的竖向温度梯度函数。结果表明,数值分析结果与实测数据吻合,铺装层对钢箱梁温度作用具有滞后效应,利用气象资料及经验公式得到的太阳辐射值对其温度场进行仿真分析可行。     

非平稳车载及抗力劣化进程下混凝土桥梁时变可靠性评估

为实现同时考虑车载过程及抗力劣化进程非平稳性的在役混凝土桥梁构件时变可靠性评估，首先，联合时域内的动态广义极值分布模型及蒙特卡洛模拟实现对连续非平稳车载过程的极值建模，介绍基于Gamma过程的在役混凝土桥梁构件抗力非平稳劣化模型的建立及更新；其次，综合考虑边际救生成本准则、个体风险准则及社会风险准则对运营阶段目标可靠度指标取值进行讨论，为时变可靠性评估提供基准安全边界；最后，在基于风险函数的时变可靠性分析方法框架之下建立同时考虑车载及抗力非平稳性的时变可靠性分析方法，其中借助高斯数值积分及泰勒级数展开解决时变可靠性的求解问题，并采用一个实桥分析案例对上述分析流程的应用进行说明。研究结果表明：当荷载参数截口分布呈现多峰形态时，可采用广义极值分布函数族中的极值Ⅰ型分布对其年最大分布进行描述；交通量的持续增长将导致变量年最大分布位置参数的不断提升及尺度参数的不断下降；综合考虑3种可靠度指标分析准则，建议在役混凝土桥梁构件运营阶段年目标可靠度指标取为3.98，具体评估工作中不能忽略基准期对目标可靠度指标的影响；通过时变可靠性评估工作的开展，可获取构件在未来较长服役期内可靠度指标的变化情况、服役状态达到临界安全水平所对应的时间节点以及构件可靠性冗余度的时变情况；该类结果的获取可为在役桥梁全寿命维养策略制定等工作提供直接参考。     

基于WIM数据的斜拉桥评估汽车荷载模型研究及应用

为了对大跨径斜拉桥在运营期内的使用性能做出准确评估,研究了考虑实际运营交通状况的评估汽车荷载模型建立方法。借助动态称重(WIM)数据形成连续自然车队,通过结构关键效应影响线进行加载计算,对效应进行统计分析,运用极值理论得到评估基准期内的汽车荷载效应最大值概率分布并进行极值外推。以某斜拉桥为例,阐述建立评估汽车荷载模型和预测效应极值的方法,并采用两种评估方法对结构进行承载能力和使用性能的评估。     

随机车流作用下拱桥荷载效应极值外推与校验

为了研究实际车流作用下既有桥梁的安全水平,提出基于随机车流模型的桥梁车载效应极值外推方法,并采用长期模拟数据校验外推极值的精度。以典型数值算例为例验证了所提方法的有效性,并由拱桥的算例分析验证了该方法的适用性。研究结果表明:随机车流荷载模型融入了实际车流的概率特征,可用于生成桥梁车载效应极值概率模型所需的大量样本数据;基于广义极值分布函数的外推结果精度与拟合样本点时长有关,在样本点时长大于外推时长时方可保证外推结果误差为1%;交通量增长对桥梁车载效应极值外推有较大的影响,某拱桥的日交通量年增长系数为6%,导致最大值增长幅度为9.5%。     

陕西地区桥梁结构温度作用特点

桥梁结构的温度作用与其所在地区的气候特点非常相关。为得到陕西地区桥梁结构温度作用的特点,首先根据陕西地区的气候特点,选取典型城市分别代表严寒地区、寒冷地区以及温热地区。在统计历年最高和最低日平均气温,以及历年最高和最低气温数据的基础上,根据《公路桥涵设计通用规范》的计算方法得到陕西不同气温区域的结构有效温度标准值。其次,选取某实际工程中混凝土小箱梁,以及钢桥面钢梁和混凝土桥面钢梁,分别建立了有限元模型,计算分析了其在不同气温区域时的竖向温度梯度分布。对比计算结果与规范表明:规范中针对结构有效温度标准值的取值总体较为保守,但是针对钢桥面钢桥、混凝土桥面钢桥在寒冷地区和温热地区时的最高有效温度标准值取值略偏于不安全;不同截面形式的梁在沿梁高方向存在明显的非线性温度梯度;同一种梁在不同地区最不利时刻的截面温度分布模式基本一致,地区差异较小;不同截面形式的梁中,混凝土小箱梁截面平均温度最小、但沿梁高方向竖向温差最大,而钢桥面钢梁截面平均温度最大、但在沿梁高方向竖向温差最小;规范中竖向温度梯度分布模式较计算结果偏于安全,但是规范中没有考虑混凝土小箱梁底板位置明显的负温度梯度的情况。     

西北极寒地区混凝土箱梁温度场实测与仿真分析

以新疆小沙河中桥为背景,通过试验实测与有限元分析,研究西北极寒地区混凝土箱梁温度场分布特点及其温度效应。选取2016年1月20日至2016年2月20日实测温度数据作为研究对象,分析结果表明:受太阳辐射的影响,梁高方向存在明显的温度梯度,测点T1,T4最大温差达到6.4℃,测点T4,T6最大温差达到5.6℃;腹板壁厚方向存在明显的温度梯度,测点T3,T5之间最大温差达到5.6℃;底板沿壁厚方向存在明显的温度梯度,测点T7,T8之间最大温差达到8℃。基于传热学分析理论,建立混凝土箱梁温度场有限元模型,选取2016年1月27日06:00到2016年1月28日06:00的实测温度数据,验证了混凝土箱梁温度场有限元模型的准确性。在验证有限元模型准确性基础上,计算日照升温和寒潮降温作用下混凝土箱梁梁高、腹板以及底板壁厚方向的温度场分布,计算分析最不利时刻温度场作用下的混凝土箱梁的温度效应,并与现有规范进行对比。研究结果表明:西北极寒地区带沥青铺装的混凝土箱梁竖向温度梯度与规范有所差别,箱梁顶板温差较小,而底板温差较大;日照下腹板温度高于顶板,降温时顶板温度高于腹板;温度效应计算较规范更为不利,降温时在底板产生的拉应力可能使混凝土产生开裂;在进行西北地区混凝土箱梁的设计计算时,建议根据桥位处气象数据对温度效应进行分析。     

基于监测数据的斜拉桥伸缩缝服役性能评估

为掌握斜拉桥伸缩缝服役状况,摸清斜拉桥服役性能影响因素,评估斜拉桥伸缩缝服役性能,以某斜拉桥伸缩缝一年的监测数据为对象,研究伸缩缝服役性能,并提出伸缩缝运营监测方法。首先,分析了伸缩缝位移与温度的相关关系,并采用多元混合高斯模型建立了伸缩缝位移的概率分布模型;然后,采用线性回归的方法建立了温度—伸缩缝位移相关关系表达式,并基于回归关系剔除温度效应,得到随机荷载作用下的伸缩缝位移,同时分析了随机荷载作用下伸缩缝位移的概率特性,建立了概率分布模型;最后,基于伸缩缝位移概率分布结果,提出改进的均值控制图方法,将其用于伸缩缝异常值检测。研究结果表明,温度荷载对于伸缩缝位移的影响具有长周期、大幅度的特点,随机荷载引起的伸缩缝位移具有短周期、小幅度的特点;多重荷载耦合作用下的伸缩缝位移呈现多峰高斯分布特性,随机荷载作用下的位移分布呈现单峰正太分布的特点;提出的改进的均值控制图方法能够适应伸缩缝位移数据强随机的特点,相较于传统均值控制图方法,既能够识别得到数据丢包的异常情况也能识别得到更多的位移异常值。提出的伸缩缝监测方法能够用于实际斜拉桥伸缩缝异常值检测。     

基于WIM的随机车流建模和简支梁桥荷载效应研究

为研究实际车辆运营状态下的行车参数特征及车辆荷载作用效应,基于宜泸高速南溪长江大桥路段的动态称重系统(WIM)实测数据,建立了符合宜泸高速行车车速、车距和轴重参数的概率模型,依据MATLAB软件编制随机车流模拟程序,对6种跨径(6,8,10,20,30,40m)的简支梁进行随机车流加载,得到随机车流作用下简支梁桥设计基准期内的荷载效应极值概率分布,并与我国公路Ⅰ级、英国BS 5400和美国AASHTO设计荷载规范对比。结果表明:车流量和车速大小随驾驶人员作息时间呈规律性变化;纵向车距服从威布尔分布,各车道车辆分布不均衡;车辆轴重服从高斯混合多峰分布;随机车流作用下简支梁桥的实际荷载效应平均值为设计荷载效应平均值的0.82倍,满足设计要求。