新建和在役船舶结构综合可靠性理论及应用研究

船舶与土木工程学院孙海虹教授主持的科研项目“新建和在役船舶结构综合可靠性理论及应用研究”，得到教育部资助. 1.项目研究目标 项目旨在研究新建和在役船舶结构设计、检验和维修综合可靠性理论，提出船舶外载荷和载荷效应及其组合的实用方法，考虑船舶结构腐蚀、疲劳、碰撞损伤对使用状态的影响和开展极限承载能力分析，研究时变可靠性理论，给出检验和维修准则的定量化标准，在实践中取得突破，开发一套更为实用的检验和维修衡准体系及相配套软件产品，为船舶营运、检验和维修部门制订维修、保养决策提供综合的理论依据和指导. 2.研究内容 1) 船舶结构综合可靠性理论 ·船舶外载荷和载荷效应及其组合的实用方法研究.对于极限强度失效模式，外载荷包括静水载荷、低频和高频波浪载荷；对于疲劳失效模式，外载荷包括舷外水动压力、低频和高频波浪载荷. ·船体梁极限载承能力分析.考虑腐蚀、疲劳、碰撞损伤对极限承载能力分析，给出基于ANSYS计算的实用回归公式. ·结构综合可靠性理论研究.将结构载荷和承载能力作为随机过程，将结构维修作出Morkov链过程，提出船舶结构综合可靠性理论，计算在考虑腐蚀、疲劳、碰撞损伤影响下的船舶结构时变可靠性，以提供维修理论指导. 2) 实用的检验和维修衡准体系及软件开发 ·建立一个包含船体结构所有必要信息的数据库.*提出一套实用的检验和维修衡准体系.*建立一套实用的检验和维修软件产品. 3.拟解决的关键问题 ·船舶外载荷和载荷效应及其组合方法.*考虑腐蚀、疲劳、碰撞损伤影响的加筋板格在整个失效过程中的完整模拟.*结构综合可靠性理论研究中连续的随机过程与离散的随机过程的组合.*检验和维修衡准体系. 4.本项目的创新之处在于 ·考虑腐蚀、疲劳、碰撞损伤影响的加筋板格在整个失效过程中的完整模拟，并建立回归公式. ·结构综合可靠性理论研究.将结构载荷和承载能力作为随机过程，将结构维修作为Morkov链过程，提出船舶结构综合可靠性理论，分析在考虑腐蚀、疲劳、碰撞损伤影响下的船舶结构时变可靠性. 科技处(余区办) 章爱武     

相关腐蚀与疲劳及维修对船体可靠性的影响

将腐蚀和疲劳作为非正态相关变量来处理，真实合理地反映了疲劳腐蚀间紧密的内部关联．采用渐进崩溃法计算船体总纵极限强度，将响应面法与传统可靠性计算方法相结合来进行船体总纵极限强度可靠性分析．利用Nataf转化原理获得随机变量当量正态化后新的相关因子．船舶维修对于可靠性的影响通过三种维修决策来实现：无修理，少量修理，更新．对一艘万吨散货船应用该方法进行了分析计算．通过与常规线性叠加方法比较表明，采用相关原理处理疲劳腐蚀间的相互作用是一个合理、有效且实用的方法．     

既有钢筋混凝土梁时变可靠度计算模型

分析了目前既有结构时变可靠度计算理论和现行规范计算公式,考虑混凝土损伤和钢筋锈蚀以及材料强度随时间劣化的情况,建立了既有钢筋混凝土梁(单筋矩形截面、双筋矩形截面和T形截面)的时变抗力计算模型,给出了既有钢筋混凝土梁的时变可靠度指标,并通过工程实例对既有钢筋混凝土梁进行了加固前计算分析.结果表明:实例结构动态可靠度指标为1.56,承载能力属于d级,这与现行可靠性鉴定标准的评级相吻合,因此,计算模型合理可靠.     

FRP加固已腐蚀混凝土梁的抗疲劳耐久性研究

介绍了碳纤维布（CFRP）加固腐蚀钢筋混凝土的梁静载和疲劳试验过程,探讨了加固方式和纤维布性能对疲劳寿命的影响。试验对象为6根FRP加固腐蚀梁、1根腐蚀未加固梁和1根标准梁（未腐蚀未加固）;加固方式分别是CFRP缠绕加固梁和FRP在梁底抗弯加固且缠绕纤维布;试验过程中3根梁作静载试验,5根梁作疲劳试验。试验结果表明：FRP加固腐蚀梁的静载极限承载力比标准梁提高37％～38％;加固腐蚀梁的疲劳寿命是未加固梁的2～6倍,但低于标准梁。     

动车组轴箱轴承承载能力及疲劳寿命分析

为提高动车组轴箱轴承的承载能力和疲劳寿命,采用响应面法,研究了轴承设计参数对接触应力的影响,并计算了考虑裂纹扩展的轴承疲劳寿命。首先,基于试验设计建立了考虑轴承内径、轴承外径、滚子半径、泊松比和弹性模量等设计参数的轴箱轴承二阶多项式响应面模型;其次,基于响应面模型分析了轴承承载能力,计算了轴箱轴承各设计参数下对应的接触应力;最后,分别计算了轴箱轴承的裂纹萌生寿命以及裂纹扩展寿命。结果表明,此方法能够准确评估轴承承载能力并有效预测其疲劳寿命。     

桥梁缆索钢丝疲劳性能影响因素试验

为研究桥梁缆索钢丝的疲劳与腐蚀疲劳性能，采用不同强度等级新钢丝、服役7年的斜拉桥拉索钢丝和人工加速腐蚀钢丝开展了缆索钢丝疲劳与腐蚀疲劳试验；根据典型疲劳断口宏观形貌特征，探究了缆索钢丝的疲劳断裂机制；采用威布尔分布函数拟合了缆索钢丝的应力-疲劳寿命曲线，对比了不同钢丝应力-疲劳寿命曲线的差异，揭示了强度等级、应力比、腐蚀损伤和腐蚀疲劳损伤4个关键因素对缆索钢丝抗疲劳性能的影响规律，并建议了相应的疲劳强度曲线。试验结果表明：钢丝未发生腐蚀时抗疲劳性能良好，随着强度等级的提高，缆索钢丝的疲劳强度显著增大，对应的疲劳极限也逐渐上升；缆索钢丝的疲劳强度随应力比的增大而显著减小；腐蚀和腐蚀疲劳损伤均会大幅降低缆索钢丝的疲劳强度，腐蚀疲劳损伤对缆索钢丝剩余疲劳寿命的影响大于单一腐蚀损伤；新钢丝的疲劳裂纹起源于表面划痕或材料不均匀处，对于带腐蚀和腐蚀疲劳损伤的钢丝，蚀坑处存在显著的应力集中，疲劳裂纹源形成于钢丝表面蚀坑处，多源裂纹萌生与裂纹不规则扩展的几率增大；桥梁缆索抗疲劳设计与安全评估时应综合考虑钢丝强度等级、应力比、腐蚀和腐蚀疲劳损伤的影响，试验采用国内桥梁缆索广泛使用的钢丝，得到的疲劳强度可...     

梁裂纹位置识别的模态能量法

阐述了梁结构裂纹位置识别的模态能量法,利用结构固有频率的改变对悬臂梁裂纹位置进行了识别,将有限元分析获得的模态应变能分布曲线与不同裂纹位置引起的固有频率改变曲线及应变模态振型进行了对比分析,讨论了不同的单元划分和不同模态阶数对裂纹位置识别的影响。     

钢筋锈蚀对钢-砼梁正截面承载能力影响的参数化分析

钢筋锈蚀程度影响着钢筋混凝土梁的耐久性及其使用性能,同时也对梁的抗弯承载能力产生较大的不利影响。通过分析实际工程中钢筋混凝土梁的裂缝、碳化程度、氯离子侵入深度等诸多病害带来的钢筋锈蚀影响。定义三参数的方法修正抗弯承载力计算公式,完成了钢筋腐蚀后主梁截面抗弯承载能力的参数化分析,进一步验证了钢筋锈蚀发生后的主梁抗弯承载力的控制性因素,从而为后期钢筋混凝土梁的加固设计和防锈设计提供参考。     

点腐蚀作用下非穿透低碳钢板的极限抗压承载能力数值分析

点腐蚀作为海水浸没带腐蚀的一种主要形式,是现役船舶,特别是老龄船结构的重大安全隐患．为了研究点腐蚀对钢板的抗压极限承载能力的影响,文中对未穿透低碳钢板开展了非线性有’限元分析．计算结果表明,单侧点腐蚀引起的偏心对钢板的极限抗压能力有显著影响．点腐蚀越密集（DOP越大）,板越薄（β越大）,点腐蚀深度改变造成板的极限承载能力差异越大,DOP达到或超过20％时尤其显著．大部分船体板属于典型的柔性板（β为3左右）,海水全浸带腐蚀现象严重,点腐蚀密度大,仅采用点腐蚀密集度参数DOP来表征板点腐蚀破坏程度还有所欠缺,薄壁效应需要给予充分考虑．     

辅助变流器用变压器承载结构疲劳强度分析及优化

针对某型辅助变流器样机在振动试验中出现变压器吊座裂纹的情况,对疲劳开裂的原因进行了分析,并优化了变压器吊座结构。同时应用有限元法对优化方案前、后的吊座结构进行了强度校核,并通过疲劳寿命与应力变化的关系公式估算了改进结构的提升效果。试验及装车运行结果证明了优化后方案的可靠性。     

船体梁总纵极限强度的简化计算与参数分析

基于Rahman算法，得到船体梁或箱型梁截面加筋板单元的应力应变关系曲线，根据渐进崩溃破坏法，求得船体梁的极限弯距．编写了FORTRAN90计算程序，并对Nishlhara模型进行数值分析，分别得到屈服应力和板厚对加筋板单元极限强度以及整个模型截面极限弯矩的影响曲线，然后对某大型散货船进行极限承载能力计算。结果表明文中开发的计算程序是正确可靠的。     

公路桥梁受车辆动力作用的疲劳可靠性分析

综合随机动力学和疲劳累积损伤理论对桥梁结构受行驶车辆动荷载作用所产生的重复动应力和动应变，及其使桥梁结构形成的疲劳累积损伤进行了论述，并从结构疲劳抗力和动荷载效应两方面系统地分析了公路桥梁动力疲劳可靠性。     

车轴疲劳裂纹扩展寿命可靠性分析方法

首先对变幅应力下构件的疲劳裂纹扩展过程进行了研究；然后，考虑应力、强度等因素的分散性，应用Paris公式和可靠性理论，推导出变幅应力下构件疲劳裂纹扩展寿命可靠性计算公式，并进行了可行性验证；最后，利用此公式对RD2轴的疲劳裂纹扩展寿命和检修周期进行了可靠性分析．     

钢桥面浇注式沥青铺装复合梁疲劳损伤规律分析

浇注式沥青混合料作为钢桥面典型铺装材料之一,与正交异性钢桥面板构成的组合结构,共同承载车辆荷载.为了探讨钢桥服役期间浇注式沥青混合料材料参数对其复合结构疲劳损伤规律的影响,采用三点加载的复合梁疲劳试验,采集试验过程中荷载、变形参数,计算复合梁损伤变量,分析材料模量、铺装厚度、荷载水平对复合梁疲劳损伤的影响程度.结果表明:相同变形条件下,较高模量的材料提高了铺装层刚度,但自身衰变速度相反更快;厚度变化与复合梁疲劳损伤速率基本呈线性关系;荷载变化对其影响非常大,特别是当施加的荷载初始挠度由0.6 mm增加到0.8 mm时,复合梁疲劳损伤速率加快了180％.     

等效结构应力法在铁路车辆焊接结构中的应用

分析了罐式集装箱在运用过程中箱体框架的焊缝上产生疲劳裂纹的原因,并对焊缝裂纹处采取了局部补强方案,对原方案和补强方案采用等效结构应力法,对焊缝的疲劳寿命进行预测.结果表明补强后的方案使结构应力下降较大,进而增强结构的抗疲劳能力.     

高强钢疲劳裂纹扩展速率的仿真模拟分析

采用相互作用积分法通过ANSYS软件对疲劳裂纹扩展过程进行模拟,并求解应力强度因子。根据试验数据利用MATLAB确定指数模型相关参数,拟合得到指数模型疲劳裂纹扩展速率曲线。将ANSYS所得的应力强度因子与指数模型相结合得到的裂纹扩展速率曲线和指数模型拟合的速率曲线二者与Paris模型速率曲线对比。结果表明:仿真所得的应力强度因子与指数模型相结合所得疲劳裂纹扩展速率曲线比指数模型所拟合出的速率曲线更加贴近Paris模型,这对于分析同类材料的疲劳裂纹扩展速率提供了参考,对分析机械结构的疲劳可靠性具有重要意义。     

体外预应力加固板梁的试验研究

针对某铁路桥拆除的病害板梁,采用了锚固端使用钢锚座施工的体外预应力加固技术,介绍了加固过程。通过对加固前、加固后的静载试验、疲劳试验,分析证明了体外预应力加固法可以显著的提高板梁的承载能力,且板梁经加固后性能稳定,验证了利用体外预应力法对板梁进行加固的可靠性,为类似工程的加固提供了科学依据。     

焊接结构疲劳损伤的实时监测

采用声发射技术监测了焊接梁疲劳试验的过程，准确地监测到了焊缝和应力集中部位处的裂纹萌生及扩展。根据累积声发射振铃计数与时间的关系曲线定义了焊接梁损伤的三个阶段，并在此基础上提出了描述材料疲劳累积损伤的模型。     

基于加速锈蚀试验的RC梁抗弯性能劣化研究

为了有效预测锈蚀钢筋混凝土梁(RC梁)抗弯性能的劣化规律,基于加速锈蚀试验开展了3组RC梁的抗弯性能研究,探讨了不同纵筋锈蚀率对RC梁破坏形态、跨中截面应变分布和荷载-挠度曲线的影响,在现有理论模型适用性评估的基础上,结合材料时变分析模型,提出了RC梁抗弯承载能力劣化规律的分析方法。研究结果表明:随着纵筋锈蚀程度的增大,RC梁的塑性变形特征不断下降,破坏模式也由塑性纯弯转为脆性剪弯,跨中截面中和轴不断上移,平截面假定逐渐无法满足,而且梁体的抗弯承载能力不断减小,其荷载-挠度曲线的承载平台也逐渐变短直至消失。对现有抗弯承载能力模型的适用性分析发现,孙彬模型的计算精度最高,离散性最小;以该模型为基础所建立的RC梁抗弯承载能力劣化分析方法,可以得到与试验结果较吻合的劣化曲线。     

钢筋混凝土框架小震时程可靠度参数敏度分析

采用时程可靠度算法，对小震作用下影响钢筋混凝土框架抗侧向变形能力时程可靠度及其梁、柱单元承载能力时程可靠度的结构参数随机变量进行了敏度分析，并讨论了地震地面运动加速度切口随机变量相关系数的影响，结果表明，构件截面尺寸、层质量、配筋率和钢筋强度变异对框架梁、柱承载能力时程可取指标影响较大；钢筋混凝土弹性模量、构件截面尺寸和阻尼比变异对框架抗侧向变形能力时程可靠指标有较大影响．