綜合多指標(biāo)因素的鋼閘門構(gòu)件腐蝕評估

郭建斌,肖 劍,聞源長

(河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

受運行環(huán)境影響,水工鋼閘門常會出現(xiàn)腐蝕問題.目前水利、電力等行業(yè)一直按SL 105—1995《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》和GB8923—1988《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》等規(guī)程規(guī)范進(jìn)行鋼閘門腐蝕檢測與等級評估.這種評估方法考慮的因素比較單一,雖然一定程度上能滿足腐蝕檢測與安全評估的需要,但總體效果不太理想.因為水工鋼閘門的腐蝕性狀屬于模糊評估與定量化識別的范疇,所以對其進(jìn)行評估時必須考慮多種因素的影響.

近年來,馬宗晉等[1-3]基于模糊識別理論,提出了關(guān)于自然災(zāi)害影響程度的災(zāi)度概念及其災(zāi)度等級識別的方法,通過災(zāi)度等級識別技術(shù),實現(xiàn)了各種工程災(zāi)度影響程度的定量化和準(zhǔn)確性識別.工程應(yīng)用結(jié)果[4-6]表明,這一方法可以有效地綜合各種復(fù)雜的確定或不確定影響因素,較好地滿足工程評估定量化和準(zhǔn)確性的需要.本文通過引入災(zāi)度模糊評估等級識別技術(shù),構(gòu)建鋼閘門腐蝕性狀災(zāi)度等級的隸屬度函數(shù),并按照最大隸屬度原則對水工鋼閘門腐蝕性狀進(jìn)行了模糊評估和定量化度量.

1 金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的災(zāi)度等級識別方法

1.1 災(zāi)度等級識別方法

災(zāi)度等級識別方法首先按單一因素進(jìn)行分項評判,通過隸屬度函數(shù)綜合所有因素的相關(guān)性影響后求得各分項隸屬度,并按最大隸屬度原則確定最大隸屬度以及所屬等級,最終實現(xiàn)工程受災(zāi)程度的等級評判與識別.其數(shù)學(xué)過程表述為:對于所研究的評判論域X(內(nèi)有評判分類元素xi),通過m項評判指標(biāo)u1,u2,…,um,按隸屬度函數(shù)可以確定分項評判的隸屬度模式A1,A2,…,An,從而形成模糊評價集{A1,A2,…,An∈F(u1?u2?…?um)},然后得到各項評判分類元素的隸屬度,最終可以按最大隸屬度原則確定xi∈X的等級評判分類.其中最大隸屬度

式中:μAS(xi)——xi的n個隸屬度模式的最大隸屬度;μAi(xi)——xi的Ai隸屬度模式的隸屬度;AS——按最大隸屬度原則確定的xi的隸屬度模式.

1.2 隸屬度函數(shù)的建立

金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕評估是多因素的綜合性評估,識別方法中的隸屬度函數(shù)必須能夠正確反映現(xiàn)行等級評估水準(zhǔn)和應(yīng)用方便的原則.基于這一原則,離散型影響因素的隸屬度函數(shù)采用專家評定法直接確定,連續(xù)型影響因素的隸屬度函數(shù)采用正態(tài)型、戒上型、戒下型和降半型等公式法確定.結(jié)合工程中腐蝕影響因素的數(shù)據(jù)分布特征,腐蝕連續(xù)型影響因素的隸屬度函數(shù)選用降半梯形分布類型,如式(2)～(4)所示.

1.3 腐蝕性狀的災(zāi)度等級

1.3.1 腐蝕主要評估指標(biāo)

考慮到鋼閘門腐蝕特點[7]和相關(guān)數(shù)據(jù)獲取難易程度,并兼顧行業(yè)規(guī)范[8-9],以結(jié)構(gòu)安全影響為主要衡量標(biāo)準(zhǔn),將腐蝕率、腐蝕外觀、腐蝕速率、腐蝕分布和防腐涂層受蝕率5類指標(biāo)作為腐蝕評估的主要指標(biāo)(表1).這5類指標(biāo)主要從結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的損害程度、管理水平、時變影響、應(yīng)力集中影響和潛在危害等方面,表征腐蝕病害對構(gòu)件抗力的影響.

表1 主要評估指標(biāo)的定義和表征內(nèi)容Table 1 Definition and depiction of main assessment indices

1.3.2 腐蝕性狀的分級標(biāo)準(zhǔn)

將鋼閘門的腐蝕性狀劃分為5個等級(Ⅰ級～Ⅴ級),以實現(xiàn)評估目標(biāo)的定量化模式識別[9].

結(jié)合工程中腐蝕病害呈現(xiàn)的統(tǒng)計特性[10],對各單一評估指標(biāo)分別給出與5個等級相對應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn),見表2.表2中腐蝕外觀(u2)指標(biāo)是模糊評價內(nèi)容,主要通過目測評估確定.若構(gòu)件局部出現(xiàn)少量銹斑或銹跡,則u2賦值為1;若構(gòu)件涂層少量剝落,出現(xiàn)少量離散的較深銹坑,則 u2賦值為2;若構(gòu)件涂層大面積剝落,出現(xiàn)密集成片的銹坑群,則u2賦值為3;若構(gòu)件較深銹坑密集成片,局部出現(xiàn)很深銹坑,則 u2賦值為4;若構(gòu)件深銹坑密布,銹皮成片泛起,則 u2賦值為5.

1.3.3 災(zāi)度等級的評估與識別

腐蝕性狀等級量化結(jié)果作為金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀評估的目標(biāo)模糊集合{Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級,Ⅳ級,Ⅴ級}.對金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的單一指標(biāo)按等級劃分評估標(biāo)準(zhǔn),是為了建立災(zāi)害損失等級模糊集隸屬度函數(shù),并使金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀等級的評價標(biāo)準(zhǔn)歸一化.可以按最大隸屬度原則通過模糊綜合評估,實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的模糊定量化評估和識別.

表2 單一評估指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table2 Standards of single assessment factor

1.3.3.1 模糊隸屬度矩陣

對于一個確定的識別樣本,按表2確定樣本的各評判因子,并結(jié)合式(2)～(4)分別代入相應(yīng)的等級隸屬度函數(shù)進(jìn)行計算,可獲得該樣本的模糊評估矩陣 R m×n,見式(5).所得計算值即為該等級下隸屬度矩陣中該單一指標(biāo)的對應(yīng)值;同一等級對應(yīng)矩陣中的各列.

式中:u1,u2,…,um——單一樣本中的各評估指標(biāo),這里取m=5;v1,v2,…,vn——腐蝕病害的等級,這里取n=5.

1.3.3.2 權(quán)重系數(shù)的確定

權(quán)重系數(shù)反映了各單一評估指標(biāo)對隸屬度的影響權(quán)重,計算方法很多,有AHP法、專家經(jīng)驗判斷法和綜合賦權(quán)法等,一般按影響指標(biāo)的數(shù)量取平均值作為等權(quán)重[11].考慮到相關(guān)因素對腐蝕性狀的影響及其統(tǒng)計特性,本文采用專家經(jīng)驗判斷法來確定權(quán)重系數(shù),但去除了專家判斷的離異值,最終確定的評估指標(biāo)權(quán)向量W=(0.3,0.1,0.3,0.2,0.1).

1.3.3.3 腐蝕性狀的等級識別

利用式(6)識別金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕性狀,得到腐蝕病害等級的識別矩陣B,并根據(jù)最大隸屬度原則按式(1)求得所屬目標(biāo)評估模式等級,從而確定出金屬結(jié)構(gòu)腐蝕等級,以明確其安全性狀.

2 工程應(yīng)用

南京某節(jié)制閘門,盡管采取了相關(guān)防腐措施,但閘門主橫梁等主要受力構(gòu)件經(jīng)過長期運行仍存在較嚴(yán)重的腐蝕問題.按照表2的評估標(biāo)準(zhǔn),通過現(xiàn)場腐蝕檢測進(jìn)行了單一影響指標(biāo)的評估,獲得了相關(guān)檢測結(jié)果:u1=6%,u2=3,u3=0.024mm/a,u4=70%,u5=30%.

按式(5)建立模糊評估指標(biāo)矩陣R主橫梁,即

按式(6)計算獲得腐蝕病害等級的識別矩陣,即

由此可知,綜合多因素的該閘門主橫梁腐蝕性狀的最大隸屬度指數(shù)為0.88,根據(jù)最大隸屬度原則可以確定,主橫梁呈現(xiàn)Ⅲ級腐蝕性狀.

結(jié)構(gòu)構(gòu)件受腐蝕影響主要表現(xiàn)為有效承載截面減薄和受載應(yīng)力集中.文獻(xiàn)[12]鋼閘門常規(guī)力學(xué)試驗數(shù)據(jù)表明,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力受腐蝕性狀影響呈現(xiàn)二次拋物下降的特點,其中Ⅲ級腐蝕性狀造成的抗力折減20%.若考慮主橫梁對結(jié)構(gòu)的安全影響以及該工程的重要程度,應(yīng)對該閘門重新進(jìn)行安全復(fù)核,以明確其安全性狀,必要時應(yīng)對主橫梁等受力構(gòu)件采取補強加固措施,才能有效確保工程安全可靠地運行.

3 結(jié) 語

a.本文引入災(zāi)度識別的模糊評估思想,以最大隸屬度為原則,按降半梯形分布構(gòu)建腐蝕等級隸屬度函數(shù),并根據(jù)隸屬度大小識別鋼閘門結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的等級歸屬.這為鋼閘門腐蝕性狀的定量化評估提供了有效的識別方法,可以較好地解決評估過程的模糊性和不確定問題,避免腐蝕等級評定過程的絕對性和片面性,確保鋼閘門腐蝕評估的客觀性.

b.腐蝕問題是影響鋼閘門結(jié)構(gòu)承載能力的重要影響因素之一,通過腐蝕性狀的模糊定量評估與識別,可以明確和預(yù)警水工鋼閘門的在役安全性狀.工程應(yīng)用結(jié)果表明,模糊綜合評估克服了描述性評估含糊不清的缺陷,為鋼閘門安全復(fù)核等研究提供了重要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),較好地滿足了工程安全評估的定量化要求.

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