（土木工程专业论文）城市在役小型混凝土桥梁的可靠性评估与寿命预测.pdf

t 程仍! j j 学位论文城市n ：役小型混凝十桥梁的口，箭：件评估j 寿命页测 摘要 在自然环境、不断增加的交通流量和车辆荷载以及材料内部因素的共同作用下， 随着时间的推移，混凝土桥梁在材料、构件和结构三个层次上出现了不同程度的损伤， 这些损伤的积累必然导致桥梁承载力下降、性能劣化、耐久性降低，影响其正常使用。 如何合理评估在役混凝土桥梁的可靠性，并对其剩余使用寿命进行预测，已逐渐成为 国内外桥梁学术界研究的热点问题之一。 本文通过查阅国内外有关资料并结合专家经验，建立了在役梁桥结构可靠性模糊 评价模型，提出了模糊评价的实用方法。从安全性评估的角度出发，主要考虑了影响 桥梁结构使用可靠性的七个主要因素：主梁、横隔板、支座、墩台盖梁、墩台身、墩 台基础、地基冲刷，并分别赋予了不同的权重。指标层中，借鉴民用建筑可靠性鉴 定标准( g b 5 0 2 9 2 - 1 9 9 9 ) 引入了承载力、变形、裂缝、连接构造四个评判因素，同 样赋予了不同的权重，并给出了各个评价指标的隶属度函数。 在对在役梁桥结构进行模糊评估的基础上，还对其在未来使用年限当中的模糊可 靠性水平提出了一种实用预测方法，即马尔科夫预测方法，给出了模糊可靠性预测曲 线，为桥梁在未来使用年限当中的维修加固提供了理论依据。 关键词：在役钢筋砼桥梁可靠性评估马尔科夫过程模糊评价层次分析法隶属 度函数 摘要 t 程硕i ：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c t i o no fn a t u r a le n v i r o n m e n t ，i n c r e a s i n gt r a f f i cf l o wa n dv e h i c l e l o a d ，m a t e r i a ld e t e r i o r a t i o n ，t h ec o n c r e t eb r i d g e sh a v eu n d e r g o n ev a r i o u sd e g r e ed a m a g e s o nt h r e el e v e l so fm a t e r i a l c o m p o n e n ta n ds t r u c t u r ea st i m eg o e so n a n d 晰t l lt h e a c c u m u l a t i o no ft h e s ed a m a g e s ，t h ec o n c r e t eb r i d g e sb e a t i n gc a p a c i t y , p e r f o r m a n c ea n d d u r a b i l i t yw i l ld r o po rd e g r a d e ，s oi t sn o r m a ls e r v i c ef u n c t i o ni si n f l u e n c e d h o wt o e v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo fe x i s t i n gc o n c r e t eb r i d g ea n dt of o r e c a s tb r i d g e sr e m a i n i n g s e r v i c el i f er a t i o n a l l y , h a sg r a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h ec o n c e m e dp r o b l e m si nt h e d o m a i no fd o m e s t i ca n df o r e i g nb r i d g ea c a d e m i a a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h e r e l i a b i l i t yo fe x i s t i n gc o n c r e t eb r i d g ei sn o ta b u n d a n t ，w h i c hi st h es t a r t i n gp o i n to ft h i s d i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ec o n s u l to fr e l a t e di n f o r m a t i o na n dt h ee x p e r i e n c eo fe x p e r t si nf o r e i g n c o u n t r i e sa n dc h i n a , t h ef u z z yr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e lo fe x i s t i n gb r i d g e si sb u i l ta n d t h ea p p l i e da n a l y s i sm e t h o di sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r i no r d e rt oe v a l u a t ee x i s t i n g b r i d g e s s a f e t y , t h ep r o j e c tl a y e rm o s t l yc o n s i d es e v e ni n f l u e n c i n gf a c t o r sw h i c ha f f e c t t h es e r v i c e a b i l i t yo fb r i d g es t r u c t u r e ，s u c ha sg i r d e r , d i a p h r a g m ，s u p p o r t s ，c a p p i n gb e a m ， p i e ra n da b u t m e n t ，f o u n d a t i o na n df o u n d a t i o ns c o u r i n g a l lt h e s es e v e nf a c t o r sa r ev e s t e d t h e i ro w nd i f f e r e n tw e i g h t s i nt h ei n d e xl a y e r , r e f e r r i n gt ot h e ”s t a n d a r df o ra p p r a i s e ro f r e l i a b i l i t yo fc i v i lb u i l d i n g s ”( g b 5 0 2 9 2 19 9 9 ) ，f o u re v a l u a t i o nf a c t o r ss u c ha sb e a r i n g c a p a c i t y , d e f o r m a t i o n ，c r a c k sa n dj o i n ts t r u c t u r ew h i c hh a v et h ed i f f e r e n tw e i g h t sa n dt h e d i f f e r e n tm e m b e r s h i pf u n c t i o n so fe a c he v a l u a t i o ni n d e xa r ei m p o r t e d b a s e do nf u z z ye v a l u a t i o no ft h ee x i s t i n gb e a mb r i d g e s ，m a r k o vf o r e c a s t i n g m e t h o da n db e a t i n gc a p a c i t yf o r e c a s t i n gc u r v eo fb r i d g e s f u z z yr e l i a b i l i t yl e v e li nt h e f u t u r es e r v i c ei sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i ts u p p l i e st h et h e o r e t i c a lr e a s o nt ot h eb r i d g e s m a i n t e n a n c ea n dr e i n f o r c e m e n ti nt h ef u t u r es e r v i c e k e yw o r d s ：e x i s t i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e ：r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ： f u z z ye v a l u a ti o n ：a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ：m e m b e r s h i p f u n c tio n ：m a r k o vp r o c e s s e s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：耍已堡翌略年f 倜日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：二主车垒翌 咯年- 1 月1 e l t 程形! i ：学位论义 城市41 役小型混凝十粱桥的- 口，希件计f 占j 寿命预测 1 绪论 1 1 引言 随着我国交通事业的蓬勃发展，城市道路罩程的不断扩大，道路等级也在不断提 高，大量低等级道路正在被改建和扩建。作为线路咽喉要道的桥梁对保证道路的正常 使用和安全营运，发挥其潜在通行能力，提高道路的运营效益等都具有非常重要的作 用。桥梁的健康状况包括：能承受正常使用期间可能出现的各种荷载和变形；结构及 其构件具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性；以及在发生突变的情 况下，结构能保持整体的稳定性。即要保证桥梁在服役期间满足一定的可靠性要求， y j 一能保证城市道路系统的预定服务水平和发挥其潜在的能力，体现城市道路的价值。 然而，调查发现许多城市在役桥梁在使用期间暴露了许多问题。主要包括桥面系 ( 桥面铺装、防水层和伸缩缝等) 破损，结构( 主梁、墩台盖梁等) 受力裂缝超限， 钢筋锈蚀、混凝土老化、混凝土表面顺筋开裂、横向联结破坏、支座损坏、墩台身及 基础混凝土侵蚀、基础不均匀沉降、地基承载力不足等。许多损伤的桥梁仍可保证正 常的通车运营，但己存在一定的安全隐患，还有一些损伤严重的桥梁只能限载或停止 通车。 造成桥梁损伤的原因有很多，主要可归结为三个方面：第一，是由于桥梁设计承 载力不足、施工质量较差、运营维护不当以及一些偶然事件引起的；第二，是由于桥 梁结构在自然环境、使用环境和材料内部因素的共同作用下，随着时间的推移，材料 ( 混凝土、钢筋等) 性能劣化引起的；第三，是由于桥梁原设计荷载等级较低，随着 国民经济的发展，城市道路荷载在不断提高，桥梁在超负荷情况下服役引起的。 近年来，城市道路建设和维护部门在桥梁的维修、加固以及承载力提升等方面的 工程量在逐年增加。而评估在役桥梁结构的承载力，选择处理( 养护、维修、加固或 拆除重建) 方案的工作量非常大。由于影响城市在役桥梁可靠性的因素较多，影响规 律复杂，尚有许多问题需要探索和研究，所以评估难度很高。而决策的好坏对节省投 资、保障城市道路系统的安全运营等都有很大的影响。因此，对在役桥梁的结构性能 进行可靠性分析，给出桥梁当前以及以后一段时间内的承载能力和正常使用可靠度水 平，有利于城市道路建设决策部门对桥梁的维护工作做出经济合理、切实有效的抉择。 混凝土桥梁在城市桥梁中占有很大的比重。本论文主要研究在役混凝土桥梁可靠 性评估与剩余使用寿命预测方法。 1 2 在役桥梁结构安全评价及其可靠度研究现状 1 2 1 在役混凝土桥梁结构性能评估方法 对于桥梁结构，评估( a s s e s s m e n t ，e v a l u a t i o n ，a p p r a i s a l ) 的一种较为全面的 1 绪论 t 程帧i j 学位论文 定义为“利用特定信息，分析在役桥梁的可靠性并作出工程决策的过程”。在役混凝 土桥梁的己有( 或可用) 评估方法主要有： 1 、变权综合评定法 现行的公路桥涵养护规范( j t gh 1 卜2 0 0 4 ) 采用变权综合评定法。首先确定桥 梁技术状况评定等级( - n 五类) ；其次根据缺损程度( 大小、多少或轻重) 、缺损对结 构使用功能的影响程度( 无、小、大) 和缺损发展变化状况( 趋向稳定、发展缓慢、发 展较快) 等三个方面，以累加评分方法对各部件缺损状况做出等级评定( 重要部件以其 中缺损最严重的构件评分，其它部件根据多数构件缺损状况评分) ；然后依据本地区 的环境条件和养护要求，采用专家评估法对规范推荐的各部件的权重进行修订( 变 权) ；最后根据下式计算桥梁缺损状况指数b c i 并参照表1 - 2 进行评定。 生 b c i = 1 0 0 一 ：r 彬5 ( 1 - 2 ) 百 式中，r i 为各部件评分( o 、5 ) ；w i 为各部件权重，芝：彬= 1 0 0 表1 - 1 评定分类界限 缺损状况指数 b c y 8 86 0 b c y 8 84 0 b a 6 0b c i z ，则将巨也作为失 效单元，这一过程叫分组操作，兄为分组参数，首先寻找第一条主要失效路径，并计 算其失效概率，以此失效概率与限界参数y 的乘积作为剔除其它次要失效路径的标 准，寻找其它主要失效路径。分组参数五和限界参数y 的取值决定着该方法的效率和 精度，如果力和7 取值合适，能够有效地减少计算量。参数旯和y 建议取为o 5 和0 6 。 确定性搜索方法 确定性搜索方法中，结构性质和荷载等被认为是确定的而非随机的。1 9 9 5 年k a m 介绍了海洋平台采用较多的r s r ( r e s e r v es t r e n g t hr a t i o ) 法。r s r 法中构件的失效 次序是根据构件的强度利用率来决定的，首先加载至利用率最大的构件失效，而后增 加荷载并对结构进行重分析，取此阶段利用率最大的构件失效，直至结构形成机构。 依次失效的构件构成一个失效路径，当失效路径发展至使结构成为机构时，则时称之 为形成一个失效模式。1 9 8 2 年m o s e s 提出广义承力比最大准则，该法在决定构件的 失效次序时，一级构件的失效与r s r 法相似，也是根据构件强度的利用率最大来决定 的，而次级构件的失效则是根据该构件强度的利用率变化量大小来决定的。1 9 8 8 年 f e n g 对m o s e s 的广义承力比最大准则加以改进，提出了识别结构系统主要失效模式 的优化准则，初步解决了m o s e s 方法容易遗漏主要失效模式的问题。通过考虑结构在 加载过程中有时会出现内力反向现象，f e n g 和董聪对优化准则进行了拓展，在1 9 9 1 年共同提出了荷载增量最小准则。为了克服荷载增量最小准则没有考虑系统临界强度 1 绪论 t 程坝i j 学位论文 积累量对系统后续失效状态的影响，同年，董聪和f e n g 又共同提出了识别系统主要 失效模式的阶段临界强度分枝一约界准则。此后，董聪等又对阶段临界强度分枝一约 界准则加以改进，将柔性动念控制边界的思想引入结构系统失效模式识别过程，借助 于多级反馈环节实现失效树柔性控制边界的同步自适应动态调整，提出全局临界强度 分枝一约界准则。 ( 2 ) 系统可靠度的估算方法 系统可靠度估算方法分为两类，一类是区间估计法，另一类是点估计法。1 9 6 7 年c o r n e l l 提出简单界限理论，这是最早的界限理论。它仅利用了失效模式失效概率 本身，没有考虑失效模式间的相关性的影响，认为系统失效概率上下界分别为假定各 失效模式完全独立的失效概率和假定各失效模式完全相关的失效概率。由简单界限理 论给出的系统失效概率估计区间往往过宽。1 9 7 9 年d i t l e v s e n 提出二阶界限理论， 通过考虑两两失效模式间相关性的影响，确定系统失效模式的上下界。 点估计法主要是h n g 和m a 的概率网络法，认为所有的主要失效模式可以用其中 的r 1 1 个显著失效模式来代替。而这m 个显著失效模式是由所有主要失效模式通过下述 原则选择出来的：即把主要失效模式分为i l l 组，在同组中各主要失效模式与一显著失 效模式高级相关，这个显著失效模式可以代表该组所有主要失效模式。在计算时假定 显著失效模式之间是独立的。于是，系统的失效概率为0 = 1 - 兀( 1 一易) 。另外，f e n g i = l 和董聪也分别给出了相关失效模式综合失效概率的近似计算公式。 3 、其它可靠度分析方法 ( 1 ) 模糊一随机可靠度方法 随机可靠度理论由于没有考虑到模糊性，特别是在小样本情况下的概率分布确定 等方面遇到很多困难。模糊数学在表达人类的经验、定性描述等模糊的概念方面比经 典数学有较强的优势，将模糊性和随机性相互融合，把模糊数学理论和概率理论结合 起来，采用模糊随机可靠度的分析方法，易于将人们的经验认识加入分析的过程中， 更能与工程的实际情况相符。模糊一随机可靠度方法以模糊随机变量为基本变量，建 立模糊随机功能函数，计算模糊可靠度。模糊性与随机性相结合可以分为三种情况： 模糊事件的概率、事件的模糊概率及模糊事件的模糊概率。王磊、张建仁考虑抗力和 车辆荷载效应的模糊时变性以及恒载和失效准则的模糊性，视在役桥梁为串联系统， 对在役混凝土桥梁的模糊随机时变可靠度分析方法进行研究。 ( 2 ) 蒙特卡洛一有限元耦合方法 将蒙特卡洛法与有限元法直接结合，首先对极限状态方程中的每个随机变量按 6 t 程倾i j 学位论文城市n ：役小型混；疑十梁桥的口，箭忡w 估。j 舟命预测 其分布类型和统计参数产生随机数，然后将产生的随机数系列作为有限元输入参数进 行确定性有限元计算，最后对计算结果进行统计分析，得到应力或位移的统计特征， 据此计算可靠指标和失效概率。这种方法易于通过编制程序实现。 ( 3 ) 遗传算法和神经网络结合的方法 遗传算法最早于2 0 世纪7 0 年代由美国密执安大学的j o h nh o l l a n d 提出，它是 基于自然遗传和自然选择的思想，以类似于达尔文适者生存理论的寻优方法。主要是 通过编码、进化、选择、交叉和变异等5 种操作来实现。遗传算法的强大寻优功能可 以较好地适应可靠性计算与分析的要求。根据对b r o t o n n e 斜拉桥的计算结果，由遗 传算法计算的可靠指标与j c 法及m o n t ec a r l o 法得出的可靠指标非常接近，而且遗 传算法的误差要小于j c 法，但在计算中，收敛速度较慢。 人工神经网络具有较强的模式识别能力，适合于工程中的损伤检测。近年来， 以非线性大规模并行分布为主流的人工神经网络研究发展迅速，已比较成功地应用于 模式识别等许多领域，并逐渐成为解决一些工程实际问题的基本工具之一。神经网络 在重构功能函数方面具有突出的优势，根据对b r o t o n n e 斜拉桥的计算结果，基于b p 网络的失效概率计算结果与基于原功能函数的失效概率计算结果非常接近。这说明即 使在功能函数具有强非线性的情况下，b p 网络也能很精确地逼近该功能函数。但b p 网络与其他网络形式相比，收敛速度较慢，网络容易陷入局部最小值，另外网络结构 的布置任意性较大，给隐层数、节点数的确定带来困难。 与上述单一的计算方法相比，更加有效的方法可能是将遗传算法和人工神经网络 两者结合起来的改进响应面法，即先利用遗传算法寻找设计点，然后利用b p 网络在 设计点附近重构功能函数，最后采用重要抽样法来计算各失效模式的失效概率。这一 方法既避免了一次二阶矩法的局限性，又具有m o n t ec a r l o 法高精度的优点，而且可 以显著提高计算效率和精度。 1 2 3 考虑材料耐久性的混凝土结构可靠度研究 1 、在役结构抗力分析 ( 1 ) 影响抗力衰减的因素 混凝土的劣化 a 混凝土碳化 混凝土碳化是环境中的二氧化碳向混凝土内部扩散，并与混凝土中的可碳化物质 发生化学反应的过程。对于一般大气环境，混凝土碳化是混凝土中钢筋锈蚀的自订提 条件。 从建模方式来看，混凝土碳化模型可以分为理论模型和经验模型两类。无论是何 种模型，碳化深度与碳化时间的平方根成f 比的规律己得到几乎所有学者的公认。目 1绪论t 程坝l j 学位论之 自l ，混凝土碳化深度理论模型主要有阿列克谢耶夫模型、p a p a d a c is 模型：经验模 型很多，相对于理论模型，其公式较为简单实用，模型中参数主要考虑水灰比、水泥 用量、混凝土抗压强度的一种或几种，并用修正系数考虑其它因素的影响，如同本 n i s h i 模型、许丽萍模型、牛荻涛模型等。同济大学张誉等在p a p a d a k i s 模型碳化机 理的基础上，结合试验结果推导了碳化深度预测的实用数学模型。 混凝土碳化深度的检测方法主要有x 射线法和化学试剂法。 b 、氯离子侵蚀 混凝土中氯离子的来源有两个：一是配置混凝土时由原材料带入的氯离子：二是 从外界环境渗透到混凝土中的氯离子。原材料带入的氯离子大部分被水泥浆吸附以结 合氯离子的形式存在，对钢筋锈蚀影响不大。外界环境中的氯离子通过混凝土保护层 达到钢筋一混凝土界面并逐渐积聚，当钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度时，钢筋发 生锈蚀。 关于外界环境氯离子侵蚀的讨论一直是混凝土结构氯离子侵蚀研究的热点问题， 并相继提出了许多考虑各种机理的氯离子侵蚀数学模型。早期的研究成果主要集中于 应用f i c k 第二扩散定律来预测氯离子扩散使钢筋锈蚀的使用寿命。近年来，随着人 们认识的深入，基于氯离子渗透的氯离子侵蚀数学模型也有了新进展，主要有：氯离 子扩散模型的边界条件由简单向复杂转变、由单纯扩散模型向扩散一对流一电场共同 作用模型转变以及由确定型向可靠度型或概率型转变。目前，关于混凝土中氯离子扩 散和渗透性的研究还带有很大经验性，给出的数学模型具有一定的适用范围，模型中 的很多参数还需要进一步研究以及通过大量试验来确定。 混凝土中氯离子的测试方法有：测试氯离子渗透性的a s t m 标准实验、时间电流 法和循环伏安法：测定氯离子含量的沉淀滴定法、电位滴定法、色差显示法以及r c t 法。 c 、混凝土强度的经时变化 混凝土强度是确定在役钢筋混凝土结构构件抗力的重要参数。影响混凝土强度的 因素很多，主要有混凝土的碳化、碱一骨料反应、混凝土的冻融破坏以及化学侵蚀等。 混凝土强度平均值的经时变化一般可以分为上升阶段和下降阶段。 现有的混凝土强度预测模型主要是根据长期暴露试验或对经年结构物实测得到 大量数据，经回归分析得到的。不同的环境条件，混凝土强度预测模型是不同的。国 内学者牛荻涛对混凝土强度预测模型做过较深入的研究，得到一般大气环境下混凝土 强度的经时变化模型和海洋环境下混凝土强度的经时变化模型。 混凝土强度的检测方法主要有钻芯取样法、回弹法、超声回弹综合法以及后装拔 出法等。 混凝土中钢筋锈蚀 t 程硕i j 学位论文 城市住役小型混凝十梁桥的a ，靠件评估j 寿命预测 影响混凝土中钢筋锈蚀的因素很多，主要有混凝土p h 值、环境温度、氯离子浓 度、混凝土的电阻抗、孔隙水饱和度与相对湿度、水次比、养护龄期、保护层厚度以 及水泥品种与掺合料等。 a 、钢筋锈蚀量( 或锈损率) 钢筋锈蚀的直接结果是钢筋的有效截面积减小。钢筋锈蚀量( 或锈损率) 是确定在 役钢筋混凝土结构构件抗力的最主要的参数。 混凝土中钢筋锈蚀量的预测涉及的影响因素相当多，分析过程复杂。根据混凝土 中钢筋锈胀损伤过程，钢筋锈蚀量的预测可以分为两个阶段：从钢筋开始锈蚀到混凝 土保护层胀裂时阶段和混凝土保护层胀裂后阶段。因此，混凝土中钢筋锈蚀量的预测 涉及：钢筋开始锈蚀时间的预测、混凝土保护层胀裂前钢筋锈蚀量的预测、混凝土保 护层胀裂时间的预测以及混凝土保护层胀裂后钢筋锈蚀量的预测。 用于混凝土中钢筋锈蚀无损检测的物理方法主要有电阻棒法、涡流探测法、射线 法、声发射探测法及红外热像法等：电化学方法主要有自然电位法、交流阻抗谱法、 线性极化法及恒电量法等。目前，物理方法主要停留在试验室阶段，用于现场检测较 少：混凝土中钢筋锈蚀本身是一个电化学过程，电化学量测是反映其本质过程的有力 手段，与物理方法相比，电化学方法具有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位 测量等优点，因此，电化学方法得到了很大的重视，开始尝试用于现场检测。此外， 在条件允许的情况下，还可以采用破损检测法拨开部分梁、柱混凝土保护层进行抽样 检测以确定钢筋的锈损情况。 b 、锈蚀钢筋的力学性能 不均匀锈蚀导致钢筋表面凹凸不平，产生应力集中现象，使钢筋的力学性能退化， 如强度降低、延性变差。国内外学者对锈蚀钢筋的力学性能进行了大量的试验研究， 建立了不同的锈蚀钢筋强度降低系数( 或极限延伸率) 与钢筋锈损率之间的关系式，如 惠云玲式、马良式等。从各统计公式和试验数据来看，钢筋锈蚀发展引起其强度降低 的趋势基本是一致的，且极限强度比屈服强度降低更快，但由于试验条件和钢筋试样 的不同及钢筋锈蚀的复杂性和离散性，差异也是明显的，有待进一步深入研究。 c 、锈蚀钢筋和混凝土之间粘结性能 钢筋与混凝土之间的粘结力是保证钢筋与混凝土两种材料共同工作的前提。当混 凝土中钢筋锈蚀后，在钢筋和混凝土之间生成疏松的锈层，破坏钢筋表面和混凝土之 间的化学胶着力，并降低钢筋和混凝土之间的摩阻力，变形钢筋横肋的锈损降低钢筋 和混凝土之f u j 的机械咬合力，保护层混凝土锈胀丌裂甚至剥落，则降低外围混凝土对 钢筋的约束，所有这些因素都将导致钢筋和混凝土之问粘结强度退化。 研究粘结强度退化规律的途径主要是进行粘结锚固试验，有中心拔出或压出试 验、梁式或半梁式试验，如：王林科进行了现场取样拉拔试验，对光圆锈蚀钢筋和混 1 绪沦 t 程f 晚i 。学位论文 凝土的粘结力降低系数进行研究：金伟良进行了快速锈蚀拉拔试验，分别对光圆和螺 纹锈蚀钢筋和混凝土的粘结力降低系数进行研究，并给出锈蚀钢筋和混凝土的粘结本 构关系建议式：牛荻涛进行了快速锈蚀压出试验，考虑混凝土保护层厚度、混凝土强 度、钢筋直径、钢筋种类和钢筋位置5 种因素的影响，对钢筋锈蚀率与钢筋一混凝土 极限粘结强度的本构关系进行研究；张伟平进行了半梁式粘结试验，通过螺纹钢筋开 槽、内贴应变片测量锚固区内各点的钢筋应力，对考虑锈胀裂缝宽度的锈蚀钢筋和混 凝土的粘结强度降低系数以及考虑锚固位置影响的锈蚀钢筋一混凝土粘结滑移本构 关系进行研究。从已有研究成果来看，各模型对揭示锈蚀钢筋和混凝土之间粘结性能 变化的规律基本是一致的，但计算结果存在差异，并且各模型的参数和表达形式差别 较大。 为考虑锈蚀引起钢筋和混凝土之间粘结强度退化对构件承载力的影响，对受拉锈 蚀钢筋必须乘以协同工作系数。目前，比较典型的锈蚀钢筋一混凝土协同工作系数计 算式有惠云玲式、王庆霖式、张伟平式以及金伟良式。 ( 2 ) 在役结构抗力模型 抗力评估模型 在役结构已是一个客观存在的实体，理论上讲其抗力表达式中各变量的随机性 己不存在，其值是可以通过实际检测得到的。但由于材料性能的不均匀性、几何尺寸 的多变性，检测得到的材料性能和几何尺寸将不是唯一的，因此作为一种权宜之计分 析方法，仍需作随机变量看待。 根据已有研究成果，建立在役结构抗力评估模型需要实测或根据相关公式预估 结构当前时刻的混凝土强度、锈蚀钢筋截面积、锈蚀钢筋屈服强度以及锈蚀钢筋一混 凝土协同工作系数。 抗力预测模型 考虑材料耐久性的影响，结构随着服役时间的增加，抗力是不断下降的。根据 前面的分析，在役结构抗力预测模型需要考虑混凝土强度、钢筋截面积、钢筋屈服强 度以及钢筋一混凝土协同工作系数随时间的变化。 从已有的研究成果来看，在役结构抗力预测模型主要有以下几种：考虑锈蚀钢筋 截面积随时问变化的抗力预测模型；考虑锈蚀钢筋截面积、锈蚀钢筋强度以及锈蚀钢 筋和混凝土的粘结性能随时间变化的抗力预测模型；考虑混凝土强度、锈蚀钢筋截面 积、锈蚀钢筋强度以及锈蚀钢筋和混凝土的粘结性能随时问变化的抗力预测模型；考 虑混凝土强度、锈蚀钢筋截面积、锈蚀钢筋强度以及构件截面尺寸随时间变化的抗力 预测模型；考虑抗力衰减函数的抗力预测模型。对在役结构进行可靠性分析时，可以 根据实际情况或需要，选择某种预测模型来分析，无论采用何种模型，对抗力基本参 数( 混凝土碳化深度、混凝土强度、锈蚀钢筋截面积、锈蚀钢筋强度以及锈蚀钢筋一 1 0 t 程顺l ：学位论文城市“! 役小型混；疑十梁桥的町希。r + 计估。j 寿命预测 混凝土协同工作系数) 随时间变化规律的预测是决定抗力预测模型准确与否的关键。 2 、在役结构荷载及荷载效应分析 长期以来，关于在役结构可变荷载取值问题，工程界存在两种观点：第一种观点 认为，在役结构的使用期乇未超过原设计基准期t 时，结构在 f o ，t 期间的工作状 态仍处于设计基准期内，其荷载与设计结构相同：第二种观点认为，在役结构的荷载 应按照可靠性分析的继续使用期重新估计。目前，对在役结构的荷载估计中，较为一 致的看法是：在役结构的荷载若仍按照设计基准期取值是不合理的，应该根据在役结 构的继续使用期进行荷载估计。就目前的研究现状，这种基于等超越概率准则研究在 役结构可变荷载模型相对较为合理。 在可靠度分析中，用到的是荷载效应，但荷载效应的测定难度较大，直接对其进 行统计更是困难。因此，从荷载效应与荷载的关系入手，对荷载效应的统计规律进行 研究是目前所采用的方法。 公路工程结构可靠度设计统一标准( g b t5 0 2 8 3 - 1 9 9 9 ) 基于可变荷载样本函 数为平稳二项随机过程确定可变荷载效应模型，给出了设计基准期可变荷载效应统计 参数和概率分布。 3 、在役结构最低可靠指标分析 最低可靠指标是在役结构可靠性评定和剩余使用寿命预测的重要指标。确定目 标( 或最低) 可靠指标的方法主要有事故类比法、经济优化法、社会效应优化法以及经 验校准法。 1 3 已有研究成果评述 1 、在役混凝土桥梁已有( 或可用) 安全评价方法很多，各种方法的适用情况和精 度不尽相同，变权综合评定法和荷载试验评定法是目前使用最广泛的两种方法。多数 方法为确定性评价方法，对概率或模糊概率评价方法研究较少，概率或模糊概率评价 方法在公路旧桥安全评价上应用则更少。影响在役混凝土桥梁可靠性的不定性因素较 多，包括材料及其损伤的不定性、由于施工误差等引起结构几何参数的不定性、荷载 及荷载效应的不定性、结构计算模式的不定性等，因此，采用确定性评价方法进行评 估有其不足之处，概率或模糊概率评价方法用于公路旧桥安全评价的研究是今后的发 展趋势。 2 、现行的在役结构可靠性评价方法主要有两类，第一类方法简单实用( 我国工业 与民用建筑可靠性鉴定标准己采用) ，但与我国现行的结构可靠度设计统一标准不相 协调，并且较难实现对在役结构的可靠性预测：相比之下j 第二类方法难度较大，在 理论上需经过大量的可靠性前期研究工作，在应用中需进行详细的检测和复杂的可靠 性计算，但该类可靠性评价方法与结构可靠度设计统一标准相协调，并且易于实现对 11 1 绪论 t 程f i | ；! l j 学位论文 在役结构的可靠性预测，因此是今后在役结构可靠性评价方法研究的重点方向。 3 、关于结构构件可靠度分析方法的研究已比较完善，j c 法是目自玎使用较多的构 件可靠度分析方法。随着计算机技术的发展和计算效率的提高，m o n t e c a r l o 重要抽 样法也逐渐被用于结构构件的可靠度分析，并且将具有很好的应用前景。 4 、关于结构系统可靠度分析方法的理论研究也比较完善，但系统可靠度理论在 工程应用上有相当难度，尤其是用于在役混凝土结构系统可靠度的分析。目前，在役 混凝土桥梁系统可靠度评估还处于起步阶段。较完善的系统可靠度分析方法( 寻找失 效模式的方法和系统可靠度的估算方法) 为在役混凝土桥梁系统可靠度评估研究奠定 了基础。 5 、其它可靠度分析方法作为结构系统可靠度研究的一个分枝，近年来有了一定 的发展。模糊一随机可靠度方法、遗传算法、神经网络法等具有较好的应用前景；基 于信息更新的b a y e s 方法可有效利用试验检测信息，着眼于具体结构生命周期全过 程，为解决在役结构时变可靠度分析问题开拓了新的思路。 6 、国内外众多学者对在役混凝土结构抗力影响因素进行了大量的理论和试验研 究，取得了不少研究成果，但同一耐久性参数的各个计算模型之间的差异也是明显的。 对工民建结构耐久性参数研究较多，对桥梁结构耐久性参数研究很少。已有研究成果 在工程用中的精度如何，计算模型该如何简化和修正，值得切商。特别是，有待寻求 能适应在役混凝土桥梁耐久性分析的抗力影响因素的工程实用计算模型。 7 、目前所讨论的目标可靠指标和最低可靠指标都是相应于结构构件的，并非结 构体系的。在我国，拟建结构构件目标可靠指标在结构可靠度设计统一标准中己有明 确规定，但在役结构构件最低可靠指标的取值尚未达成共识，对在役结构体系最低可 靠指标未有研究。根据已有研究成果，在役桥梁结构构件的最低可靠指标可以通过经 验校准法反演分析确定。 8 、桥梁结构体系的可靠度与桥梁跨径、跨数、主梁间距、横桥向主梁片数等因 素有关，关键构件可靠度相同的不同桥梁，其结构体系可靠度是不同的，因此，在役 桥梁结构体系的最低可靠指标不应简单等同于关键构件的最低可靠指标，应该专门研 究对在役桥梁可靠性进行评估时，是以关键构件的最低可靠指标为限值还是以结构体 系的最低可靠指标为限值，需要进一步讨论。 总的来看，目前关于在役混凝土桥梁可靠度研究不多，对在役混凝土桥梁结构体 系可靠度研究则更少，有待专门研究，这正是本论文研究的出发点。同时也看到，结 构构件和结构系统可靠度理论己经比较完善，考虑材料耐久性的混凝土结构可靠度研 究也已有相当进展，这些为丌展在役混凝土桥梁可靠度评估及寿命预测研究奠定了基 石出。 t 程顺l ：学位论文城市n i 役小型混凝十粱桥的日，靖。件评估j 寿命预测 1 4 本论文主要研究内容 一般来说，可靠度可以分3 类：考虑事件随机性的可靠度为“随机可靠度”，考虑 事件模糊性的可靠度为“模糊可靠度”，考虑事件模糊随机性的可靠度为“模糊随机 可靠度”。这些总称为“广义可靠度”。本论文只涉及前两类可靠度，围绕“在役混凝 土桥梁的可靠性评估与剩余使用寿命预测”开展研究，主要研究内容如下： 1 、分析了在役桥梁可靠性研究的背景和意义。对在役混凝土桥梁的己有( 或可用) 评估方法、结构可靠度分析方法以及考虑材料耐久性的混凝土结构可靠度研究现状等 方面的研究成果进行了总结和特点评述，并指出下一步研究的方向； 2 、将结构随机可靠度计算理论和混凝土结构耐久性参数计算模型融入在役混凝 土桥梁的构件及体系：在构件可靠度评估与寿命预测方面，对在役混凝土桥梁构件的 荷载效应概率模型、抗力概率模型、可靠度评估方法及流程、可靠度预测方法、剩余 使用寿命预测方法及流程等方面进行了研究：在系统可靠度分析方法方面，以在役混 凝土梁桥为研究对象，对梁桥结构系统可靠度分析模型、结构失效准则、主要失效模 式的搜寻方法( 确定控制截面和加载方式、失效分析计算流程、存在的主要问题及近 似处理) 、系统可靠度的估算方法、多梁式简支梁桥桥跨结构承载力可靠度的一种近 似分析方法( 等代梁法) 等方面进行了初步研究； 3 、提出了采用层次分析法确定拱肋耐久性最弱截面的方法，并采用模糊神经网 络对既有钢筋混凝土桥梁进行可靠性评估； 4 、建立在役梁桥结构可靠性模糊评价递阶层次模型，确定评价模型中项目层和 指标层模糊评价因素权重集以及构造模糊评价指标的隶属函数。在模糊可靠性评估的 基础上对在役梁桥结构进行马尔科夫寿命预测。 2桀十时变町靖度理论的桥梁现状计估j 剩余寿命】币测t 程埘! i j 学位论义 2 基于时变可靠度理论的桥梁现状评估与剩余寿命预测 2 1 引言 桥梁结构可靠度分析通常没有考虑抗力效应的时效性。实际上，桥梁在服役期间， 由于外界环境侵蚀等因素的影响，桥梁结构的抗力是随时间而衰减的，因此其可靠性 也随服役时间而变化。现基于时变可靠度理论来研究服役桥梁的现状评估和剩余使用 寿命，通过建立结构抗力效应的时变可靠度模型来估算桥梁的剩余使用寿命。 2 2 结构时变可靠度的基本概念 由于结构的抗力r ( t ) 和荷载效应s ( t ) 都随时间而变化，因此构件的失效概率 p ，( t ) 也随时间而变化。因此定义结构的时变可靠度如下：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 s ( t ) ，t o ，t 。 结构的功能函数：z ( t ) = r ( t ) 一s ( t )( 2 - 1 ) 结构的失效概率：p ，( t ) ：pe r ( t ) 一s ( t ) 0 ( 2 - 2 ) 结构的时变可靠指标：f s k = 厶( 0 9 8 6 - 1 1 9 9 2 q ，) ( 2 3 ) 式中：l f ，1 ( 木) 为标准正态分布函数的反函数 2 3 在役桥梁结构随机时变抗力的概率模型 2 3 1 概述 桥梁结构的抗力随时间变化的规律，因结构参数和受力特点的不同而不同。为了 实现对桥梁结构时变可靠度的预测、评价，首先必须建立一个类比原则，从而使某一 结构抗力的时变规律可以在同类结构中推广使用。 影响桥梁结构抗力随时间变化的因素是多种多样的，一般来说这些因素可归结为 三类：环境因素、荷载因素和材料因素。表2 一l 列举了一般钢筋混凝土结构常见的影 响机制。 表2 - 1 一般钢筋混凝土机构常见的影响机制 环境因素荷载因素自身因素 混凝土碳化高周疲劳损伤 混凝土强度时变性 钢筋锈蚀低周疲劳损伤钢筋强度时变性 侵蚀性气体、液体 高应力效应 碱集料反应 高、低温收缩、徐变等 t 程侦l j 学位论义 城市礼 殳小型混凝十梁桥的口j 希件评估j 寿命j ：哽测 桥梁结构的抗力随时i 刨变化是一个复杂的不可逆过程，由于影响因素极为复杂， 因此本文只考虑了三个主要因素：一般大气条件下的混凝土碳化、钢筋锈蚀以及由此 引起的钢筋与混凝土之间的粘结能力降低等三个因素。 根据桥梁结构可靠性分析提出的抗力衰减模型为： r ( t ) = i pk sr f 。i ( t ) ，e 1 i ( 2 - 4 ) 式中：k p 为计算模式不确定性随机变量：k s 为钢筋与混凝土协同工作系数； r 为由材料参数和集合参数的标准值计算得到的抗力随机过程。 2 3 2 抗力影响因素的统计分析 1 ) 混凝土强度在一般大气条件下的经时变化 ( a ) 混凝土强度的平均值函数可表示为 j s ( t ) = r ( t ) , u f 。r ( t ) = 1 4 5 2 9 e 卸脱4 6 h 卜 1 5 4 2 ( 2 5 ) 其中，纷。为混凝土2 8 天强度平均值。 ( b ) 混凝土强度的标准差函数可表示为 町( ，) = s ( ，) 町。 占( r ) - - 0 0 3 0 5 t + 1 2 3 6 8 其中，町。为混凝土2 8 天强度标准差。 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 嘭。= 艇i = 一哔卜i “础鹕( ) ( ) j 具甲，k c 力况缴土网镢化系效，用卜式计算 蜓咆峭l 罄乞7 4 j 浯 式中f 础为混凝土抗压强度标准值； k 为地区影响系数，北方地区为1 0 ，南 方地区为0 5 - - 0 8 ：k 。；为室外影响系数，室外为1 0 ，室内为1 8 7 ；k 为养护时 间别匈系数，一般衄情况叭5 为锈蚀丌始时间铲喙 2 ；c 为凝土保护层 2牡十时娈口，绪：度理论的桥梁现状评估。j 剩余寿命预测 t 程硕f ：学位论史 厚度，唧；p 洲为空气相对湿度大于6 5 的概率，根据地区具体环境由统计分析确定； w 。，为混凝土保护层开裂时的锈蚀量，g 棚；w e , = 1 2 0 4 r ( 1 + 丢) n 8 5 1 。_ ；d ( 1 为氧气在 混凝土中的扩散系数，d o = 0 0 1 ( 学- 0 4 4 m m 2 s ) “，通过求解方程 彬( o ) = 睨，得到。 3 ) 钢筋锈蚀引起的力学性能改变 钢筋在锈蚀过程中，不仅受力面积有所减小，而且力学性能也将发生改变，并表 现为钢筋主应力应变曲线屈服平台缩短，伸长率降低，屈强比增大。钢筋塑性、伸长 率均随锈蚀量的增大而降低。锈损钢筋名义屈服强度标准值可用如下公式表示： 厶= 厶( 0 9 8 6 - 1 1 9 9 2 r l ) ( 2 1 0 ) 式中：厶为锈损钢筋名义屈服强度标准值；厶为现行混凝土规范提供的钢筋 屈服强度标准值； 仇为截面的锈蚀率，即锈损面积与截面面积的比值。 4 ) 钢筋截面锈蚀率的统计参数 随着钢筋锈蚀的发生与发展，钢筋锈蚀深度的平均值与标准差均增大。假设锈蚀 深度服从正态分布，则锈蚀深度的平均值函数和标准差函数： 脓( f ) = 胁( 瓦) p n 鼬2 ( 2 1 1 ) ( f ) = ( 瓦) ( 1 + o 0 2 5 t ) ( 2 1 2 ) 式中：胁( t o ) 、0 8 ( 瓦) 分别为己知服役了t 0 年的在役结构现场实测钢筋锈蚀深 度的平均值和标准差；( ，) 、( t ) 分别为己知服役了t 年后结构钢筋锈蚀深度的 平均值和标准差。由误差传递公式可以获得钢筋混凝土截面锈损率的平