大跨度斜拉橋風致災(zāi)變過程的多尺度分析與預(yù)測研究結(jié)題摘要

針對大跨度斜拉橋風致災(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、試驗研究和現(xiàn)場測試、工程應(yīng)用四個方面，深入研究了強（臺）風場作用下大跨度斜拉橋的動力學行為、損傷破壞演化機理及其過程，主要包括：1) 揭示了大跨度斜拉橋的多尺度物理機制及其耦合機理，建立了強（臺）風場作用下大跨度斜拉橋基于物理的、一體化的動力行為描述與分析方法；2) 研究了大跨度斜拉橋在強（臺）風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致災(zāi)變破壞的預(yù)測方法，并將研究成果進一步應(yīng)用于國家重點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，具有重要的學術(shù)價值。 2100433B

針對大跨度斜拉橋風致災(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、試驗研究和現(xiàn)場測試、工程應(yīng)用四個方面，深入研究強（臺）風場作用下大跨度斜拉橋的動力學行為、損傷破壞演化機理及其過程，主要包括：1) 揭示大跨度斜拉橋的多尺度物理機制及其耦合機理，建立強（臺）風場作用下大跨度斜拉橋基于物理的、一體化的動力行為描述與分析方法；2) 研究大跨度斜拉橋在強（臺）風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致災(zāi)變破壞的預(yù)測方法，并將研究成果進一步應(yīng)用于國家重點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，具有重要的學術(shù)價值。

本項目圍繞重大研究計劃的關(guān)鍵科學問題，開展大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風致動力災(zāi)變效應(yīng)原型觀測與驗證的研究。首先，研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風致動力災(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)風場特性和模型參數(shù)及風-雨耦合等效-相流模型；研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抖振和風雨振等風致動力災(zāi)變效應(yīng)的原型驗證方法，分析其一致性和差異性；突破風洞試驗技術(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)氣動力和氣動參數(shù)識別方法，揭示氣動力和氣動參數(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)風雨激振分析方法，揭示雨的作用機理；研究以原型觀測的結(jié)構(gòu)振動為邊界條件的繞流場CFD數(shù)值計算子結(jié)構(gòu)方法，揭示橋梁結(jié)構(gòu)風致災(zāi)變及其控制的微觀機理，為通過原型觀測研究結(jié)構(gòu)風致災(zāi)變機理提供有效的方法。本項目研究，將形成大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風致動力災(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)，具有重要的科學意義。

大跨度鋼斜拉橋結(jié)構(gòu)纖柔、施工期長、施工工序復雜，其施工期結(jié)構(gòu)可靠度問題屬于復雜受力結(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)時變體系可靠度問題，結(jié)合其力學行為特性，通過仿真分析、現(xiàn)場實測以及關(guān)鍵構(gòu)件試驗，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)時變體系的主要失效模式及其力學機理；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變體系的多尺度可靠度模型，研究并揭示結(jié)構(gòu)時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變體系可靠度計算方法，探明其施工全過程時變體系可靠度的演化規(guī)律并建立相應(yīng)的可靠度評價準則。本項目研究成果可為大跨度鋼斜拉橋設(shè)計理論、施工控制決策、災(zāi)害性工程事故預(yù)防及對策提供科學依據(jù)并為其設(shè)計及施工規(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變系統(tǒng)，其可靠度問題屬于多學科、多方向交叉的研究領(lǐng)域。本項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)計分析得到了主要作用（荷載）和構(gòu)件抗力的關(guān)鍵統(tǒng)計參數(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理；4.就結(jié)構(gòu)非線性屈曲問題的求解方法進行了深入研究，提出了求解該類問題的改進弧長法；5.以多座典型大跨度鋼斜拉橋為研究對象，對其施工全過程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題進行了深入研究，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)件的受力特性進行了研究，探明了其傳力機理，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與一次二階矩可靠度指標之間的關(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的回歸分析預(yù)測算法；8. 通過改進的全局β約界算法，基于構(gòu)件的可靠度指標實現(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確識別；以條件概率降維計算理論為基礎(chǔ)，將模式失效概率的逐步微分等價遞歸計算改進為高維標準正態(tài)分布的多重積分，在此基礎(chǔ)上利用迭代降維計算方法將高維標準正態(tài)分布轉(zhuǎn)化為多個一維標準正態(tài)分布的乘積，提出了模式失效概率計算的改進微分等價遞歸算法；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算理論，并就界寬成因及其關(guān)鍵影響因素等進行了深入研究。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