大跨度斜拉桥风致灾变过程的多尺度分析与预测研究

针对大跨度斜拉桥风致灾变研究中亟待解决的基础性问题，从理论分析、数值模拟、试验研究和现场测试、工程应用四个方面，深入研究了强（台）风场作用下大跨度斜拉桥的动力学行为、损伤破坏演化机理及其过程，主要包括：1) 揭示了大跨度斜拉桥的多尺度物理机制及其耦合机理，建立了强（台）风场作用下大跨度斜拉桥基于物理的、一体化的动力行为描述与分析方法；2) 研究了大跨度斜拉桥在强（台）风场作用下材料尺度的损伤演化行为及损伤累积效应，揭示了损伤演化从材料尺度向构件尺度发展的机理和特性，在此基础上研究了构件尺度的损伤演化规律及其失效破坏机理；3) 研究了大跨度斜拉桥构件尺度破坏与整体结构尺度破坏之间的关系，建立了大跨度斜拉桥风致灾变破坏的预测方法，并将研究成果进一步应用于国家重点工程苏通长江大桥的结构整体状态预警系统。 本项目内容是重大工程结构损伤积累、健康监测与安全评定研究中亟待解决的核心问题，具有重要的学术价值。 2100433B

针对大跨度斜拉桥风致灾变研究中亟待解决的基础性问题，从理论分析、数值模拟、试验研究和现场测试、工程应用四个方面，深入研究强（台）风场作用下大跨度斜拉桥的动力学行为、损伤破坏演化机理及其过程，主要包括：1) 揭示大跨度斜拉桥的多尺度物理机制及其耦合机理，建立强（台）风场作用下大跨度斜拉桥基于物理的、一体化的动力行为描述与分析方法；2) 研究大跨度斜拉桥在强（台）风场作用下材料尺度的损伤演化行为及损伤累积效应，揭示损伤演化从材料尺度向构件尺度发展的机理和特性，在此基础上研究构件尺度的损伤演化规律及其失效破坏机理；3) 研究大跨度斜拉桥构件尺度破坏与整体结构尺度破坏之间的关系，建立大跨度斜拉桥风致灾变破坏的预测方法，并将研究成果进一步应用于国家重点工程苏通长江大桥的结构整体状态预警系统。. 本项目内容是重大工程结构损伤积累、健康监测与安全评定研究中亟待解决的核心问题，具有重要的学术价值。

本项目围绕重大研究计划的关键科学问题，开展大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测与验证的研究。首先，研究大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测系统；其次，分析原型观测数据研究桥梁结构风场特性和模型参数及风-雨耦合等效-相流模型；研究大跨度桥梁结构抖振和风雨振等风致动力灾变效应的原型验证方法，分析其一致性和差异性；突破风洞试验技术限制，研究基于整体模态和局部应变原型监测信息的大跨度梁结构气动力和气动参数识别方法，揭示气动力和气动参数的空间相关性、雷诺数效应和湍流尺度效应；发展桥梁结构风雨激振分析方法，揭示雨的作用机理；研究以原型观测的结构振动为边界条件的绕流场CFD数值计算子结构方法，揭示桥梁结构风致灾变及其控制的微观机理，为通过原型观测研究结构风致灾变机理提供有效的方法。本项目研究，将形成大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测的理论、方法、技术、系统和原始观测数据，具有重要的科学意义。

大跨度钢斜拉桥结构纤柔、施工期长、施工工序复杂，其施工期结构可靠度问题属于复杂受力结构系统可靠度研究的前沿课题。围绕大跨度钢斜拉桥施工全过程结构时变体系可靠度问题，结合其力学行为特性，通过仿真分析、现场实测以及关键构件试验，从关键构件和结构体系多尺度层面阐明结构时变体系的主要失效模式及其力学机理；采用多尺度可靠度新理念，建立大跨度钢斜拉桥施工全过程时变体系的多尺度可靠度模型，研究并揭示结构时变体系可靠度与其关键构件可靠度间的相互关系规律；提出基于多尺度可靠度模型的大跨度钢斜拉桥施工过程时变体系可靠度计算方法，探明其施工全过程时变体系可靠度的演化规律并建立相应的可靠度评价准则。本项目研究成果可为大跨度钢斜拉桥设计理论、施工控制决策、灾害性工程事故预防及对策提供科学依据并为其设计及施工规范的制定提供重要参考，具有重要的理论意义和工程应用价值。

大跨度钢斜拉桥的施工过程属于结构体系和荷载作用体系的双重时变系统，其可靠度问题属于多学科、多方向交叉的研究领域。本项目针对大跨度钢斜拉桥施工全过程的结构体系可靠度和关键构件可靠度两方面问题展开研究，所取得的主要研究成果包括：1.建立了大跨度斜拉桥全过程自适应施工控制理论体系及控制系统；2.收集了多座典型大跨度钢斜拉桥施工期作用（荷载）和构件抗力的原始资料，通过统计分析得到了主要作用（荷载）和构件抗力的关键统计参数及其概率分布特征；3.探明了大跨度钢斜拉桥施工全过程的误差传播机理；4.就结构非线性屈曲问题的求解方法进行了深入研究，提出了求解该类问题的改进弧长法；5.以多座典型大跨度钢斜拉桥为研究对象，对其施工全过程的结构稳定性问题进行了深入研究，确定了其关键影响因素并探明了施工全过程中结构稳定性安全系数的演化过程，相关研究成果有助于深刻认识关键施工阶段大跨度钢斜拉桥的主要失效模式及其失效机理；6.对于包括锚箱式索梁锚固结构和PBL剪力连接件群在内的大跨度钢斜拉桥关键传力构件的受力特性进行了研究，探明了其传力机理，提出了PBL剪力连接件群的荷载—滑移变形协调理论模型；7.非线性因素对于大跨度钢斜拉桥结构可靠度的影响不容忽视，传统的一阶可靠度分析方法因计算精度方面的不足无法满足要求，通过深入研究揭示了二次二阶矩可靠度指标与一次二阶矩可靠度指标之间的关系规律，在此基础上提出了结构二次二阶矩可靠度指标的回归分析预测算法；8. 通过改进的全局β约界算法，基于构件的可靠度指标实现了对于大跨度钢斜拉桥施工全过程结构体系主要失效模式的准确识别；以条件概率降维计算理论为基础，将模式失效概率的逐步微分等价递归计算改进为高维标准正态分布的多重积分，在此基础上利用迭代降维计算方法将高维标准正态分布转化为多个一维标准正态分布的乘积，提出了模式失效概率计算的改进微分等价递归算法；考虑失效模式间的相关性，基于串联模式失效概率计算理论发展了适用于大跨度钢斜拉桥施工期体系可靠度分析的二阶窄可靠度上下界计算理论，并就界宽成因及其关键影响因素等进行了深入研究。根据上述理论与方法，对于大跨度钢斜拉桥施工全过程的结构可靠度问题进行了深入系统的研究，阐明了施工全过程结构体系可靠度的演化规律。通过本研究加深了对于大跨度钢斜拉桥施工过程可靠度问题的理解，研究成果具有广阔的应用前景。 2100433B