考虑温度荷载的矩形渡槽槽身结构时变可靠度分析研究

作     者：杨霖 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宗利

授予年度：2023年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：矩形槽身 时变可靠度 温度应力 时间离散法 Copula函数 

摘      要：钢筋混凝土渡槽作为一种高效的跨域河谷、道路的输水结构,对于均衡国家水资源配置具有重要战略意义。渡槽运行中受到水荷载、冻融、温差、环境侵蚀性介质等影响,无论是混凝土还是钢筋都处于劣化趋势,其安全性随时间逐渐降低。可靠度分析法是目前结构安全评价的重要方法之一,也是现行结构设计规范制定的理论基础。开展薄壁渡槽槽身时变可靠度分析成为渡槽科学评价和加固的基础。本学位论文主要考虑自然环境下大温差环境作用,通过引入时间离散法与Copula理论,分别计算矩形渡槽槽身结构时变可靠度和体系可靠度并作系统分析,为矩形槽身结构安全性评价和寿命预测奠定基础。本学位论文的主要工作及结论如下:(1)给出现行规范关于水工结构承载力与正常使用极限状态目标可靠度的相关规定要求,确定了设计和安全性评价标准,并介绍时间离散法基本原理和功能函数。基于三种方法编写MATLAB计算程序,以Monte Carlo法计算为近似精确解,用以分析对比“动态可靠度法与时间离散法的计算精度。以槽身结构侧墙承载力时变可靠度计算为例分析计算。结果表明:在设计服役寿命内,“动态可靠度法最大误差大于时间离散法近2倍,且在服役后期,时间离散法对于结构安全性评价的结果更加保守,突出了时间离散法对渡槽可靠度计算和安全评价的适用性,同时证实“动态可靠度法存在精度较低的不足。(2)基于渡槽结构设计要求,建立了有无拉杆两种截面形式下的矩形槽身结构纵横两向四部位承载力和抗裂功能函数,并结合时间离散法功能函数,得到基于时间离散法的矩形槽身结构时变可靠度计算模型。基于典型工程渡槽,分别计算了有无拉杆的两种槽身截面形式下渡槽时变可靠度。再以槽身承载力极限状态为研究对象,分析了钢筋锈蚀开始时间对矩形槽身结构时变可靠度影响。结果表明:有无拉杆槽身的承载力与抗裂时变可靠度变化规律均相似。控制状态显然均为纵向承载力,在钢筋和混凝土强度的衰减的双重影响下,纵向承载力时变可靠度在服役后期衰减速度增快。有拉杆的底板跨中部位和无拉杆纵向部位抗裂时变可靠度相对较高。整体来看,各部位均为在服役期内均未低于目标可靠度,表明结构抗裂安全冗余较高。另外,钢筋起锈时间的延后与结构预测寿命同步。30年起锈工况下,预测使用寿命为60年左右,35年起锈工况时为65年后,而40年起锈工况时则为70年后。因此,适当延长钢筋锈蚀开始时间,对结构安全性和寿命保障至关重要。(3)以无顶板矩形槽身结构为基本研究对象,考虑渡槽结构受力及钢筋混凝土结构承载力和正常使用极限状态性质,认为负温度工况对槽身而言是更加危险的情况,并仅对槽身正常使用极限状态有影响。以本团队最新关于矩形渡槽温度梯度模式分布研究成果为基础,通过结构力学法计算得到:纵向温度自应力沿竖向的分布情况整体呈现为两端受拉中间受压,发现槽身最大温度自应力出现在侧墙顶部处,均值达到了3.222MPa,底板处的最大拉应力均值为2.535MPa。叠加温度应力后,横向三部位抗裂可靠度均出现迅速衰减,且衰减速率随时间增大。(4)结合Copula理论,建立了基于Copula函数的结构体系时变可靠度计算模型,给出了矩形槽身结构体系时变可靠度计算流程。考虑结构纵向、侧墙、底板端部和底板跨中四部位承载力极限状态边缘分布,分析二元相关性,得到矩形渡槽槽身结构串联体系联合失效概率和时变可靠度,并与常用的宽、窄界限法结果对比。结果表明:槽身纵向与横向三部位的相关性均极低,可以认为槽身纵向承载力与其它部位的承载力相互独立,互不影响。槽身侧墙与底板跨中间的相关性略高于纵向与其他部位的组合。本文方法的计算结果精确落在宽界限内,但与窄界限法相近,结果偏保守,方法具有一定的适用性。结构体系时变可靠度的控制失效模式,包括各单一失效模式以及侧墙与底板跨中的联合失效模式。