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【技术成果】一种结构疲劳与可靠性分析的创新方法

混凝土是世界上使用量最多的材料,然而一系列的限制阻碍了基础设施资产管理的创新解决方案。疲劳是直接影响混凝土结构寿命的最普遍的问题之一;尽管对钢结构疲劳的研究已经进行了多年,但最近的研究结果表明,混凝土结构也会受到可能导致破坏的疲劳的影响。第二个问题与目前测试桥梁和风力涡轮机等结构疲劳的技术手段有关,这些方法存在过时、不精确和不合适等缺陷。最后,虽然结构可靠性方法已经在一些工业领域得到广泛应用,如海上油气结构,但概率方法的实际应用仍需要理论和实践的发展。

INFRASTAR研究的目标是发展优化和可靠的结构管理开发知识、专业知识和技能。这种通用方法适用于桥梁和风力涡轮机的疲劳问题,但还面临三个主要挑战:(1)先进的混凝土疲劳行为模型;(2)早期损伤检测的新型无损检测方法;(3)疲劳作用下结构可靠度的概率法。该项目对创新传感技术进行了全面研究,并更好地与损伤指标(数据融合)相关联;同时详细阐述了结构构件受力和性能的改进模型和方法。案例研究表明,对现有结构采用基于可靠性和风险的方法能够节省成本和材料,这将有助于降低风能能源的成本和提高可持续性。

本研究的主要成果如下:

(1)进行了两项创新传感技术的研究。利用嵌入式换能器进行超声波监测,并通过CWI技术进行数据评估,提供早期损伤指标。开发了一种基于光纤的裂缝检测系统,提供了创新的裂缝质量定量评价体系。提供了一种结合多种特性的方案,使其更好地与损伤指标相关联,并可应用于桥梁监测系统中。提出一种利用现有传感技术管理桥梁的方法,该方法已在服役实桥中得以应用,结果表明该桥梁在不作进一步干预的情况下,可有超预期的服役寿命。

(2)提供了桥面性能数据分析和长期监测方法;研究了风荷载组合对道路交通荷载的影响;对钢筋加固UHPFRC的疲劳性能进行了试验研究;采用改进的光学方法对疲劳损伤过程进行识别;对海上风力发电塔的钢筋混凝土基础有关问题进行了研究;对用于现有风力机基础分析的先进数值模型进行了推广;为基础设计人员提供了一个可靠的工具,以提供成本效益和低风险的海上风力涡轮机基础;采用可靠性分析方法对钢筋混凝土塔和基础的疲劳行为和安全性进行了分析,认为在不影响结构安全的情况下,可以降低疲劳部分安全系数;验证了概率方法实际应用的基本层面。

预期影响:

(1)该工程方法和工具适用于新建和现有桥梁和风力涡轮机结构构件的设计和评估,这些方法和工具很容易在结构工程实践中实现。如果得以应用,现有桥梁和风力涡轮机结构的评估将会得到改进,从而在今后使用现有结构和设计新结构方面取得更切合实际的结果。

(2)可以推迟甚至避免更换结构。通过这种方式,现有的桥梁和风力涡轮机基础设施可能会延长服务时间和增加价值。

(3)所提出的工程方法有助于桥梁和风力涡轮机结构的优化设计。可以预期,新建桥梁和风力涡轮机所需的资源将会减少。包括新型UHPFRC建筑材料在内的新技术可以简化和加速施工过程,从而减少能源和材料消耗,并提高耐久性。与传统建筑相比,技术优势可以降低环境影响和全寿命周期成本。


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