一種土木工程結構可靠度演化及剩餘壽命預測方法與流程
2023-10-09 19:35:59
本發明涉及一種土木工程結構可靠度演化及剩餘壽命預測方法。
背景技術：
為了評估工程結構在全壽命周期(包括設計、施工、運營等階段)中的使用性能，國內外對結構的全壽命分析方法開展了大量的研究。結構使用壽命與材料性能、細部構造、暴露狀態、劣化機理等許多因素及其綜合作用有關，難以量化分析。同時由於綜合作用的影響機理相當複雜，目前對結構使用壽命的預測通常只能考慮某個主要因素，所採用的預測方法涉及眾多學科。已有的結構壽命預測方法，主要基於經驗、類比、加速試驗、數學理論模型、力學理論模型、概率分析、結構可靠度理論、灰色理論、經濟效應方面等[1]，其中可靠度理論是一種理想方法，建立在可靠度指標與時間變化關係的基礎上，認為結構可靠度衰減到可接受的最小值或失效概率增大到可接受的最大值的時間，即為結構的使用壽命。
在結構可靠度評估過程中，若能夠充分考慮結構已有的歷史信息(包括荷載歷史、維修維護歷史、自然劣化狀態等)，就可以得到更為準確的當前結構承載力更新結果。在結構運營過程中，性能劣化是必然存在的現象，使得考慮性能劣化的結構可靠度修正在結構壽命預測中變得尤為重要。此外，實際工程結構中的不確定性因素(如材料離散性、構件加工製造誤差、外荷載不確定)也普遍存在，此時若仍採用確定性的理論和方法來計算結構可靠度，必然導致預測結果不可靠，與實際情況有較大出入。因此，在結構壽命預測中同時考慮不確定性因素的影響是十分必要的。
目前，既有結構可靠性評估及壽命預測缺乏實時監測信息來對計算模型進行實時修正，可能導致預測結論出現很大的偏差。因此，提出一種能綜合考慮結構歷史外荷載效應、性能(抗力)劣化狀態以及不確定性等因素的可靠度演化及剩餘壽命預測方法，是亟需研究的實際問題。
工程結構從設計、施工建造到投入使用，再經過若干年運營後，性能會逐漸退化。結構在施工建設期，失效的風險概率大；在使用期，失效風險概率降低；而進入老化期後，失效風險率又會逐漸提高[2]。
結構使用階段可靠性分析與設計階段相比有以下特點[3][4]，在結構使用若干年後，對未來負載的估計可以已經歷的荷載最大值分布為依據。當現有結構的各種構件己經歷過一些荷載的檢驗且未失效時，就可以確定構件所具有的最小抗力值。由於人們還未能對結構抗力有全面、準確的認識，使得抗力計算時仍只能按隨機變量處理。因此，既有結構的可靠度評估與測量及統計的精度有很大關係。同時結構所處的環境是已經客觀存在的，因此材料性能的劣化規律可以通過試驗統計調查確定。
考慮抗力隨時間變化的結構可靠度計算比較複雜。文獻[5]研究了累積損傷下結構可靠度的分析問題；文獻[6]研究了結構抗力和荷載效應均隨時間變化時結構可靠度的分析方法，文獻[7]根據這種隨時間而變的特點提出了動態可靠度的概念，文獻[8]用蒙特卡羅的重要抽樣法研究了時變結構的體系可靠度問題。文獻[9]提出了與現行結構可靠度設計統一標準方法協調的考慮抗力隨時間變化的可靠度分析方法，推導出等效抗力的計算公式。文獻[10]採用離散化的方法，以10年為間隔，進行了某橋的準動態可靠度計算。文獻[11]用蒙特卡羅方法進行了損傷混凝土橋的使用壽命預測。文獻[12]對橋梁樁基結構系統進行了可靠性分析，但其仍屬於靜態可靠度計算的範疇。文獻[13]對公路橋梁鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態的可靠度進行了分析，但由於採用了中心點法，計算精度不高。
此外，在結構的可靠度評估過程中，若能充分考慮結構已有的歷史信息(包括外荷載歷史、維修維護歷史、自然劣化等)，就可以得到更為準確的結構承載力更新結果。文獻[14][15][16]採用貝葉斯方法，利用具體信息更新結構抗力分布，即將已有結構在使用期內的荷載歷史也作為一種信息，提出「使用荷載驗證」的概念，但未考慮結構性能劣化的影響。文獻[17]提出了能同時考慮橋梁承載力隨時間衰減歷史及橋梁荷載歷史的承載力更新模型，但需要在結構使用之前假設結構承載力衰減函數，對壽命預測精度影響較大，工程實用性不強。
由前述可知，目前土木工程結構的可靠度估計和剩餘使用壽命預測方法還存在一些亟待解決的問題：
1)在結構壽命預測中未考慮不確定性影響。影響結構安全性能的影響因素多、時間跨度長，期間要受到許多不確定性因素的影響，使得結構可靠度評估勢必會出現概率意義下的偏差，影響壽命預測準確度。
2)未綜合考慮結構性能劣化並基於結構的檢測信息來修正和預測結構的可靠性。目前採用的時變可靠度指標只能作為度量結構可靠性的相對指標，而在一般檢測數據統計規律的基礎上，利用和挖掘新信息，實時更新結構可靠性，則是一種動態的思路，更接近工程實際情況。
參考文獻
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技術實現要素：
本發明的目的在於針對上述問題，提供一種土木工程結構可靠度演化及剩餘壽命預測方法，該方法優點在於：1)可以考慮結構參數不確定性以及剛度退化情況，結合實測信息實時更新結構可靠度模型；2)通過計算結構隨時間和外荷載變化的可靠度，得到可靠度隨時間的演化曲線，並結合該曲線和結構某一時間的可靠度指標來估計結構剩餘壽命，即把結構壽命預測看作是動態的演變過程。
為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種土木工程結構可靠度演化及剩餘壽命預測方法，首先，根據數值分析或力學知識判斷結構可能的控制截面；其次，通過初始設計信息的統計結果假設各參數所服從分布，並由此計算結構抗力及荷載所服從的概率分布；再次，計算荷載、收縮及徐變影響下的剛度衰減係數D(i)；進一步，更新結構抗力分布函數，由此得到此時的抗力概率分布，併到得可靠度-荷載曲線關係；而後，建立可靠度-時間曲線，預測結構經歷荷載步i後結構剩餘使用壽命；最後，結合實測信息不斷更新剩餘壽命預測結果，並以各控制截面的壽命最短值作為整個結構的剩餘使用壽命。
在本發明一實施例中，該方法具體實現步驟如下，
S1：分析判斷結構可能出現的控制截面；
S2：根據初始設計信息的統計結果，假設各結構參數的概率分布函數；
S3：將結構抗力看成是各初始參數的函數，建立抗力統計量，得到抗力的概率分布密度函數fR(r)；
S4：計算剛度衰減係數D(i)；
a)通過初始設計信息及調研情況預測結構未來可能承受的外荷載，得到外荷載-時間曲線；
b)計算結構在不同荷載作用下的剛度，結合a)得到荷載影響下的剛度-時間曲線；
c)利用經驗公式計算結構收縮及徐變影響下的變形-時間曲線，推導出徐變、收縮、及荷載共同影響下截面剛度-時間曲線；將t時刻的剛度記為B(t)；
d)考慮到結構控制截面的剛度衰減，將控制截面的剛度表達為式(1)
B(t)＝B0·D(t) (1)
其中，B0為初始時刻控制截面的剛度，B(t)為外荷載F(t)作用時刻控制截面的剛度，D(t)為t時刻控制截面剛度衰減係數，即t時刻結構抗力與初始抗力之比；
最後將第i次荷載作用時刻t的剛度衰減係數D(t)記為D(i)；
S5：考慮包括結構參數、測量噪聲的不確定性因素，將實測數據看作隨機變量，得到外荷載的概率分布密度函數FQ,i(r)；
S6：將fR(r)、FQ,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到經歷過第i次荷載後抗力大於r的概率更新為FR,n-timesn(r)：
由此得到此時的抗力概率分布，併到得可靠度-荷載曲線關係；
S7：綜合對未來外荷載的估計以及步驟S6的結果，建立結構可靠度-時間曲線；同時計算既有結構的目標可靠度指標，判定結構可靠度指標小於目標可靠度指標的時刻為失效，進而預測結構經歷荷載步i後剩餘使用壽命；
S8：測量結構變形值，更新步驟S3的結構剛度退化情況；
S9：重複步驟S5、S6、S7、S8，不斷更新剩餘使用壽命的預測結果，最後以各控制截面的壽命最短值作為整個結構的剩餘使用壽命。
相較於現有技術，本發明具有以下有益效果：
本發明可以較好地考慮不確定性和性能劣化影響下的土木工程結構可靠度演化過程並預測結構的剩餘使用壽命，其優點在於：1)可以考慮結構參數不確定性以及剛度退化情況，結合實測信息實時更新結構可靠度模型；2)通過計算結構隨時間和外荷載變化的可靠度，得到可靠度隨時間的演化曲線，進而結合該曲線和結構某一時間的可靠度指標來估計結構剩餘壽命，即把結構壽命預測看作是動態的演變過程。
附圖說明
圖1為本發明方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
如圖1所示，本發明的一種土木工程結構可靠度演化及剩餘壽命預測方法，首先，根據數值分析或力學知識判斷結構可能的控制截面；其次，通過初始設計信息的統計結果假設各參數所服從分布，並由此計算結構抗力及荷載所服從的概率分布；再次，計算荷載、收縮及徐變影響下的剛度衰減係數D(i)；進一步，更新結構抗力分布函數，由此得到此時的抗力概率分布，併到得可靠度-荷載曲線關係；而後，建立可靠度-時間曲線，預測結構經歷荷載步i後結構剩餘使用壽命；最後，結合實測信息不斷更新剩餘壽命預測結果，並以各控制截面的壽命最短值作為整個結構的剩餘使用壽命；該方法具體實現步驟如下，
S1：分析判斷結構可能出現的控制截面；
S2：根據初始設計信息的統計結果，假設各結構參數的概率分布函數；
S3：將結構抗力看成是各初始參數的函數，建立抗力統計量，得到抗力的概率分布密度函數fR(r)；
S4：計算剛度衰減係數D(i)；
a)通過初始設計信息及調研情況預測結構未來可能承受的外荷載，得到外荷載-時間曲線；
b)計算結構在不同荷載作用下的剛度，結合a)得到荷載影響下的剛度-時間曲線；
c)利用經驗公式計算結構收縮及徐變影響下的變形-時間曲線，推導出徐變、收縮、及荷載共同影響下截面剛度-時間曲線；將t時刻的剛度記為B(t)；
d)考慮到結構控制截面的剛度衰減，將控制截面的剛度表達為式(1)
B(t)＝B0·D(t) (1)
其中，B0為初始時刻控制截面的剛度，B(t)為外荷載F(t)作用時刻控制截面的剛度，D(t)為t時刻控制截面剛度衰減係數，即t時刻結構抗力與初始抗力之比；
最後將第i次荷載作用時刻t的剛度衰減係數D(t)記為D(i)；
S5：考慮包括結構參數、測量噪聲的不確定性因素，將實測數據看作隨機變量，得到外荷載的概率分布密度函數FQ,i(r)；
S6：將fR(r)、FQ,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到經歷過第i次荷載後抗力大於r的概率更新為FR,n-timesn(r)：
由此得到此時的抗力概率分布，併到得可靠度-荷載曲線關係；
S7：綜合對未來外荷載的估計以及步驟S6的結果，建立結構可靠度-時間曲線；同時計算既有結構的目標可靠度指標，判定結構可靠度指標小於目標可靠度指標的時刻為失效，進而預測結構經歷荷載步i後剩餘使用壽命；
S8：測量結構變形值，更新步驟S3的結構剛度退化情況；
S9：重複步驟S5、S6、S7、S8，不斷更新剩餘使用壽命的預測結果，最後以各控制截面的壽命最短值作為整個結構的剩餘使用壽命。
以下為本發明的具體實現過程。
本發明的技術方案如圖1所示。
本發明將結構壽命預測模擬成一個不斷更新的過程，技術實施過程闡述如下：
步驟1：分析判斷結構可能出現的控制截面，比如受力最不利截面；
步驟2：根據初始設計信息的統計結果，假設各結構參數的概率分布函數；
步驟3：將結構抗力看成是各初始參數的函數，建立抗力統計量，得到抗力的概率分布密度函數fR(r)；
步驟4：計算剛度衰減係數D(i)；
a)通過初始設計信息及調研情況預測結構未來可能承受的外荷載，得到外荷載-時間曲線；
b)計算結構在不同荷載作用下的剛度，結合a)得到荷載影響下的剛度-時間曲線；
c)利用經驗公式計算結構收縮及徐變影響下的變形-時間曲線，推導出徐變、收縮、及荷載共同影響下截面剛度-時間曲線；將t時刻的剛度記為B(t)；
d)考慮到結構控制截面的剛度衰減，將控制截面的剛度表達為式(1)
B(t)＝B0·D(t) (1)
其中，B0為初始時刻控制截面的剛度，B(t)為外荷載F(t)作用時刻控制截面的剛度，D(t)為t時刻控制截面剛度衰減係數，即t時刻結構抗力與初始抗力之比。
最後將第i次荷載作用時刻t的剛度衰減係數D(t)記為D(i)，用於步驟6。
步驟5：考慮結構參數、測量噪聲等不確定性因素，將實測數據看作隨機變量，得到外荷載的概率分布密度函數FQ,i(r)；
步驟6：將fR(r)、FQ,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到經歷過第i次荷載後抗力大於r的概率更新為FR,n-timesn(r)：
由此得到此時的抗力概率分布，併到得可靠度-荷載曲線關係；
步驟7：綜合對未來外荷載的估計以及步驟6的結果，建立結構可靠度-時間曲線。同時計算既有結構的目標可靠度指標，判定結構可靠度指標小於目標可靠度指標的時刻為失效，進而預測結構經歷荷載步i後剩餘使用壽命；
步驟8：測量結構變形值，更新步驟3的結構剛度退化情況；
步驟9：重複步驟5、6、7、8，不斷更新剩餘使用壽命的預測結果，最後以各控制截面的壽命最短值作為整個結構的剩餘使用壽命。
以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。