大跨预应力混凝土箱型梁桥完整性与可靠性研究

大跨预应力混凝土箱梁桥具有优越的受力特性，在工程实践中得到广泛应用。根据工程规范，这类结构在服役期间允许带有裂缝、材性损伤等缺陷和病害正常工作。另一方面，国内外一批大跨混凝土箱梁桥相继出现长期下挠和承载力降低问题，严重的甚至出现整体倒塌。缺陷和病害对大跨箱梁桥性能的影响受到学术界和工程界的普遍重视。.本项目拟将结构完整性理论引入桥梁工程中。结合模型试验、现场试验、理论分析和数值方法,开展大跨预应力混凝土箱梁桥典型缺陷的规则化模型研究，揭示缺陷对桥梁结构长期下挠和极限承载力的影响机理，分析桥梁的缺陷损伤容限；研究大变异随机结构响应计算的新型实用随机有限元法，分析典型缺陷下混凝土箱梁桥的随机响应规律；提出结构体系可靠度分析的新型高效数值方法，研究大跨混凝土箱梁桥完整性分析的概率方法，评估其整体安全性。

本项目围绕大跨预应力混凝土箱梁桥结构的完整性和可靠性开展研究。在大跨预应力混凝土箱梁桥典型缺陷的规则化模型及其演化和容限、大跨预应力混凝土箱梁桥的剪力滞效应、随机分析和可靠性评估、承载安全性和体系可靠度等方面取得了丰富研究成果。代表性研究成果包括：（1）研究分析了环境腐蚀和裂纹等两类缺陷的形成机理、发展和演化规律。基于规则化腐蚀性缺陷和裂纹模型，定量分析了缺陷引起的刚度和强度退化效应对大跨预应力混凝土箱梁桥性能指标的影响。（2）在大跨混凝土箱型梁桥的剪力滞效应分析方面，针对传统箱型梁桥剪力滞效应分析理论存在的参数物理意义不明晰、难以确定边界条件和封闭解等问题，利用附加挠度代替剪力滞函数建立箱梁翼缘板的纵向位移模型，用外荷载代替内力建立箱型梁的总势能泛函，利用位移表征剪力滞系数，建立了剪力滞效应下箱型梁挠度、附加挠度和经典梁挠度的解耦求解方法，并提出了箱型梁剪力滞效应分析的一维离散有限元法。（3）在大跨预应力混凝土箱梁桥的随机响应和可靠性分析方面，针对现行标量型响应面法存在的依赖空间位置、计算效率低等问题，建立了结构随机响应和可靠度分析的向量型层递响应面法，在随机空间和结构空间中具有全域性，有效克服了传统响应面法的缺陷，具有很高的计算精度和效率。（4）在大跨预应力混凝土箱梁桥的失效模式和体系可靠度分析方面，针对传统理论依据主观经验选取约界阈值、且具有路径依赖性等问题，提出了结构体系可靠度分析的自适应约界法，提出了结构体系可靠度分析的随机弹性模量缩减法，属于无路径依赖性方法，有效克服了传统方法中潜在失效路径对主要失效模式识别和失效概率计算的干扰。（5）在大跨预应力混凝土箱型梁桥的完整性和承载安全性分析、设计与优化方面，依据结构极限承载力分析的弹性模量缩减法，研究建立了梁桥结构构件和整体两层面承载力分析设计及其优化方法，解决了现行结构设计理论难以设计结构整体承载力和安全性等难题。相关研究成果在美国ASCE期刊和《中国科学》等国内外高水平期刊上发表学术论文54篇（不含会议论文），其中被SCI收录5篇、EI收录23篇；获授权专利和软件著作权13项，获广西科技进步一等奖1项、培养博士后和研究生22名，完成了预定研究计划和目标。