在役混凝土桥梁剩余寿命预测方法研究.pdf
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1、第 2 8 卷 第 3 期 2 0 1 2年 9月 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 J o u r n a l o f B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c 1 u r e 文章编 号 : 1 0 0 4 6 0 1 1 ( 2 0 1 2 ) 0 30 0 1 4 0 5 在役混凝土桥梁剩余寿命预测方法研究 秦 吉丽 , 王毅娟 ( 北京建筑工程学院 土木与交通工程学院 , 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要:合理预测现有混凝土桥 梁剩
2、余寿命, 对于公路和城 市交通运输具有重要 的安全、 技术与经 济意义为 了更好地研 究在役混凝土桥 梁的工作状 态和为预测桥梁使用寿命提供技术方法参考, 追踪介绍 了目前桥梁寿命预测方法的发展现状 , 并总结归纳出这些方法的主要类型, 进而对其 中比 较常用的回归分析法、 基于可靠度理论方法、 灰 色预测法、 马 尔可夫法、 灰 色马尔科 夫法、 神经网络 法等预 测 方法做 了特 点与 适 用性 方 面的 比较研 究 关键词 : 桥 梁; 寿命预测;回归分析;可靠度;灰 色理论 ;马尔可夫链;神经网络 中 图分 类 号 :U 4 4 8 3 3 文献 标志码 : A Re s e a r
3、c h o n Re s i d ua l Li f e Pr e di c t i o n M e t ho d o f t h e Ex i s t i n g Co nc r e t e Br i dg e Q i n J i l i , Wa n g Y i j u a n ( S c h o o l o f C i v i l a n d T r i fl e E n g i n e e r i n g , B U C E A B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ) Ab s t r a c t :Re a s o n a b l e p r e d i c t i
4、o n o f t h e e x i s t i n g c o n c r e t e br i d g e r e s i d u a l l i f e h a s i mp o r t a n t s i g n i f i c a nc e i n s a f e t y,t e c h n o l o g y a n d e c o n o mi c s f o r h i g hwa y a nd c i t y t r a n s p o r t a t i o n To b e t t e r s t u d y t he s e r v i c e s t a t e o
5、 f t he e x i s t i n g c o n c r e t e br i d g e a n d pr o v i d e t e c h ni c a l r e f e r e n c e for t h e b r i d g e s e rv i c e l i f e p r e d i c t i o n, t he c u r r e n t s t a t us o f b r i d g e s e r v i c e l i f e pr e d i c t i o n me t ho d a r e i n t r o d uc e d i n t he
6、pa p e r ;t h e ma i n t y p e o f t h e s e me t h o d s i s s u mma r i z e d; a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a b i l i t y a r e c o mp a r e d for t h e c o mmo n l y us e d me t h o d s s u c h a s r e g r e s s i o n a n a l y s i s me t h o d, me t h o d b a s e d
7、 o n t h e r e l i a b i l i t y t h e o r y, t h e g r a y t h e o ry me t ho d,Ma r k o v me t h o d,g r a y Ma r k o v me t h o d a n d n e ur a l n e t wo r k pr e d i c t i o n me t h o d Ke y wo r ds :b r i d g e;s e r v i c e l i f e pr e d i c t i o n;r e g r e s s i o n a n a l y s i s ;r e
8、 l i a b i l i t y;g r e y t he o ry ;Ma r k o v c h a i n; n e l 】 r a 1 ne t wO r k 桥梁是公路交通与城市道路 的咽喉 , 由于车辆 的超 限运输 、 结构 的老 化 和病 害 、 设 计 标 准 的演 变 、 意外碰 撞 、 钢筋 的锈 蚀 、 混 凝 土 的碳 化 、 荷 载 的变 化 等因素的影响 , 桥梁结构的性能会随着时间逐渐退 化 , 进而桥梁使用寿命缩短 , 甚至发生恶性倒 塌事 故那么 , 为了保证桥梁运营的安全 , 就必须对在役 桥梁结构性能与状况进行合理评估 在役桥梁的评估是桥梁维修 、
9、加固的前期工作 , 桥梁的评估结果将决定结构是否 需要进行维修改 建 ; 而桥梁剩余使用寿命 的预测则是桥梁评估中非 常重要的一个方面, 因此现役桥梁结构 的评估以及 现役桥梁结构剩余寿命 的预测是我国桥梁工程界亟 待解 决 的问题 合理评估与预测现有混凝土桥梁的承载能力与 剩余寿命 , 对于避免桥梁因带险运营而出现事故 ; 避 免因其进行不合时机的修理替换而带来 高额费用 , 为现有桥梁结构的维修、 加 固与替换决策提供合理 依据 , 具有重要的安全、 技术与经济意义 收稿 日期 : 2 0 1 2一 O 72 o 作者简介 : 秦吉丽 ( 1 9 8 7 一 ) , 女 , 硕士研究生 ,
10、 研究方 向: 桥梁结构与安全评估 第 3期 秦 吉丽等 : 在役混凝 土桥 梁剩余 寿命预测方法研究 1 5 截 止 目前 , 虽 然 有不 少 学者 提 出 了一些 相 关 桥 梁 寿命 的 预测理 论 , 但 大都 停 留在理 论设 想 阶段 , 尚 缺少 系统化 的研 究 , 更没 有应 用于 实 际工程 建设 , 桥 梁寿命还是一个有待于规范化 的设计指标 基 于上述原因, 本文将介绍并分析几种桥梁结 构剩余寿命预测模 型, 以求为探究桥梁剩余 寿命预 测问题提供参考思路 1 寿命预测方法的主要类型 在英国的建筑物耐久性标准中, 提出了要求使 用寿命 、 预期使用寿命 、 设计寿命的
11、不同概念英国 的 S o me r v i l l e从使用寿命终结 的角度 出发, 将使 用 寿命分为: 技术性使用寿命、 功能性使用寿命 、 经济 性使用寿命三类 西南交通大学的屈文俊提 出桥梁的寿命分为技 术使用寿命和经济使用寿命 , 前者为随机变量 , 后者 为经济 优化 的结 果 从期 望效 益 与 期望 经 济风 险 的 优化分析人手 , 建立桥梁结构的修、 废判别标 准 , 并 提 出了桥梁 经 济使用 寿命 的优化方 法 大连理工大学 的赵 尚传 , 首先把结构的失效状 态分为真性失效和假性失效, 然后从结构剩余寿命 与维 护费 用之 间 的关 系 角 度人 手 , 对在 役
12、混 凝 土 结 构的使用寿命进行了优化 目前 , 人们所说的桥梁使用寿命基本上是指其 技术 使用 寿命 和经 济使 用寿命 , 桥 梁改 造 的时机 , 一 般取决于桥梁的技术使用寿命和经济使用寿命本 文中探讨的是技术使用寿命而桥梁剩余使用寿命 则是指桥梁使用寿命与已使用年限的差值 总体来看 , 国内外采用的寿命预测方法主要有 以下 五种 类 型 : 1 1 比较 预 测法 这种 方 法采用 甚 少 , 它 的假 定条 件是 : 混凝 土 如 果在某一期限内是耐久 的, 则相似环境下的相似混 凝土也将有 同样 的寿命 显然 , 由于材料 、 形状 、 施 工 质量 、 荷 载和环 境 的变异
13、性 , 每一 种桥 梁结 构往 往 是 独一 无二 的 , 不 同的 小 气候 条 件 也 会 影 响 混 凝 土 的使用寿命所 以即便有相似 的使用条件 , 将 过去 的经验 直接 用来 比较 则不太 合 理 1 2经 验预 测法 这种方法是根据实验室和现场的大量实验结果 及以往经验的积累, 对使用寿命做半定量化的预测 , 比如回归分析法但 如若结构 的设计寿命 比较 长, 使用环境条件恶劣 , 或者 因对结构进行加 固而使结 构 状态 发 生较 大改 变 , 这 种预 测方法 就 不太可 靠 了 1 3随机预 测 法 上述的寿命预测方法都属于确定性方法 , 即: 将 影响结构使用寿命 的各
14、 因素均作为确定 的量值 , 由 此得到的寿命 预测结 果只能是均值意义 上的使用 寿命 在耐久性评估 中无论采用哪一种寿命准则 , 由 于影响结构使用寿命 的各 因素都是随机变量 , 甚至 是随时间变化的随机过程 , 结构 的荷载与抗 力都是 随机过程因此应用概率方法进行结构的剩余使用 寿命 的预测是比较合理的, 但这种方法用起来却非 常复杂 1 4数 学模 型预 测 法 利用数学模型预测使用寿命是 目前较多使用的 方法 , 其预测的可靠程度与模 型的合理性以及材料 与环境参数选取的准确性有关现在发展较为完善 的有灰色模型 、 马尔可夫模型等 1 5智能预 测 法 目前 , 基于智能的方法
15、已经开始广泛用于对工 程中某些特性参数的预测 , 如基于模糊数学理论 的 模糊预测法、 基于遗传算法的预测法 、 基于神经 网络 的预测法 , 其中应用较 多的是神经 网络法智能预 测系统具有很强的学习能力 、 组织综合能力 、 自适应 能力和优化能力 , 能很好 的适应桥梁衰退过程的非 线性 、 时变 性 和不确 定性 的特 点 2 寿命预测方法的特点 比较 2 1预测 方 法的 主要特 点 2 1 1 回归预 测法 回归预测法就是利用桥梁在 t 时刻前各个检测 时 刻 的实际 检测 资料 与分析 结果 , 通 过 回归分析 , 建 立 桥梁 技术 状态 与 使 用 时 间 的关 系 , 以
16、此 得 出桥 梁 的剩余使用寿命回归分析的模 型多采用指数型 、 多项式 , 计算值以损伤度系数或养护规范中提 出的 评 分值 为基 础 文献 4 中引入 总损伤度 系数 D , 采用指数 型 中值预 报方 程 , 将 D 表 为 : D =k t + ( t ) , 建 立 了损 伤度系数与时间 的关 系, 求得桥梁 的使 用年限为 : I t = D, e ( 其 中 D s 为寿命 终止时的损伤系数 , 由专家根据工程经验 给出 ) , 剩余 寿命 为: t =f 一 , 为可使用年限 , 为已使用年限 1 6 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 2 0 1 2正 2 1 2 基于可
17、靠度的寿命预测 可靠 度方法建立在可靠度 一时间关 系的基础 上 , 认为结构可靠度衰减到可接受的最小值或者失 效概率增大到可接受 的最大值 的时间为使用 寿命 结构的时变可靠度定义为: 结构在设计基准期内 , 在 正常的设计、 使用和维护条件下 , 考虑环境等因素的 影响 , 在任意时刻完成 预定功能 的概率 P , ( t ) , t 0 , T 结构的功能函数 : z( t )=R ( )一 s ( ) 结构的失效概率 : P , ( t )= P R( t )一S ( ) 0 结构的时变可靠指标 : 卢( )= ( 1一P ) 式 中: ( ) 为标准正态分布 函数的反 函数 可靠指标
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