橋梁維修加固后時(shí)變可靠度評(píng)估與剩余壽命研究

劉　俊，韋修箭

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢　410052)

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橋梁維修加固后時(shí)變可靠度評(píng)估與剩余壽命研究

劉俊，韋修箭

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢410052)

摘要：我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷發(fā)展，公路里程在不斷增加的同時(shí)公路質(zhì)量也需要同時(shí)提升上來(lái)，其不僅僅是為了完善我國(guó)整個(gè)交通規(guī)劃，更是為提高我國(guó)公路等級(jí)打好基礎(chǔ)。對(duì)橋梁維修加固后時(shí)變可靠度進(jìn)行評(píng)語(yǔ)以及研究剩余壽命，其研究意義在于既能夠?qū)σ呀?jīng)完成加固工作的橋梁進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)定以及預(yù)測(cè)剩余壽命，目的在于能夠在了解加固效果的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)更多潛在的問(wèn)題，從而為后續(xù)的維修或加固等工作提供決策上的幫助。

關(guān)鍵詞：橋梁維修加固；時(shí)變可靠度；剩余壽命研究

1橋梁維修加固后時(shí)變可靠度評(píng)估與剩余壽命研究的重要性

橋梁作為我國(guó)交通事業(yè)中的重要組成部分，其在建設(shè)滯后必然要經(jīng)歷新建、運(yùn)營(yíng)、老化的過(guò)程，特別是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各種因素的影響，橋梁的性能會(huì)逐漸降低。目前我國(guó)屬于危橋、舊橋的數(shù)量較大，針對(duì)這方面橋梁進(jìn)行維修加固之后如何保證其承載力、預(yù)測(cè)剩余壽命十分重要。目前在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，其橋梁建設(shè)的重點(diǎn)不是放在新建橋梁方面，而是轉(zhuǎn)移到了舊橋的維修與加固上，通過(guò)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，一般一座橋梁的維修加固費(fèi)用占到了新建一座橋梁費(fèi)用的10%~20%左右為此探析橋梁維修加固后時(shí)變可靠度評(píng)估與研究剩余壽命不僅能夠更好的提高我國(guó)現(xiàn)代交通服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)為提供經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益也有一定的積極意義。

2針對(duì)橋梁維修加固后時(shí)變可靠度評(píng)估

(1)響應(yīng)面法在時(shí)變可靠度中的應(yīng)用。針對(duì)橋梁的可靠度分析，考慮到在實(shí)際的橋梁工程中存在著十分復(fù)雜的難題，以往采用結(jié)構(gòu)分析程序，但是效果并不明顯。采用響應(yīng)面方法能夠有效解決此類問(wèn)題。其作為一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的技術(shù)，主要解決的是結(jié)構(gòu)體系的輸入與輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系的問(wèn)題。借助響應(yīng)面法，去借助有限的實(shí)驗(yàn)代替一個(gè)真實(shí)曲面關(guān)系，從而應(yīng)用于可靠度分析更加簡(jiǎn)單。第一步，在選擇表達(dá)式時(shí)，一定要考慮到簡(jiǎn)單，同時(shí)需要考慮到能夠?qū)⒉煌螤畹那嬲鎸?shí)的反映出來(lái)；第二步，在選擇樣本點(diǎn)時(shí)，需要通過(guò)抽樣的方式，一般常用的方式有Box-Behnken矩陣設(shè)計(jì)法、CCD法兩種；第三步，將響應(yīng)面法真正應(yīng)用到可靠度的計(jì)算中。由于利用功能函數(shù)在分析可靠度時(shí)答案可能并不明確，因此需要將可靠指標(biāo)計(jì)算的一次二階矩法與響應(yīng)面法兩者結(jié)合起來(lái)。

(2)關(guān)于針對(duì)橋梁在服役期間時(shí)變可靠度的分析。這是由于擬建結(jié)構(gòu)的可靠度分析并不能直接作用在服役結(jié)構(gòu)的可靠度分析，因此在實(shí)際過(guò)程中需要作出相應(yīng)的調(diào)整。一般，出現(xiàn)問(wèn)題的方面在于在計(jì)算的過(guò)程中未將構(gòu)件抗力變化的影響納入到考慮范圍，最終導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此在針對(duì)目標(biāo)可靠指標(biāo)的調(diào)整時(shí)可以采用年失效概率相等法與規(guī)范直接取值法兩種。

在針對(duì)荷載模型的修正時(shí)，需要分清楚荷載屬于哪種類型，根據(jù)作用時(shí)間可以將荷載分為偶然荷載、可變荷載以及永久荷載。想要獲得充足的數(shù)據(jù)就需要在既有的資料的基礎(chǔ)上對(duì)其作出修正，只有這樣才能夠真正作用在服役結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)計(jì)算中。由于偶然荷載意義不大，因此重點(diǎn)闡述可變荷載與永久荷載的修正。針對(duì)可變荷載，一般比較常用的是采用一來(lái)時(shí)間參數(shù)T的隨機(jī)過(guò)程概型。目前我國(guó)規(guī)定是采用平穩(wěn)二項(xiàng)隨機(jī)過(guò)程。針對(duì)永久荷載，考慮到其特點(diǎn)采用隨機(jī)變量概率模型，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)由于橋梁受到了磨損等因素的影響，橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效尺寸主要受到時(shí)間的影響。

(3) 材料性能的時(shí)變可靠度分析。由于材料受到外界等各種因素的影響，材料的不定性特點(diǎn)更加明顯。第一，橋梁鋼筋的抗拉強(qiáng)度，一般情況下，在保證正常的工藝制作環(huán)境下熱軋鋼筋其都帶有明顯的屈服點(diǎn)與屈服平臺(tái)。具體表現(xiàn)為當(dāng)鋼筋表面出現(xiàn)浮銹，截面損失小于1%，其各項(xiàng)指標(biāo)與母材相同，當(dāng)鋼筋出現(xiàn)較為嚴(yán)重的腐蝕時(shí)，整個(gè)應(yīng)力—應(yīng)變曲線就會(huì)發(fā)生明顯變化；第二，混凝土彈性模量。從理論上進(jìn)行分析，起初混凝土彈性模量為零，由于水化反應(yīng)的不斷加深，其混凝土彈性模量呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的現(xiàn)象，最后維持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，然后在實(shí)際中由于各種因素的影響混凝土內(nèi)部容易遭到破壞從而影響混凝土彈性模量；第三，鋼筋與混凝土粘結(jié)性能，鋼筋埋置在混凝土當(dāng)中，發(fā)生銹蝕之后其粘結(jié)性能就會(huì)產(chǎn)生變化。

3針對(duì)橋梁維修加固后剩余壽命研究

3.1采用層次分析法

第一步，建立一個(gè)層次分析模型。將復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分解成一個(gè)個(gè)單一的元素，再將這些元素按照不同的屬性進(jìn)行分組，將同一個(gè)層次的元素作為準(zhǔn)則，支配下個(gè)層次的部分元素，同時(shí)受到上個(gè)層次元素的支配，這種從上到下的關(guān)系組成了一個(gè)遞階層次；第二步，在完成了遞階層次的建立之后，整個(gè)結(jié)構(gòu)之間的隸屬關(guān)系被確定，為了能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要考慮到主觀因素的影響，因此需要比較同一個(gè)指標(biāo)之內(nèi)的每一個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性，形成一個(gè)判斷矩陣；第三步，計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值?？梢圆捎酶?、最小二乘法、特征根方法、和法等；第四步，檢驗(yàn)之前得到的判斷矩陣的一致性。其需要在計(jì)算出每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重與權(quán)重分配的合理性，才能夠進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

從某種意義上而言，層次分析法屬于一種決策思維方式，將其應(yīng)用在橋梁工程當(dāng)中，使得整個(gè)橋梁分為橋基、梁板、支座、橋面系，根據(jù)不同指標(biāo)將橋梁分為準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、目標(biāo)層，如此建立起一個(gè)多元的評(píng)價(jià)模型，

3.2模糊綜合評(píng)價(jià)法的應(yīng)用

(1)關(guān)于隸屬度。在對(duì)橋梁的剩余壽命的研究，其中涵蓋了許多因素，因此將模糊理論應(yīng)用其中能夠有效解決這個(gè)問(wèn)題。首先，模糊集合理論作為模糊理論的基礎(chǔ)，正好符合針對(duì)橋梁剩余壽命的研究工作。正是由于事物的復(fù)雜性，正好符合模糊理論。針對(duì)橋梁的聲譽(yù)壽命的研究，將被研究的橋梁分為若干個(gè)結(jié)構(gòu)，將所有結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為論域，將每一個(gè)結(jié)構(gòu)稱為元素。關(guān)于隸屬度的確定，目前仍然處于一個(gè)不斷反饋、校正的階段，主要使用的有專家確定法、多相模糊統(tǒng)計(jì)法、隸屬函數(shù)確定法、綜合加權(quán)法等等，其中專家確定法其主觀以專家經(jīng)驗(yàn)為準(zhǔn)，得到一個(gè)具體的隸屬度數(shù)值，雖然這種方式有一定的誤差性，但是最終結(jié)果也比較接近實(shí)際結(jié)果。多相模糊統(tǒng)計(jì)法，是隨機(jī)組成一個(gè)專家組，作出一個(gè)多相模糊統(tǒng)計(jì)，從而獲得隸屬度。而隸屬函數(shù)確定法是在針對(duì)橋梁剩余壽命研究的具體的情況下選擇分布函數(shù)為隸屬函數(shù)，不管是哪種方法的采用，其最終得到的隸屬度都需要經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證。

4結(jié)語(yǔ)

總而言之，針對(duì)橋梁維修加固后的時(shí)變可靠度分析與剩余壽命的研究，有利于我國(guó)橋梁工程的進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)該課題做出了一些基本的研究，針對(duì)正在服役的橋梁結(jié)構(gòu)其時(shí)變可靠度的計(jì)算主要依靠了荷載修正與建立抗力衰減模型，其中的抗力衰減模型需要充分考慮到材料的時(shí)變性能，由于橋梁結(jié)構(gòu)在進(jìn)行了維修加固之后其工作性能已經(jīng)同原結(jié)構(gòu)有一定的差別，因此在針對(duì)剩余壽命的研究方面也需要考慮到這一方面的影響，從而為實(shí)際的研究工作提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊偉軍,張建仁,梁興文.基于動(dòng)態(tài)可靠度的服役橋梁維修加固策略[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2012,14(3):153-154.

[3]劉海,姚繼濤,牛荻濤.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于銹脹開(kāi)裂壽命準(zhǔn)則的耐久性設(shè)計(jì)方法[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,19(1):203.

The exploration and analysis of time-dependent reliability evaluation and residual life research after bridge maintenance and reinforcement

LIU Jun, WEI Xiu-jian

(The Second Highway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan,Hubei 410052，China)

Abstract:With the development of our country’s infrastructure construction, the highway quality should improve with the increase of highway mileage; it was not only for the perfection of the whole traffic planning, but also for laying a solid foundation to improve highway level. The paper explore and analyze the time-dependent reliability evaluation and residual life research after bridge maintenance and reinforcement. The significance of this research was that it can evaluate various index of reinforced bridge and predict residual life, and aimed to find more potential problems on the basic of investigation reinforcement effect, which can provide decision-making help for the subsequent maintenance and reinforcement work.

Keywords:bridge maintenance and reinforcement;time-dependent reliability;residual life research

中圖分類號(hào)：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)01-0083-02

收稿日期：2015-06-12