竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥极限承载能力与失效模式分析

提出采用塑性极限分析法研究竖向荷载作用下大跨飘浮体系斜拉桥的极限承载力和失效模式。基于塑性极限分析的相关假定并结合基本机构证明了该方法应用于斜拉桥失效分析的可行性,结合飘浮体系单塔斜拉桥推导了极限承载力计算公式并分析对应的失效模式,通过优化方法-内点法获得斜拉桥塑性极限荷载及其对应失效模式,并与OpenSEES有限元分析结果进行了对比分析。结果表明:竖向荷载作用下,主梁在拉索屈服强度较小时为整体性破坏,反之则为局部性破坏;相比拉索而言,主梁屈服强度对斜拉桥破坏的影响则正相反;拉索锈蚀在降低斜拉桥极限载荷系数的同时也改变其倒塌失效模式;相比于有限元法,塑性极限分析法简便且易操作,可用于研究竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥的极限承载能力与失效模式,且能够快速有效评估结构参数变化对其失效行为的影响。     

锈蚀RC桥梁弯曲抗力时变概率模型与试验研究

在退化RC结构的时变性能评估、剩余寿命预测以及维修加固决策分析中,其抗力模型的建立至关重要。钢筋锈蚀导致钢筋的屈服强度降低、改变钢筋力学行为和影响钢筋与混凝土之间的粘结行为。钢筋腐蚀损失量影响钢筋的失效模式,即从延性破坏到脆性破坏变化。该文发展了退化RC 桥梁的概率抗力时变模型,可以定量考虑腐蚀对钢筋力学行为、倒塌机理和粘结性能的影响。建立退化结构的抗力概率模型可以抓住退化结构的退化机理、点蚀分布、结构尺寸参数、粘结行为、腐蚀扩展、钢筋失效模式和计算模型的随机性和变异性。RC 梁的加速腐蚀试验和旧桥的破坏性试验验证了该文模型的正确性和可靠性。     

基于蒙特卡罗模拟的高效边坡可靠度修正方法

传统的蒙特卡罗模拟方法在分析由于参数不确定性修正而引起的可靠度修正问题时效率较低。为此,提出了一种基于蒙特卡罗模拟的高效边坡可靠度修正方法,该方法主要包括2个关键步骤:1)根据参数初始分布利用蒙特卡罗模拟方法计算边坡的失效概率,并输出蒙特卡罗模拟的失效样本;2)利用参数统计特征值修正后的联合概率密度函数和蒙特卡罗模拟失效样本计算修正后边坡的失效概率。以两个边坡问题为例说明了所提方法的有效性。结果表明:所提出的方法在计算修正的失效概率过程中无需重新执行蒙特卡罗模拟,计算过程简单、计算效率高。此外,所提方法能够适用于隐式表达功能函数的边坡可靠度修正问题,并能够有效地解决单变量和多变量修正的边坡可靠度修正问题。     

预应力CFRP加固钢筋混凝土受弯构件的抗力概率模型研究

预应力CFRP 加固混凝土结构技术因其在材料性能利用方面的优越性能已成为CFRP 加固的热点方向,其中预应力CFRP 加固结构的可靠性是这一方向研究的重要内容。该文分析了影响预应力CFRP 板加固钢筋混凝土受弯构件承载力的主要变量的概率特征,考虑CFRP 板尺寸效应和应力分布的影响,采用Weibull 分布推导了CFRP 板的极限强度概率分布函数,根据预应力CFRP 张拉工艺,分析了预应力损失随机变量,建立了在不同失效模式(破坏形态)下的受弯构件抗力概率模型,并开展了参数敏感性分析,获得各个失效模式下抗力概率模型的主要影响因素。研究结果表明:抗力概率模型是预应力CFRP 加固结构的失效概率计算与可靠度校准的重要内容之一,各参数的影响规律与各失效模式的破坏形式密切相关。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

TC4钛合金的超高周疲劳行为及其竞争失效模型构建

针对现有模型对TC4竞争失效预测的不准确性,建立了基于最大应力强度因子的竞争失效模型。在室温以及两种应力比下,针对TC4钛合金进行超高周疲劳试验,通过试验与最弱键竞争失效理论相结合的方法进行评估,研究其超高周疲劳性能。通过对试样断口形貌的观察,可将其失效模式分为如下两类:表面失效以及内部失效。对试样表面缺陷以及内部解理刻面尺寸进行测量,并评估其最大应力强度因子值。进一步通过正态分布得到最大应力强度因子的累计分布函数,基于两参数泊松分布建立了与最大应力强度因子有关的竞争失效模型。通过模型计算结果,可以得出在任一最大应力强度因子下试样发生各种失效模式的概率,且经分析对比,本文中TC4两种疲劳失效模式的失效概率评估结果与试验数据吻合较好,为分析TC4钛合金超高周疲劳状态下的疲劳失效模式提出了新的评估方法。     

锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究

该文通过试验研究了锈蚀高强钢丝的锈蚀形貌、产物、力学性能，为其检测评估提供依据。用高分辨率X射线衍射仪和场发射环境扫描电镜分析高强钢丝锈蚀产物，用华朗-3DX+非接触式三维扫描仪确定其截面特性沿钢丝轴向的变化情况，还采用MTS试验机对其进行静力拉伸和疲劳加载试验。通过分析三维扫描数据确定锈蚀高强钢丝表面形貌，基于实测锈蚀高强钢丝力学性能建立本构关系模型参数与锈蚀率的退化关系。试验结果表明:高强钢丝锈蚀截面面积的变异性随锈蚀程度增加越来越显著；极限强度在锈蚀率大于1.25%时小于标准极限强度1770 MPa；断后伸长率在锈蚀率大于5.05%时小于规范限值4%；疲劳寿命在锈蚀率大于4.16%时小于200万次；锈蚀率对高强钢丝弹性模量无明显影响。根据试验结果综合完善了现有规范对锈蚀高强钢丝等级划分的指标值。     

考虑力学机制和不确定性影响的钢筋混凝土柱概率抗剪承载力模型

为了克服传统确定性抗剪承载力模型无法合理考虑不确定性因素影响所存在的缺陷,研究建立了一种能够综合考虑力学机制和不确定性影响的钢筋混凝土（RC）柱概率抗剪承载力模型。首先基于桁架-拱模型,综合考虑混凝土、箍筋和拱作用的抗剪承载力贡献以及不确定性的影响,建立了RC柱概率抗剪承载力模型的解析表达式;然后结合贝叶斯理论和马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）法,确定了概率模型参数的后验分布信息,并分析了概率模型参数的先验分布信息以及更新批次对概率模型参数后验分布的稳定性和收敛性的影响;最后利用试验数据验证了该概率模型的有效性。分析表明,随着试验数据的增加,概率模型参数的后验分布可以实现不断更新;概率抗剪承载力模型不仅可以合理描述抗剪承载力的概率分布特性,而且可以校准分析传统确定性抗剪承载力模型的计算精度。     

基于氯盐最不利侵蚀下锈蚀RC框架结构时变地震易损性研究

基于一维Fick第二定律,采用DuraCrete规范中钢筋锈蚀初始时刻的概率预测模型,并基于概率统计的钢筋直径预测模型,计算不同龄期下RC结构中钢筋的锈蚀深度。基于修正斜压场理论并以锈蚀深度为单变量,对不同龄期下受压区锈胀开裂混凝土峰值应力进行计算;根据锈蚀深度对钢筋本构和Mander约束混凝土本构模型中相关参数进行了修正。于地震易损性模型中引入时间参数,建立含时间参数的RC结构地震易损性模型。最后,基于上述材料力学性能退化模型,采用基于力的纤维塑性铰模型,建立三层RC平面框架结构数值模型,并结合本文所提出的时变地震易损性模型,给出了三层平面RC框架0、5、10和15年龄期的易损性曲线和曲面。所提研究方法可用于既有RC框架结构生命周期内的抗震性能及损失预测分析。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力计算的概率模型

该文针对锈蚀钢筋混凝土（RC）梁抗剪承载力计算的传统确定性模型所存在的缺陷,研究建立了锈蚀RC梁抗剪承载力计算的概率模型。首先综合考虑钢筋锈蚀对箍筋屈服强度、配筋率、配箍率、临界斜裂缝倾角、梁有效抗剪截面积等重要因素的影响,结合修正压力场理论和考虑剪跨比影响的临界斜裂缝倾角模型,建立了锈蚀RC梁抗剪承载力计算的确定性模型;然后综合考虑客观不确定性和主观不确定性的影响,结合贝叶斯理论和马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）法,建立了锈蚀RC梁抗剪承载力计算的概率模型;最后通过与试验数据和传统确定性抗剪承载力计算模型的对比分析,验证了该概率模型的有效性和适用性。分析结果表明,所建立的概率模型不仅可以合理描述锈蚀RC梁抗剪承载力的概率分布特性,而且可以校准传统确定性抗剪承载力模型的计算精度和置信水平,具有良好的有效性和适用性。     

腐蚀油气管线的可靠性分析

ASME B31G是国际通用的评价腐蚀管线失效应力的标准,考虑到这种方法的保守性,以修正后的B31G模型作为研究腐蚀管线失效应力的基础,考虑管壁厚度、腐蚀速率、工作压力、缺陷深度等随机变量,构建腐蚀油气管线可靠性极限状态函数。然后,采用一次二阶矩法对腐蚀管线进行可靠性分析,得出管线的失效概率、可靠性指标以及剩余使用寿命。此外,为了更加规范的管理腐蚀管线,参照美国石油组织的相关规定,对不同失效概率的管线进行了等级划分。在最后的案例分析中,还讨论失效概率对不同变异系数对的敏感性,计算结果表明失效概率对管壁厚度的变异系数最为敏感。     

Stochastic modelling of perfect inspection and repair actions for leak–failure prone internal corroded pipelines

To enhance the performance of any facility, reduce cost and failure probability involves proper inspection and repair decisions. To be able to establish the cost of repair and inspection of corroded pipelines at different stages of the corrosion defect depth growth, Markov modelling technique was adopted. This model formulated an inspection and repair technique, which has the potentials of aiding policy makers in maintenance management of internally corroded pipelines. The transition states were determined using the Remaining Useful Life (RUL) of the pipelines whilst Weibull distribution was used for calculating the corrosion wastage rates at the lifecycle transition phases. Monte Carlo simulation and degradation models were applied for determining future corrosion defect depth growth, in a bid to establish periodic inspection and repair procedures and their costs. Data from an onshore pipeline inspected with Magnetic Flux Leakage (MFL) in-Line-Inspection (ILI) technique was used to test the validity of the model. The results obtained indicate that the model has practical applications for inspection and repairs of aged-internally corroded pipelines.     

Probabilistic analysis of corroded pipelines based on a new failure pressure model

The paper provides a new model to predict the burst pressure for corroded pipeline by finite element method. Error analysis with commonly used models shows that the new model has better prediction precision. Based on this model, the limit state equation is established and numerically solved by using Monte Carlo Simulation (MCS). It shows that the new model is feasible for reliability analysis of corroded pipelines when compared with other widely used models. The sensitivity analysis of parameters and model revealed that the corrosion depth and the pipeline operation pressure have the most influence on the pipeline failure probability.     

钢芯铝绞线的铝线在NaCl溶液中的腐蚀行为

钢芯铝绞线正常运行温度达80℃,受到环境中盐离子的严重腐蚀。采用Tafel直线外推法、电化学阻抗谱法及加速腐蚀试验法,研究了钢芯铝绞线的铝线在不同浓度NaCl溶液中的腐蚀行为,利用SEM和XRD等表征了其腐蚀表面状态及产物形貌。结果表明:随着NaCl浓度的升高,铝线的自腐蚀电位负移,极化电阻变小,腐蚀速率增大,当NaCl为70 mg/L时腐蚀速率急剧增加,是10 mg/L NaCl时的40倍;腐蚀产物及钢芯表面镀锌层可抑制铝线的腐蚀,铝线腐蚀后的表面出现大量的"麻点"及腐蚀坑,白色的腐蚀产物主要由Zn0.64Al0.36(OH)2(CO3)0.18.0.86H2O组成。     

几种线缆金属材料的土壤腐蚀特性

采用自然埋藏的研究方法,对线缆金属材料铜、铝、铅在我国各种土壤中的腐蚀试验结果和腐蚀产物进行了分析,总结了腐蚀特征和规律,探讨了土壤及微生物对腐蚀的影响.结果表明:铜、铝、铅平均腐蚀率随时间变化规律基本遵循方程式V=At8;铜在内陆盐土,铝在碱性土壤,铅在酸性土及潮湿草甸土、紫色土中呈局部斑点腐蚀;局部腐蚀产物不具保护性;影响铜、铝、铅局部腐蚀的主要因素是土壤质地,含水量,可溶性盐Clˉ、SO2ˉ4及微生物.     

Determination of bounds on failure probability in the presence of hybrid uncertainties

A fundamental component of safety assessment is the appropriate representation and incorporation of uncertainty. A procedure for handling hybrid uncertainties in stochastic mechanics problems is presented. The procedure can be used for determining the bounds on failure probability for cases where failure probability is a monotonic function of the fuzzy variables. The procedure is illustrated through an example problem of safety assessment of a nuclear power plant piping component against stress corrosion cracking, considering the stochastic evolution of stress corrosion cracks with time. It is found that the bounds obtained enclose the values of failure probability obtained from probabilistic analyses.     

多龄期桥梁斜拉索疲劳损伤演化声发射监测技术研究

斜拉索在斜拉桥体系中有着举足轻重的作用,但易遭受腐蚀和疲劳累积损伤。目前对多龄期斜拉索腐蚀疲劳损伤演化规律的研究还较少。拟采用声发射技术监测国内某大桥腐蚀斜拉索疲劳损伤演化过程。首先,通过拉伸试验,得到了斜拉索中腐蚀钢丝和未腐蚀钢丝的应力-应变关系曲线,其实验结果表明腐蚀对斜拉索力学性能有较大的影响;其次对大桥拆下来的多龄期斜拉索进行疲劳测试,运用声发射技术监测了它的动态损伤过程,获得了斜拉索整个损伤过程的声发射特征参数,根据声发射累积能量参数分析结果,得到了多龄期斜拉索疲劳损伤演化规律;最后,对斜拉索疲劳损伤演化的各个阶段声发射波形进行小波分析,提取出各自的特征波形,并运用FFT分析其频率分布范围,进一步分析了损伤的形成原因,实现了对多龄期斜拉索损伤声发射源类型的确定     

Sampling inspection for the evaluation of time-dependent reliability of deteriorating systems under imperfect defect detection

The paper presents a sampling-inspection strategy for the evaluation of time-dependent reliability of deteriorating systems, where the deterioration is assumed to initiate at random times and at random locations. After initiation, defects are weakening the system's resistance. The system becomes unacceptable when at least one defect reaches a critical depth. The defects are assumed to initiate at random times modeled as event times of a non-homogeneous Poisson process (NHPP) and to develop according to a non-decreasing time-dependent gamma process. The intensity rate of the NHPP is assumed to be a combination of a known time-dependent shape function and an unknown proportionality constant. When sampling inspection (i.e. inspection of a selected subregion of the system) results in a number of defect initiations, Bayes’ theorem can be used to update prior beliefs about the proportionality constant of the NHPP intensity rate to the posterior distribution. On the basis of a time- and space-dependent Poisson process for the defect initiation, an adaptive Bayesian model for sampling inspection is developed to determine the predictive probability distribution of the time to failure. A potential application is, for instance, the inspection of a large vessel or pipeline suffering pitting/localized corrosion in the oil industry. The possibility of imperfect defect detection is also incorporated in the model.