大跨度鋼斜拉橋施工全過(guò)程時(shí)變體系多尺度可靠度研究項(xiàng)目摘要

大跨度鋼斜拉橋結(jié)構(gòu)纖柔、施工期長(zhǎng)、施工工序復(fù)雜，其施工期結(jié)構(gòu)可靠度問(wèn)題屬于復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度研究的前沿課題。圍繞大跨度鋼斜拉橋施工全過(guò)程結(jié)構(gòu)時(shí)變體系可靠度問(wèn)題，結(jié)合其力學(xué)行為特性，通過(guò)仿真分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及關(guān)鍵構(gòu)件試驗(yàn)，從關(guān)鍵構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系多尺度層面闡明結(jié)構(gòu)時(shí)變體系的主要失效模式及其力學(xué)機(jī)理；采用多尺度可靠度新理念，建立大跨度鋼斜拉橋施工全過(guò)程時(shí)變體系的多尺度可靠度模型，研究并揭示結(jié)構(gòu)時(shí)變體系可靠度與其關(guān)鍵構(gòu)件可靠度間的相互關(guān)系規(guī)律；提出基于多尺度可靠度模型的大跨度鋼斜拉橋施工過(guò)程時(shí)變體系可靠度計(jì)算方法，探明其施工全過(guò)程時(shí)變體系可靠度的演化規(guī)律并建立相應(yīng)的可靠度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。本項(xiàng)目研究成果可為大跨度鋼斜拉橋設(shè)計(jì)理論、施工控制決策、災(zāi)害性工程事故預(yù)防及對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)并為其設(shè)計(jì)及施工規(guī)范的制定提供重要參考，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

大跨度鋼斜拉橋的施工過(guò)程屬于結(jié)構(gòu)體系和荷載作用體系的雙重時(shí)變系統(tǒng)，其可靠度問(wèn)題屬于多學(xué)科、多方向交叉的研究領(lǐng)域。本項(xiàng)目針對(duì)大跨度鋼斜拉橋施工全過(guò)程的結(jié)構(gòu)體系可靠度和關(guān)鍵構(gòu)件可靠度兩方面問(wèn)題展開研究，所取得的主要研究成果包括：1.建立了大跨度斜拉橋全過(guò)程自適應(yīng)施工控制理論體系及控制系統(tǒng)；2.收集了多座典型大跨度鋼斜拉橋施工期作用（荷載）和構(gòu)件抗力的原始資料，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到了主要作用（荷載）和構(gòu)件抗力的關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)參數(shù)及其概率分布特征；3.探明了大跨度鋼斜拉橋施工全過(guò)程的誤差傳播機(jī)理；4.就結(jié)構(gòu)非線性屈曲問(wèn)題的求解方法進(jìn)行了深入研究，提出了求解該類問(wèn)題的改進(jìn)弧長(zhǎng)法；5.以多座典型大跨度鋼斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)其施工全過(guò)程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，確定了其關(guān)鍵影響因素并探明了施工全過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全系數(shù)的演化過(guò)程，相關(guān)研究成果有助于深刻認(rèn)識(shí)關(guān)鍵施工階段大跨度鋼斜拉橋的主要失效模式及其失效機(jī)理；6.對(duì)于包括錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)和PBL剪力連接件群在內(nèi)的大跨度鋼斜拉橋關(guān)鍵傳力構(gòu)件的受力特性進(jìn)行了研究，探明了其傳力機(jī)理，提出了PBL剪力連接件群的荷載—滑移變形協(xié)調(diào)理論模型；7.非線性因素對(duì)于大跨度鋼斜拉橋結(jié)構(gòu)可靠度的影響不容忽視，傳統(tǒng)的一階可靠度分析方法因計(jì)算精度方面的不足無(wú)法滿足要求，通過(guò)深入研究揭示了二次二階矩可靠度指標(biāo)與一次二階矩可靠度指標(biāo)之間的關(guān)系規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)二次二階矩可靠度指標(biāo)的回歸分析預(yù)測(cè)算法；8. 通過(guò)改進(jìn)的全局β約界算法，基于構(gòu)件的可靠度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于大跨度鋼斜拉橋施工全過(guò)程結(jié)構(gòu)體系主要失效模式的準(zhǔn)確識(shí)別；以條件概率降維計(jì)算理論為基礎(chǔ)，將模式失效概率的逐步微分等價(jià)遞歸計(jì)算改進(jìn)為高維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的多重積分，在此基礎(chǔ)上利用迭代降維計(jì)算方法將高維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布轉(zhuǎn)化為多個(gè)一維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的乘積，提出了模式失效概率計(jì)算的改進(jìn)微分等價(jià)遞歸算法；考慮失效模式間的相關(guān)性，基于串聯(lián)模式失效概率計(jì)算理論發(fā)展了適用于大跨度鋼斜拉橋施工期體系可靠度分析的二階窄可靠度上下界計(jì)算理論，并就界寬成因及其關(guān)鍵影響因素等進(jìn)行了深入研究。根據(jù)上述理論與方法，對(duì)于大跨度鋼斜拉橋施工全過(guò)程的結(jié)構(gòu)可靠度問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，闡明了施工全過(guò)程結(jié)構(gòu)體系可靠度的演化規(guī)律。通過(guò)本研究加深了對(duì)于大跨度鋼斜拉橋施工過(guò)程可靠度問(wèn)題的理解，研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。 2100433B

針對(duì)大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變研究中亟待解決的基礎(chǔ)性問(wèn)題，從理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、工程應(yīng)用四個(gè)方面，深入研究了強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場(chǎng)作用下大跨度斜拉橋的動(dòng)力學(xué)行為、損傷破壞演化機(jī)理及其過(guò)程，主要包括：1) 揭示了大跨度斜拉橋的多尺度物理機(jī)制及其耦合機(jī)理，建立了強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場(chǎng)作用下大跨度斜拉橋基于物理的、一體化的動(dòng)力行為描述與分析方法；2) 研究了大跨度斜拉橋在強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場(chǎng)作用下材料尺度的損傷演化行為及損傷累積效應(yīng)，揭示了損傷演化從材料尺度向構(gòu)件尺度發(fā)展的機(jī)理和特性，在此基礎(chǔ)上研究了構(gòu)件尺度的損傷演化規(guī)律及其失效破壞機(jī)理；3) 研究了大跨度斜拉橋構(gòu)件尺度破壞與整體結(jié)構(gòu)尺度破壞之間的關(guān)系，建立了大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變破壞的預(yù)測(cè)方法，并將研究成果進(jìn)一步應(yīng)用于國(guó)家重點(diǎn)工程蘇通長(zhǎng)江大橋的結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。 本項(xiàng)目?jī)?nèi)容是重大工程結(jié)構(gòu)損傷積累、健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定研究中亟待解決的核心問(wèn)題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。 2100433B

針對(duì)大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變研究中亟待解決的基礎(chǔ)性問(wèn)題，從理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、工程應(yīng)用四個(gè)方面，深入研究強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場(chǎng)作用下大跨度斜拉橋的動(dòng)力學(xué)行為、損傷破壞演化機(jī)理及其過(guò)程，主要包括：1) 揭示大跨度斜拉橋的多尺度物理機(jī)制及其耦合機(jī)理，建立強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場(chǎng)作用下大跨度斜拉橋基于物理的、一體化的動(dòng)力行為描述與分析方法；2) 研究大跨度斜拉橋在強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)場(chǎng)作用下材料尺度的損傷演化行為及損傷累積效應(yīng)，揭示損傷演化從材料尺度向構(gòu)件尺度發(fā)展的機(jī)理和特性，在此基礎(chǔ)上研究構(gòu)件尺度的損傷演化規(guī)律及其失效破壞機(jī)理；3) 研究大跨度斜拉橋構(gòu)件尺度破壞與整體結(jié)構(gòu)尺度破壞之間的關(guān)系，建立大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變破壞的預(yù)測(cè)方法，并將研究成果進(jìn)一步應(yīng)用于國(guó)家重點(diǎn)工程蘇通長(zhǎng)江大橋的結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。. 本項(xiàng)目?jī)?nèi)容是重大工程結(jié)構(gòu)損傷積累、健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定研究中亟待解決的核心問(wèn)題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

本項(xiàng)目以能源與環(huán)境學(xué)科中幾個(gè)典型的多尺度流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)工程問(wèn)題為結(jié)合點(diǎn)，以本團(tuán)隊(duì)上一個(gè)重點(diǎn)基金研究結(jié)果為基礎(chǔ)，著重開展多尺度數(shù)值模擬中一些關(guān)鍵數(shù)值問(wèn)題的研究，并輔以必要的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，發(fā)展有效的適用于流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)問(wèn)題的多尺度數(shù)值研究方法，構(gòu)建高效穩(wěn)定的多尺度計(jì)算體系。進(jìn)一步揭示不同尺度上流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過(guò)程之間的耦合機(jī)制。在數(shù)值研究方面：構(gòu)建了聯(lián)系LBM及FVM的統(tǒng)一標(biāo)量重構(gòu)算子，并將其擴(kuò)展應(yīng)用到可壓縮流動(dòng)模擬中；采用LBM方法成功模擬核態(tài)沸騰模，克服了現(xiàn)有文獻(xiàn)中能量方程處理中的一些欠妥之處；通過(guò)數(shù)值風(fēng)洞確認(rèn)了外掠樓宇與街區(qū)的流動(dòng)存在與雷諾數(shù)密切相關(guān)及微弱相關(guān)的兩個(gè)區(qū)域；并且提出了相對(duì)變化率5%作為確定與雷諾無(wú)關(guān)流動(dòng)臨界雷諾數(shù)的依據(jù)；實(shí)驗(yàn)研究方面：基于質(zhì)子交換膜燃料電池、太陽(yáng)能空氣吸熱器及大型濕熱風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)，發(fā)展相應(yīng)的多尺度問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)方法，深入研究了其中所發(fā)生的多尺度現(xiàn)象的基本規(guī)律，為考核與完善所建立的多尺度模型和數(shù)值方法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 2100433B