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钢管混凝土拱桥徐变随机性及其对可靠度影响的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代交通事业的飞速发展，对桥梁的需求日益增长，钢管混凝土拱桥凭借其独特的优势在桥梁建设领域中占据了重要地位。钢管混凝土拱桥将钢管和混凝土两种材料有机结合，充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，使得结构具有较高的强度和刚度，同时还具备施工方便、造型美观等特点。自20世纪90年代以来，我国钢管混凝土拱桥发展迅速，建成数量众多，如1990年建成的四川省广元市旺苍县东河大桥，作为我国首座钢管混凝土拱桥，跨径达到110米，开启了我国在该领域的探索与实践。此后，全国各地纷纷兴建此类桥梁，截至目前，我国在建和已建的钢管混凝土拱桥已超过200座，并且不断向更大跨径、更大规模方向发展，像2000年建成的跨径组合76+360+76米的丫髻沙大桥，以及主跨492m的巫山长江大桥等，这些桥梁的建设不仅提升了当地的交通能力，也展现了我国在钢管混凝土拱桥设计和施工方面的实力。

在桥梁的使用过程中，其结构性能会受到多种因素的影响而发生变化，其中徐变是一种常见且不容忽视的现象。徐变是指混凝土在长期恒定荷载作用下，应变随时间不断增长的现象。对于钢管混凝土拱桥而言，徐变会对其结构性能产生多方面的影响。一方面，徐变会引起拱轴线的变形，降低拱的稳定性和使用性能；另一方面，徐变会在截面上产生应力重分布，在超静定结构中产生内力重分布，甚至可能使混凝土产生局部应力。如果在设计和分析中忽略混凝土徐变的影响，将会对结构变形和内力的计算结果带来不可忽视的误差，进而造成主梁线形的偏差和结构的不安全。例如，某钢管混凝土拱桥在建成初期，由于未充分考虑徐变的影响，随着时间的推移，拱肋出现了明显的下挠变形，超出了设计允许范围，对桥梁的正常使用和安全性构成了威胁。

由于影响徐变的因素众多，包括混凝土的配合比（如水灰比、集料比、水泥用量等）、环境条件（如温度、湿度）、加载龄期和应力水平等，这些因素具有不确定性和随机性，使得徐变过程本身也具有随机性。这种随机性进一步增加了准确预测徐变对钢管混凝土拱桥结构性能影响的难度。因此，深入研究徐变的随机性及其对钢管混凝土拱桥可靠度的影响，对于准确评估桥梁的结构性能、保障桥梁的安全运营具有重要的现实意义。通过对徐变随机性的研究，可以更加准确地预测桥梁在使用过程中的变形和内力变化，为桥梁的设计、施工和养护提供更为科学的依据，从而提高桥梁的可靠性和耐久性，降低工程风险，具有显著的社会效益和经济效益。

1.2国内外研究现状

国内外学者对钢管混凝土拱桥徐变及可靠度进行了大量研究。在徐变机理和影响因素研究方面，国外早在1967年Furlong就第一次观察到了钢管混凝土徐变与收缩变形；1991年Nakai等对三个试件在不同含钢率情况下的轴压变形试验，提出了预测圆钢管混凝土徐变的粘弹性模型。国内韩林海在2001年进行了矩形截面钢管混凝土轴心受压构件变形和承载力的试验研究，提出了考虑长期荷载作用影响时矩形钢管混凝土轴心受压柱承载力的简化计算公式。众多研究表明，钢管混凝土的徐变早期发展很快，60天后曲线减缓，一年后几乎停止，且含钢率、应力级别、加载龄期等都会对徐变产生影响。

在徐变对钢管混凝土拱桥力学性能、可靠度的影响研究方面，韩冰等人利用混凝土徐变的继效流动理论，对钢管混凝土拱桥徐变问题进行理论探讨，算例结果表明钢管混凝土拱桥在使用老化阶段的徐变会显著影响其结构本身的变形性能和内部受力状态。潘旭、于扬赛等人研究了混凝土徐变对拱桥性能的影响，指出徐变会导致拱桥结构性能退化。然而，目前的研究主要是以实验室材料的试验为基础，对于工程实际中的复杂影响因素考虑还不够完整，尤其是徐变随机性在实际工程中的应用研究相对较少，缺乏全面系统地考虑徐变随机性对钢管混凝土拱桥可靠度影响的研究。

1.3研究目标、内容和方法

本文旨在全面深入地研究徐变的随机性及其对钢管混凝土拱桥可靠度的影响，具体目标如下：通过对大量相关数据和资料的分析，结合实际工程案例，揭示钢管混凝土拱桥徐变的概率分布与统计规律，深入探究其徐变机理；运用科学合理的方法，定量研究徐变对钢管混凝土拱桥可靠度的影响，详细探讨徐变导致的结构性能退化现象；提出一套切实可行的钢管混凝土拱桥徐变可靠性分析方法，为桥梁的设计、施工、养护提供具有实际应用价值的借鉴。

围绕上述研究目标，本文主要开展以下两方面的研究内容：一是对钢管混凝土拱桥徐变的随机性进行研究。深入分析徐变机理及相关参数，运用MonteCarlo方法模拟徐变的随机性，通过大量的模拟计算，研究得到徐变参数的概率分布，从而准确把握徐变的随机特性。二是研究徐变对钢管混凝土拱桥可靠度的影响。首先对钢管混凝土拱桥力学性能进行全