劉揚(yáng)　汪勤用　魯乃唯

摘要：疲勞損傷和大氣腐蝕作用致使斜拉索性能退化，影響斜拉橋運(yùn)營(yíng)期的安全水平.為了分析拉索抗力退化對(duì)斜拉橋體系可靠度的影響， 建立了斜拉索抗力退化的串并聯(lián)概率模型，提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)的斜拉橋時(shí)變體系可靠度分析方法.以經(jīng)典斜拉橋和某大跨度雙塔混凝土斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯苛丝紤]拉索抗力退化的結(jié)構(gòu)時(shí)變體系可靠度.研究結(jié)果表明：對(duì)于稀索體系的小跨度斜拉橋，隨著斜拉索抗力的逐步退化，橋梁結(jié)構(gòu)體系的主要的失效路徑為由梁和塔的彎曲失效逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛衫鞲g引起的拉索強(qiáng)度失效；當(dāng)拉索抗力退化后的可靠度低于主梁關(guān)鍵截面可靠度時(shí)，結(jié)構(gòu)體系可靠度將顯著降低；對(duì)于密索體系的大跨度斜拉橋，在拉索疲勞和腐蝕共同作用下，該斜拉橋體系可靠指標(biāo)將在29年降低到5.2.

關(guān)鍵詞：斜拉橋；抗力退化；腐蝕；強(qiáng)度失效；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；體系可靠度

中圖分類號(hào)：U448.27文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

System Reliability Assessment of Cablestayed

Bridges Considering Cable Resistance Degradation

LIU Yang1， WANG Qinyong1，2， LU Naiwei1

（1. School of Civil Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha410114， China；

2. National Joint Engineering Research Laboratory for Longterm Performance Improvement Technology

for Bridges in Southern China， Changsha University of Science and Technology， Changsha410114， China）

Abstract：Fatigue damage and atmospheric corrosion lead to the degradation of cable performance， which affects the lifetime safety risk of the cablestayed bridge. In order to investigate the influence of cable resistance degradation on the system reliability of cablestayed bridges， a seriesparallel probability model of the cable resistance was established. A framework for timevariant system reliability evaluation of cablestayed bridges was presented based on machine learning. Both a typical bridge and a longspan cablestayed bridge were selected as prototypes to investigate the influence of the cable degradation on their structural system reliability indices. Numerical results show that the dominant failure sequence of the shortspan bridge with shortspacing cables changes from the bending failure of girders and pylons to the tensile failure of cables due to the cable corrosion. As a result， the structural system reliability significantly decreases in the period that the cable reliability is inferior to the one of the critical girder. For the longspan bridge with longspacing cables， the system reliability index decreases to the threshold value 5.2 in the 29year service period taking into account both fatigue and corrosion.

Key words：cablestayed bridge； resistance degradation； corrosion； strength failure； risk assessment； system reliability

斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)之一是斜拉索為主梁提供了彈性支撐[1].然而，拉索作為斜拉橋的主要承重構(gòu)件，易受大氣腐蝕及車載疲勞損傷致使強(qiáng)度降低[2].Mehrabi等[3]研究發(fā)現(xiàn)Hale Boggs橋的72根斜拉索中有39根在25年服役期后需修復(fù)或更換.拉索強(qiáng)度退化增加了拉索斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可能導(dǎo)致其他拉索、主梁的破壞，甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需采用抗連續(xù)性倒塌的理念對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).雖然斜拉橋的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中提出了魯棒性的建議，但仍需進(jìn)一步研究隨機(jī)因素與斜拉索抗力共同作用下既有斜拉橋的體系可靠度.

拉索腐蝕或拉索斷裂情況下的斜拉橋的力學(xué)性能研究成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn).Xu等[4]運(yùn)用橢圓近似模擬精確描述高強(qiáng)度鋼絲腐蝕坑，并對(duì)腐蝕坑的幾何形態(tài)參數(shù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，表明腐蝕拉索的極限承載能力與橫截面面積的不均勻減小有關(guān).Xu等[5]利用串并聯(lián)體系研究了在假定腐蝕分布的拉索橫截面處的力學(xué)行為.Mozos等[6]對(duì)斜拉橋在拉索斷裂時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究.Zhou等[7]利用車橋風(fēng)耦合振動(dòng)模型研究了拉索損傷引起的大跨度斜拉橋在汽車荷載作用下的動(dòng)力性能.Aoki等[8]采用魯棒性設(shè)計(jì)以避免拉索損傷的傳遞.

除了上述力學(xué)行為的研究進(jìn)展，斜拉橋可靠性評(píng)估領(lǐng)域也得到了深入的研究.劉揚(yáng)等[9]提出了一種基于更新支持向量的體系可靠度分析方法，將傳統(tǒng)的用于構(gòu)件可靠度分析的支持向量機(jī)（SVM）改進(jìn)并應(yīng)用于斜拉橋體系可靠度分析.Li等[10]利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了大跨度橋梁的可靠性.由于斜拉橋是靜態(tài)不確定的結(jié)構(gòu)，體系可靠度理論吸引了廣大研究學(xué)者的關(guān)注.Bruneau[11]利用體系可靠度方法分析斜拉橋的最終全局行為，發(fā)現(xiàn)9種潛在的失效模式.Liu等[12]開發(fā)了一種自適應(yīng)支持向量回歸（ASVR）方法，適用于包括斜拉橋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的體系可靠度評(píng)估.魯乃唯等[13]提出了一種基于聯(lián)合智能算法的大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)體系可靠度分析方法.然而，考慮拉索抗力退化的斜拉橋體系可靠性評(píng)估的研究進(jìn)展相對(duì)滯后，其關(guān)鍵原因是結(jié)構(gòu)失效模式的復(fù)雜性和拉索抗力退化將增大結(jié)構(gòu)分析繁冗的計(jì)算工作量.傳統(tǒng)的方法，如β約界法、分支約界法[14]等在大跨度橋梁中的應(yīng)用也相對(duì)不足.

本文提出了考慮拉索抗力退化的斜拉橋結(jié)構(gòu)體系可靠度分析方法.首先，采用串并聯(lián)體系建立拉索的抗力退化概率模型.然后，提出了集成智能機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的計(jì)算框架和運(yùn)算程序.最后，選擇兩座斜拉橋作為算例，分析拉索抗力退化對(duì)結(jié)構(gòu)體系可靠度的影響，并得出了疲勞和腐蝕效應(yīng)引起的拉索抗力退化對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效路徑和體系可靠度的影響規(guī)律.

1拉索抗力退化公式

1.1拉索強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型

平行鋼絲和鋼絞線是橋梁工程中斜拉索的常見類型.平行拉索由直圓平行鋼絲及聚苯乙烯管組成.除了材料特性，平行鋼絲的強(qiáng)度也與鋼絲的長(zhǎng)度、數(shù)量及拉索抗力退化有關(guān)[15].首先，研究由拉索長(zhǎng)度及數(shù)量的影響下拉索抗力退化的數(shù)學(xué)模型.

如圖1所示，拉索可在并聯(lián)系統(tǒng)中建模.其中每根鋼絲可模擬為串聯(lián)系統(tǒng)，所有鋼絲一起工作形成并聯(lián)系統(tǒng).對(duì)于串聯(lián)系統(tǒng)，可將取決于鋼絲長(zhǎng)度的相關(guān)因素來模擬單根鋼絲.鋼絲中的材料屬性和缺陷可通過在串聯(lián)系統(tǒng)中定義為L(zhǎng)0的相對(duì)長(zhǎng)度來考慮.拉索強(qiáng)度隨相對(duì)長(zhǎng)度的減少或鋼絲長(zhǎng)度的增大而降低.因此，拉索強(qiáng)度模型中相對(duì)長(zhǎng)度和鋼絲長(zhǎng)度都應(yīng)被考慮，拉索強(qiáng)度分布函數(shù)可采用Weibull分布函數(shù)來表示：

FZ（z）=1-exp-λzuk （1）

式中：z是鋼絲的強(qiáng)度；λ、u和k是極限承載力試驗(yàn)和最大似然估計(jì)法的Weibull分布中的參數(shù).鋼絲強(qiáng)度可由比例因子λ的函數(shù)表示，比例因子λ是鋼絲樣本的長(zhǎng)度和相對(duì)長(zhǎng)度之間的比率.Faber等[16]開展的100 m長(zhǎng)鋼絲實(shí)驗(yàn)研究表明：未受損鋼絲（λ=3）和被腐蝕鋼絲（λ=200）的鋼絲強(qiáng)度平均值分別為1 748 MPa和1 650 MPa.根據(jù)Faber的結(jié)論，鋼絲強(qiáng)度的變異性是可忽略的.

除了單根鋼絲的串聯(lián)系統(tǒng)之外，斜拉索由多根鋼絲并聯(lián)而成，如圖1所示.在并聯(lián)系統(tǒng)中，拉索中鋼絲數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致每根鋼絲的平均強(qiáng)度降低，這就是所謂的丹尼爾效應(yīng).一般來說，強(qiáng)度可以減少高達(dá)約8%，且丹尼爾效應(yīng)的偏差可忽略.

1.2拉索強(qiáng)度的抗力退化

鑒于高應(yīng)力拉索更容易被腐蝕[17]，拉索將在腐蝕和循環(huán)應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下銹蝕并斷裂.因此，拉索抗力退化是現(xiàn)有拉索支撐結(jié)構(gòu)的橋梁中常見的現(xiàn)象.拉索的抗力退化有不同的形式，包括應(yīng)力腐蝕開裂、點(diǎn)腐蝕、腐蝕疲勞和氫脆變，這些都將降低鋼絲的強(qiáng)度和延性，導(dǎo)致拉索的使用壽命降低.本研究考慮了大氣腐蝕和疲勞損傷導(dǎo)致的拉索抗力退化.

在疲勞損傷累積理論中，在平均應(yīng)力范圍內(nèi)未損壞的鋼絲的失效時(shí)間可以假定為相同且獨(dú)立的.具有最小失效時(shí)間的鋼絲首先在體系中斷開，隨后，剩余的鋼絲的應(yīng)力將重新分布.因此，初始失效時(shí)間的概率分布函數(shù)為[18]：

FN（Seq，N）=1-expΔSeqrcαNKαm （2）

式中：ΔSeq和N分別為等效應(yīng)力范圍和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；α、m和K是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試估算的未知系數(shù)；rc是與拉索橫截面面積相關(guān)的參數(shù).Faber等[16]利用超聲波檢查技術(shù)研究疲勞應(yīng)力退化機(jī)理，提出主纜、吊桿及拉索在未腐蝕和腐蝕兩種情況下抗力退化的功能函數(shù).基于Faber等[16] 的研究結(jié)果，對(duì)20年服役期的未腐蝕和腐蝕鋼絲的強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插，如圖2所示.

如圖2所示，未腐蝕的拉索強(qiáng)度僅跟疲勞損傷有關(guān)，腐蝕的拉索強(qiáng)度跟疲勞與腐蝕均相關(guān).可以看出，疲勞作用和疲勞腐蝕效應(yīng)共同作用下的拉索在20年服役期內(nèi)的強(qiáng)度系數(shù)分別為0.928和0.751.此外，疲勞效應(yīng)的曲線接近線性，然而疲勞腐蝕效應(yīng)的曲線是非線性的.因此，腐蝕作用是導(dǎo)致拉索強(qiáng)度快速降低的重要因素.

2體系可靠度評(píng)估框架

2.1斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的特征

斜拉橋是由多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，并由這些構(gòu)件組成系統(tǒng)來支撐外部荷載.隨著橋跨的增大，力學(xué)性能和失效模式表現(xiàn)出各自的獨(dú)特性，這些都影響斜拉橋的體系安全性.除了要考慮構(gòu)件級(jí)別的特性，如拉索的非線性行為[19]，還應(yīng)進(jìn)一步考慮體系的特性.

首先，由于斜拉索的高應(yīng)力，使得索塔和主梁均表現(xiàn)出梁柱構(gòu)件的特性.因此，梁柱效應(yīng)是其結(jié)構(gòu)體系的顯著特征.彎矩和軸力之間的關(guān)系將影響構(gòu)件剛度系數(shù)和內(nèi)力.梁柱的相互作用為二階效應(yīng)，可采用穩(wěn)定性函數(shù)予以考慮.假設(shè)中空矩形截面，其中最終的中性軸位于腹板處，通過塑性分析，軸向彎曲相互作用的曲線可寫為[20]：

MMP=1-PPP2A24wZx （3）

式中：M為施加的力矩；MP為在無軸向荷載情況下的塑性力矩值；P為施加的軸力值；PP為在無施加力矩情況下的塑性軸力值；w為腹板厚度；Zx為彎曲塑性模量.

其次，由于斜拉橋是由主梁、斜拉索和索塔構(gòu)成的不確定的體系，其失效模式和失效路徑直接影響體系的可靠度.一般來說，斜拉橋的潛在失效模式是索塔和主梁的彎曲失效、斜拉索的強(qiáng)度失效和索塔的穩(wěn)定性失效.識(shí)別失效路徑的常規(guī)方法與所選擇的搜索方法有關(guān).對(duì)于斜拉索的脆性破壞，采用刪除失效的拉索而構(gòu)成失效路徑；對(duì)于混凝土構(gòu)件的延性破壞（如主梁或索塔的彎曲失效），采用在失效位置處添加塑性鉸來構(gòu)成失效路徑.采用分支約界法，即β約界法，逐個(gè)搜索失效單元，組成失效路徑.假定斜拉橋單元數(shù)量為n，若k-1個(gè)單元（r1，r2，…，rk-1）均已失效，則第k個(gè)單元的條件可靠指標(biāo)為：

β（k）rk/=β（k）rk/r1，r2，…，rk-1=Φ-1P（E（k）rk/） （4）

式中：E（k）rk/表示第k個(gè)構(gòu)件失效事件；P（）表示事件發(fā)生的概率；Φ-1（）為累積分布函數(shù)逆函數(shù)；β（k）rk/r1，r2，…，rk-1是第k個(gè)單元的條件可靠性指標(biāo).斜拉橋各單元的條件可靠指標(biāo)由基于SVR的響應(yīng)面方法計(jì)算得出[9].

篩選潛在失效構(gòu)件的前提條件為[21]：

β（k）rk/=β（k）min +Δβ （5）

式中：β（k）min 為第k個(gè)失效過程中所有單元的最小可靠指標(biāo)；Δβ在第1步取3，此后取1.由約界方法篩選出所有失效單元之后，采用串并聯(lián)模型形成失效樹，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Ei=∩nj=1Eji；Es=∪mi=1Ei. （6）

式中：結(jié)構(gòu)體系的失效事件Es 由m個(gè)獨(dú)立的失效模式Ei（i=1，…，m）組成，每個(gè)獨(dú)立的失效模式Eij（j=1，…，n）由n個(gè)失效構(gòu)件并聯(lián)而成.

從以上推導(dǎo)可看出，式（4）中考慮了梁柱效應(yīng).失效路徑搜索準(zhǔn)則如式（4）、式（5）所示.除了上述這些特性之外，拉索的抗力退化將增加體系可靠度的計(jì)算耗時(shí).因此，應(yīng)特別注意采用有效的計(jì)算框架.

2.2斜拉橋體系可靠度評(píng)估框架

鑒于斜拉橋的特性和拉索抗力退化的特征，一個(gè)有效的計(jì)算框架應(yīng)滿足以下要求：首先，由于構(gòu)件失效概率極小，較高的計(jì)算精度是基本要求.傳統(tǒng)方法，如一次二階矩法（FOSM）和響應(yīng)面法（RSM）不適合解決這個(gè)問題.第二，由于尋找首要失效路徑是一個(gè)耗時(shí)的過程，應(yīng)具備較高的計(jì)算效率. 基于上述公式，本文采用基于ASVR[12]的機(jī)器學(xué)習(xí)方法.運(yùn)用考慮拉索抗力退化的改進(jìn)方法作為智能算法分析框架的特殊應(yīng)用.分析框架流程圖如圖3所示.

如圖3所示，圖中的主要過程包括基于ASVR方法的體系可靠度評(píng)估和拉索抗力退化模型的更新兩個(gè)方面.SVR和ASVR方法在結(jié)構(gòu)體系可靠度評(píng)估中的應(yīng)用具體步驟參見文獻(xiàn)[12，22].本文主要描述與拉索抗力退化相關(guān)的程序.首先，將拉索強(qiáng)度作為初始值，并逐步實(shí)現(xiàn)體系可靠度評(píng)估；其次，更新拉索強(qiáng)度模型，如圖2所示；然后重新評(píng)估構(gòu)件和體系可靠度.值得注意的是，失效樹應(yīng)在拉索強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)重建，因?yàn)槔骺沽ν嘶赡芨淖儤?gòu)成失效路徑中的潛在失效構(gòu)件；最后，若達(dá)到結(jié)構(gòu)服役周期Ts，則整個(gè)過程將停止并輸出結(jié)構(gòu)服役周期的系統(tǒng)可靠指標(biāo).拉索抗力退化引起的體系可靠度降低將通過體系時(shí)變可靠指標(biāo)反映出來.

圖3所示的關(guān)鍵步驟是在拉索強(qiáng)度更新之后返回到訓(xùn)練樣本的采樣.該過程表明，只更新單根拉索的可靠指標(biāo)而不重新評(píng)估失效路徑是不合理的.相反，看似多余的計(jì)算工作對(duì)于獲取主要失效路徑是必要的.這個(gè)結(jié)論將從算例分析中得到檢驗(yàn).

拉索抗力退化的引入將導(dǎo)致額外的計(jì)算量.為了使計(jì)算更高效，基于該框架開發(fā)了名為“復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析軟件V1.0”（CSRA）的圖形用戶界面（GUI）程序.該程序是基于兩個(gè)商業(yè)程序（MATLAB和ANSYS）開發(fā)的，CSRA程序的主要過程如圖4所示.

其中，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（DPS）[23]來生成將用于訓(xùn)練SVR模型的均勻分布樣本.LIBSVM（支持向量機(jī)庫(kù)）[24]是一個(gè)MATLAB程序包.MCS（蒙特卡羅抽樣方法）可以是直接MCS或改進(jìn)的MCS.β界限函數(shù)如式（4）和式（5）所示.在分析路徑結(jié)束時(shí)更新有限元模型，然后逐步重新評(píng)估構(gòu)件的可靠度，最終在串并聯(lián)系統(tǒng)中評(píng)估結(jié)構(gòu)體系可靠度.

3算例分析

3.1Brotonne斜拉橋

Bruneau[11]分析了圖5中所示的小跨徑斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系可靠度的影響.該斜拉橋?yàn)楠?dú)塔，每側(cè)有2根斜拉索，在主梁及索塔上的拉索錨固件之間的距離為30 m.更多關(guān)于材料、截面特性及功能函數(shù)的細(xì)節(jié)可參見文獻(xiàn)[11].本算例在此基礎(chǔ)上研究了斜拉索強(qiáng)度退化對(duì)該斜拉橋失效路徑及體系可靠度的影響.

3.2失效樹的構(gòu)建

在此算例分析中，結(jié)構(gòu)力學(xué)行為假設(shè)為線性和彈性（與Bruneau的方法一致）.拉索斷裂失效事件為脆性破壞，混凝土主梁和橋塔被認(rèn)為是塑性的，通過塑性破壞機(jī)理定義結(jié)構(gòu)體系的失效.塑性斷裂機(jī)理由塑性鉸位置和塑性能力確定，由彎曲失效控制.潛在失效位置如圖5所示，該塑性鉸的出現(xiàn)也是該斜拉橋體系失效的標(biāo)志.主梁的G1～G11點(diǎn)和索塔的T1、T2點(diǎn)受彎曲失效控制，拉索的C1～C4構(gòu)件受強(qiáng)度失效控制.

從體系層面的角度來看，如拉索斷裂，直接刪除拉索，并重新評(píng)估新結(jié)構(gòu)的承載能力.若發(fā)生主梁或索塔的彎曲失效，則在發(fā)生彎曲失效的位置添加塑料鉸.由于結(jié)構(gòu)剛度和抗力每個(gè)階段都在改變，這意味著剩余的結(jié)構(gòu)構(gòu)件將重建為新的結(jié)構(gòu)體系.當(dāng)過程結(jié)束時(shí)，失效路徑的發(fā)展將在構(gòu)件失效的情況下停止，最終構(gòu)件的失效概率是非常高的.為節(jié)省計(jì)算量應(yīng)停止該過程，即便該結(jié)構(gòu)仍具備一定的承載能力.由于Bruneau已提供了明確的極限狀態(tài)函數(shù)，因此ASVR方法在此不用作近似及更新橋梁模型，而采用圖2所示的拉索的強(qiáng)度系數(shù)直接更新極限狀態(tài)函數(shù).基于上述假設(shè)，構(gòu)建了拉索未產(chǎn)生抗力退化和拉索產(chǎn)生20%抗力退化的事件樹，見圖6.其中圖6（a）源自于文獻(xiàn)[12]，圖6（b）是在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)之上，采用本文的分析方法及圖2所示強(qiáng)度退化系數(shù)計(jì)算得出.

從圖6可以得出以下結(jié)論：1）隨著拉索強(qiáng)度降低20%，C2拉索的失效概率從0.154×10-7急劇下降至0.243×10-4.2）主要失效路徑發(fā)生變化，最初主要失效模式在G10和G2處的塑性鉸處開始，拉索性能退化導(dǎo)致C2拉索失效作為主要失效路徑的開始，隨后是G6梁的彎曲失效.最后，結(jié)構(gòu)體系的失效概率從1.53×10-6增加至44.6×10-6.綜上所述，拉索抗力退化不僅降低了拉索的可靠性，而且對(duì)結(jié)構(gòu)主要失效模式和體系可靠度有著顯著影響.

3.3體系可靠度評(píng)估

為了研究拉索抗力退化對(duì)斜拉橋體系可靠度的影響，利用圖1所示的拉索性能退化模型來更新和重新評(píng)估體系的可靠性.圖7給出了橋梁20年服役期的時(shí)變體系可靠度.

從圖7可看出，與圖2所示的拉索強(qiáng)度模型相比，體系可靠指標(biāo)具有相似而不同的趨勢(shì).相似的是考慮疲勞和腐蝕共同作用與僅考慮疲勞作用下，體系可靠指標(biāo)均降低.不同的是疲勞和腐蝕共同作用下的體系可靠指標(biāo)從服役期的第13年開始快速下降.這種現(xiàn)象可通過圖6所示的失效樹來解釋，其中主要失效模式為拉索強(qiáng)度降低到臨界值時(shí)的拉索失效轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)體系失效.由此得出，在服役期的13年內(nèi)，疲勞和腐蝕共同作用下拉索失效的概率大于G10梁彎曲失效的概率，這是原先的主要失效模式.因此，持續(xù)的拉索抗力退化導(dǎo)致主要失效模式從梁到拉索的變化.這種變化亦使得體系可靠指標(biāo)的快速下降.然而，這種變化并未從疲勞作用下的可靠指標(biāo)變化中觀察到，這是因?yàn)槔鲝?qiáng)度還未降低至強(qiáng)度臨界值.

4工程實(shí)例

4.1工程概況

康博大橋是瀘渝高速公路上的一座剛構(gòu)體系混凝土斜拉橋.該橋具有雙索塔雙索面，拉索呈扇形.索塔和主梁節(jié)段由兩側(cè)的34對(duì)拉索連接.橋梁的尺寸如圖8所示，其中CS1和Cm1分別表示邊跨和中跨的第一對(duì)拉索；GS1和Gm1分別表示邊跨和中跨的第一對(duì)主梁；P1、P2及P3表示索塔和主梁的彎曲失效控制節(jié)點(diǎn).其中，公路Ⅰ級(jí)汽車荷載簡(jiǎn)化為跨中的均布荷載[25].

4.3拉索動(dòng)態(tài)響應(yīng)有限元分析

采用ANSYS建立了該橋的有限元模型，如圖9所示.其中，拉索為L(zhǎng)INK180單元，主梁和索塔為BEAM188單元.汽車荷載采用中跨的均布力考慮.

5結(jié)論

本文構(gòu)建了考慮疲勞損傷和大氣腐蝕作用下拉索抗力退化概率模型，提出了考慮拉索抗力退化的斜拉橋體系可靠度分析方法， 并驗(yàn)證了該分析方法的可行性.構(gòu)建了某大跨雙塔混凝土斜拉橋在服役期的失效樹，分析了斜拉索退化對(duì)其結(jié)構(gòu)體系可靠度的影響.主要得出以下結(jié)論：

1） 學(xué)習(xí)機(jī)器能夠捕捉到斜拉橋的拉索垂度、梁柱效應(yīng)等引起的功能函數(shù)非線性特征與斜拉索失效引起的動(dòng)力效應(yīng)，加之斜拉索退化與刪除失效單元對(duì)支持向量的更新，在分析斜拉橋的時(shí)變體系可靠度方面具有較好的適用性.

2） 疲勞和腐蝕作用下斜拉索在20年服役期內(nèi)的強(qiáng)度退化系數(shù)分別為0.928和0.751，疲勞效應(yīng)的曲線接近線性，然而疲勞腐蝕效應(yīng)的曲線是非線性.

3） 斜拉索抗力退化將導(dǎo)致稀索體系斜拉橋主要失效路徑由主梁彎曲失效轉(zhuǎn)移至斜拉索強(qiáng)度失效，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系可靠指標(biāo)隨服役時(shí)間迅速下降.

4） 斜拉索抗力退化未導(dǎo)致密索體系斜拉橋失效路徑轉(zhuǎn)移，但腐蝕疲勞作用導(dǎo)致斜拉索抗力出現(xiàn)明顯下降，結(jié)構(gòu)體系可靠指標(biāo)仍有低于目標(biāo)可靠指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn).

本文的研究結(jié)果對(duì)既有斜拉橋運(yùn)營(yíng)安全評(píng)估與腐蝕斜拉索的更換提供了一定的理論基礎(chǔ).以下內(nèi)容有待進(jìn)一步研究：拉索強(qiáng)度的特定點(diǎn)位測(cè)量將有利于建立更合理的拉索抗力退化模型，建立更為完整的斜拉橋失效樹，考慮各拉索的相關(guān)性系數(shù)等.

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