大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變過程的多尺度分析與預(yù)測研究

針對大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變研究中亟待解決的基礎(chǔ)性問題，從理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場測試、工程應(yīng)用四個(gè)方面，深入研究了強(qiáng)（臺）風(fēng)場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）風(fēng)場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）風(fēng)場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)測方法，并將研究成果進(jìn)一步應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程蘇通長江大橋的結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。 本項(xiàng)目內(nèi)容是重大工程結(jié)構(gòu)損傷積累、健康監(jiān)測與安全評定研究中亟待解決的核心問題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。 2100433B

針對大跨度斜拉橋風(fēng)致災(zāi)變研究中亟待解決的基礎(chǔ)性問題，從理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場測試、工程應(yīng)用四個(gè)方面，深入研究強(qiáng)（臺）風(fēng)場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）風(fēng)場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）風(fēng)場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)測方法，并將研究成果進(jìn)一步應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程蘇通長江大橋的結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。. 本項(xiàng)目內(nèi)容是重大工程結(jié)構(gòu)損傷積累、健康監(jiān)測與安全評定研究中亟待解決的核心問題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

本項(xiàng)目圍繞重大研究計(jì)劃的關(guān)鍵科學(xué)問題，開展大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)原型觀測與驗(yàn)證的研究。首先，研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)原型觀測系統(tǒng)；其次，分析原型觀測數(shù)據(jù)研究橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)場特性和模型參數(shù)及風(fēng)-雨耦合等效-相流模型；研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抖振和風(fēng)雨振等風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)的原型驗(yàn)證方法，分析其一致性和差異性；突破風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)限制，研究基于整體模態(tài)和局部應(yīng)變原型監(jiān)測信息的大跨度梁結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力和氣動(dòng)參數(shù)識別方法，揭示氣動(dòng)力和氣動(dòng)參數(shù)的空間相關(guān)性、雷諾數(shù)效應(yīng)和湍流尺度效應(yīng)；發(fā)展橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)雨激振分析方法，揭示雨的作用機(jī)理；研究以原型觀測的結(jié)構(gòu)振動(dòng)為邊界條件的繞流場CFD數(shù)值計(jì)算子結(jié)構(gòu)方法，揭示橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致災(zāi)變及其控制的微觀機(jī)理，為通過原型觀測研究結(jié)構(gòu)風(fēng)致災(zāi)變機(jī)理提供有效的方法。本項(xiàng)目研究，將形成大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)原型觀測的理論、方法、技術(shù)、系統(tǒng)和原始觀測數(shù)據(jù)，具有重要的科學(xué)意義。

大跨度鋼斜拉橋結(jié)構(gòu)纖柔、施工期長、施工工序復(fù)雜，其施工期結(jié)構(gòu)可靠度問題屬于復(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程結(jié)構(gòu)時(shí)變體系可靠度問題，結(jié)合其力學(xué)行為特性，通過仿真分析、現(xiàn)場實(shí)測以及關(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程時(shí)變體系可靠度計(jì)算方法，探明其施工全過程時(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)，其可靠度問題屬于多學(xué)科、多方向交叉的研究領(lǐng)域。本項(xiàng)目針對大跨度鋼斜拉橋施工全過程的結(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程的誤差傳播機(jī)理；4.就結(jié)構(gòu)非線性屈曲問題的求解方法進(jìn)行了深入研究，提出了求解該類問題的改進(jìn)弧長法；5.以多座典型大跨度鋼斜拉橋?yàn)檠芯繉ο?，對其施工全過程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題進(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程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全系數(shù)的演化過程，相關(guān)研究成果有助于深刻認(rèn)識關(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法滿足要求，通過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)測算法；8. 通過改進(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)了對于大跨度鋼斜拉橋施工全過程結(jié)構(gòu)體系主要失效模式的準(zhǔn)確識別；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，對于大跨度鋼斜拉橋施工全過程的結(jié)構(gòu)可靠度問題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，闡明了施工全過程結(jié)構(gòu)體系可靠度的演化規(guī)律。通過本研究加深了對于大跨度鋼斜拉橋施工過程可靠度問題的理解，研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。 2100433B