橋梁結(jié)構(gòu)生命全過程的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

■黃 杉，高文文，邱健民 ■重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是使橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠，具有經(jīng)濟(jì)性和適用性?；谶@樣的目的，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法將繼續(xù)改善和提高橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，此設(shè)計(jì)必須基于可靠性理論，而不是過去的經(jīng)驗(yàn)值給定的安全系數(shù)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。橋梁在交通變得越來越重要，橋梁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民的生活密切相關(guān)，深入研究生命周期，可確保橋梁的安全可靠性，耐久性，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。這種發(fā)展是和諧社會(huì)建設(shè)的重要意義。橋梁的可靠性，特別是在施工階段，對(duì)施工階段的安全控制周期的控制，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求非常高。

1 橋梁結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念

可靠性，完成的時(shí)候，有條件的概率的概率不滿足預(yù)定功能的概率。極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)的可靠性分析的基礎(chǔ)上，方程為:

z=g(x1，x2，…，xn)=0 式中z 為結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，x1，x2，…，xn 為影響可靠度的隨機(jī)變量。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)與功能函數(shù)的關(guān)系可以表示為下式:

z=g(x)＜0 或=0 或＞0

當(dāng)z ＜0 時(shí)結(jié)構(gòu)為失效狀態(tài)，z ＞0 時(shí)結(jié)構(gòu)為可靠狀態(tài)，z=0 時(shí)結(jié)構(gòu)為極限狀態(tài)。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化，必須有一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型包含三個(gè)要素:設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)(目標(biāo)函數(shù)的確定，應(yīng)通過調(diào)整目標(biāo)函數(shù)的變量的值)。設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化設(shè)計(jì)是找到變量的最優(yōu)組合，確定相關(guān)參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化得到的結(jié)果包括結(jié)構(gòu)截面參數(shù)，幾何參數(shù)，材料的物理性能。作為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，調(diào)整結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)是非常重要的。必須約束結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在滿足需求的前提下，讓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性正常橋要求發(fā)揮作用。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

把優(yōu)化準(zhǔn)則的最優(yōu)條件做為基準(zhǔn)，通過迭代計(jì)算的力學(xué)和數(shù)學(xué)規(guī)劃獲得精確的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變量的大小和多少次沒有關(guān)系，所以容易更快被設(shè)計(jì)師掌握。數(shù)學(xué)規(guī)劃法，包括拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法、一系列線性規(guī)劃法等。非線性問題的線性逼近問題將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束最優(yōu)化問題。在數(shù)值分析中引入最優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，在數(shù)學(xué)規(guī)劃求解結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題中，利用線性逼近是數(shù)學(xué)規(guī)劃法求解優(yōu)化問題的可行方向法。智能算法，包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、計(jì)算機(jī)技術(shù)等問題的常用優(yōu)化方法，具有較強(qiáng)的隨機(jī)搜索能力，較好的解決了實(shí)際問題。

1.4 橋梁結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)

選取目標(biāo)函數(shù)為預(yù)期費(fèi)用，表達(dá)式如下:

minC=C1 +C2Pf 式中:C 的橋梁生命周期總成本的建設(shè)，預(yù)計(jì)投資;C1 為橋梁建設(shè)的投資、C2 為結(jié)構(gòu)破壞損失及重建的費(fèi)用。根據(jù)實(shí)際需要，選擇設(shè)計(jì)變量和條件與《涵洞以及公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁》(規(guī)JTG)、《一般公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60)測(cè)定強(qiáng)度，承載力，撓度和裂縫寬度和變形的邊界約束，并考慮到可靠性的可靠性必須大于目標(biāo)。

2 施工期橋梁結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)與質(zhì)量控制

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)施工期可靠性影響因素

設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)因素，包括不完善，設(shè)計(jì)負(fù)荷偏差，結(jié)果是不準(zhǔn)確的，項(xiàng)目相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，往往只是對(duì)主體結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的限制，很多細(xì)節(jié)問題沒有完全開放，人們?nèi)菀壮霈F(xiàn)問題。不完善的基礎(chǔ)信息的可靠性設(shè)計(jì)也影響工程施工的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)給出的設(shè)計(jì)信息，不完全信息，具有較大的質(zhì)量和安全的前提下，科學(xué)設(shè)計(jì)，確保項(xiàng)目成功，設(shè)計(jì)師對(duì)網(wǎng)站存在的問題進(jìn)行了分析，以確保實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的可靠性。考慮建設(shè)上的因素，橋梁結(jié)構(gòu)的建設(shè)將使用大量的金融，材料和人力資源，大型復(fù)雜橋梁工程建設(shè)是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程，所以有許多不確定因素，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)可靠性的施工過程，包括控制結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力控制，控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性控制。影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響取決于不同材料的物理性質(zhì)，增強(qiáng)了強(qiáng)度、位置和數(shù)量。這是控制結(jié)構(gòu)施工期的重要指標(biāo)，對(duì)施工荷載因素也有一定的影響。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)施工期可靠性評(píng)價(jià)

有許多因素，橋梁施工的可靠性，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，整個(gè)施工控制的必要性，探討了可靠的條件下施工期結(jié)構(gòu)，灰色理論，在評(píng)價(jià)的可靠性，在施工中應(yīng)用。安全系數(shù)，可以整合因素結(jié)構(gòu)，可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量定位的安全，包括安全，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，平均集、專家打分的方法確定因素的權(quán)重，在不同的層中的第一組，形成施工可靠性的因素非常復(fù)雜，要達(dá)到的目標(biāo)施工階段的結(jié)構(gòu)可靠性的概率和概率在施工完成后，以達(dá)到預(yù)期的效果之間的關(guān)系，注意到年底的建設(shè)也可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能造成影響。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)施工期的質(zhì)量控制

橋梁施工質(zhì)量控制涉獵多種因素，包括混凝土澆筑，選擇原材料，施工人員質(zhì)量，配比，施工荷載，設(shè)備管理，成型和養(yǎng)護(hù)，施工。

控制方法和先驗(yàn)估計(jì)可以被預(yù)測(cè)，通過控制橋的時(shí)間，為考慮威脅的可靠性，必須嚴(yán)格控制施工各階段的因素，同時(shí)也是為減小預(yù)測(cè)精度的誤差;調(diào)整時(shí)間的一部分，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，施工檢查，自適應(yīng)控制，參數(shù)估計(jì)是不一致的，必須與實(shí)際調(diào)整，不然施工質(zhì)量無法得到保證。質(zhì)量控制，包括的模板，鋼筋和混凝土施工，施工誤差的重要性可能是由于不嚴(yán)格控制誤差造成的，因此需要一個(gè)完整的系統(tǒng)完全培訓(xùn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和加強(qiáng)的施工管理，施工人員系統(tǒng)的法律法規(guī)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)使用期的可靠性分析

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)服役期可靠性模糊綜合評(píng)價(jià)

通過可靠性綜合評(píng)價(jià)的橋梁可靠性，確定主要影響因素。四級(jí)成績(jī)的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)分為優(yōu)秀、良好、合格和不合格。包括橋梁上部結(jié)構(gòu)橋梁伸縮縫和欄桿結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估的可靠性評(píng)估，包括的建設(shè)的基礎(chǔ)，墩梁和其他設(shè)施的可靠性評(píng)估，包括護(hù)坡，調(diào)整結(jié)構(gòu)，照明，標(biāo)志和下水道。

3.2 橋梁了結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)

橋是由外部因素惡化的會(huì)影響預(yù)期壽命，所以剩余壽命要在良好的評(píng)價(jià)和實(shí)施。橋梁壽命，應(yīng)力腐蝕，腐蝕和裂縫寬度和承載力作為基礎(chǔ)。與基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法相比，預(yù)測(cè)的加速和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜。思考和實(shí)證經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)方法，壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，基于橋梁已經(jīng)非常成熟，有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的預(yù)測(cè)方法;相似的結(jié)構(gòu)和環(huán)境的橋梁，但也有其自身的特點(diǎn)和外部因素不相同，相同的性能，因此，材料的變化是不一樣的，該方法可以在非常相似的情況下會(huì)產(chǎn)生較大誤差;模擬加速試驗(yàn)方法的惡化離子是加速壽命條件下的實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，但需要一定程度的校正，以可靠的數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)的現(xiàn)實(shí)約束。一個(gè)參數(shù)的數(shù)值模型，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

［1］周建庭.基于可靠性理論的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)研究［D］.重慶大學(xué)，2005.

［2］刁榮亭.在役橋梁結(jié)構(gòu)模糊可靠性評(píng)價(jià)及其馬爾科夫壽命預(yù)測(cè)［D］.長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

［3］黃承逵，孫曉燕，趙國(guó)藩，于健.基于動(dòng)態(tài)可靠度的服役期橋梁維修加固風(fēng)險(xiǎn)決策［J］.工程力學(xué)，2004，22(5):361-368.

［4］夏明進(jìn).基于可靠度分析的現(xiàn)役結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)與剩余使用壽命預(yù)測(cè)［D］.北京工業(yè)大學(xué)，2005.