基於成橋初始狀態的橋梁技術狀態劣化評估方法與流程

2023-12-10 14:13:02

本發明屬於橋梁檢測、評定、養護領域，尤其涉及一種基於成橋初始狀態的橋梁技術狀態劣化評估方法。

背景技術：

橋梁都經歷著建設、服役、功能退化、報廢的過程。在使用過程中，隨著時間推移，在內部或外部、或自然的不利因素作用下，將發生材料的老化與結構損傷，這種損傷的積累將導致結構性能劣化，可靠性降低，在不維修加固的情況下，它的功能必然會加速衰退。由於橋梁由鋼和砼等基本材料構成，經過統計分析，對於新建和在役的橋梁，其劣化有相似的規律，研究預測橋梁將來的可靠性與狀態顯得十分重要。為了能更好的預測橋梁服役狀態和剩餘壽命，國內外很多學者對橋梁結構的可靠度劣化模型進行了研究，但有關橋梁結構技術狀態劣化模型的資料及文獻還比較少。

如《中外公路》期刊上公開發表的論文「混凝土橋梁劣化模型研究」針對混凝土橋梁結構，結合生效函數建立了兩段、三段線性劣化模型、n段線性與非線性劣化模型，結合我國的規範和標準分析給出了其中的參數取值，無維修時基本兩階段非線性模型表達式見式(1)。

β(t)＝β。-α(t-ti)f(ti)(1)

式(1)中：β。為橋梁結構建成初的可靠度；ti為橋梁結構開始劣化的時間，以年為單位；α為橋梁結構無維修時的結構可靠度劣化率。該橋梁的劣化模型使維修決策工作變得更加簡明、方便。

如《世界橋梁》期刊上公開發表的論文「基於性能劣化分析的鋼橋維護策略優化研究」綜合考慮了環境、荷載等影響因素，用可靠度指標、狀態指標表示橋梁技術狀態，引入改進的logistic動態粒子群優化算法、monte-carlo模擬，提出橋梁服役過程中，可靠指標、狀態指標的一次及二次非線性劣化模型，建立橋梁結構時變可靠度指標計算模型式(2)：

式(2)中：β。為橋梁結構建成初的可靠度，ti為橋梁結構開始劣化的時間，以年為單位；ei為環境影響係數，se為等效損傷係數；α1為根據結構應力狀態及交通量發展狀況確定的可靠度指標損傷累積係數。

如《鐵道科學與工程學報》期刊上公開發表的論文「劣化橋梁概率維護模型和維護方案成本優化研究」中建立了如下橋梁技術狀態指標的非線性模型：

式(3)中：c。為橋梁結構建成初始狀態指標；tci為橋梁狀態指標開始劣化時間，以年為單位；α2為橋梁結構劣化率。

上述模型不僅可用於新建成的橋梁，亦可用於服役多年的舊橋，但其劣化模型估值與實際值偏差較大，使得評估工作準確度和可信度不夠高。為了對進行橋梁技術狀態準確評估及預測，可以有針對性的對橋梁進行檢測、養護、維修及加固，做到人力、物力資源有的放矢，保證維修、加固、改造規模的合理性，使橋梁保持良好的技術狀態，並一定程度上延長橋梁的使用壽命，這對於橋梁安全壽命、可持續運營和社會經濟發展均有重要的實踐意義和現實意義。因此，為解決上述問題急需一種橋梁技術狀態劣化評估方法，以便記錄、描述、預測橋梁技術狀態劣化規律。

技術實現要素：

為了提高橋梁技術狀態評估及預測精度問題，本發明所述的一種基於成橋初始狀態的橋梁技術狀態劣化評估方法，採用指數形式變化的非線性函數表達式作為橋梁技術狀態劣化模型，用以描述橋梁技術狀態的劣化規律。

一種基於成橋初始狀態的橋梁技術狀態劣化評估方法，所述評估方法在橋梁建成時的技術狀態評分、橋梁技術狀態無劣化的時間、同類型橋梁統計使用壽命及橋梁營運使用時間的數據基礎上進行橋梁狀態劣化評估，所述評估方法包括如下步驟：

步驟a.獲取橋梁建成時的初始技術狀態評分dc、橋梁技術狀態無劣化的時間nc、橋梁的使用時間n以及使用時間n年內的橋梁技術狀態評分d(1)、d(2)、d(3)…d(n)；

步驟b.計算橋梁技術狀態的劣化率α；

步驟c.根據劣化率α計算以及同類型橋梁統計使用壽命nd計算劣化模型中的常數a的值；

步驟d.根據步驟a至步驟c中所得參數確定橋梁的劣化模型，繪製技術狀態劣化曲線，進行劣化評估，所述劣化模型如下式：

其中：dc為橋梁建成時的技術狀態評分、nc為橋梁技術狀態無劣化的時間、nd為同類型橋梁統計使用壽命、n為橋梁營運使用時間、a為常數；

當橋梁建成後營運n年時，根據歷年的橋梁技術狀態評分d(1)、d(2)、d(3)…d(n)，若歷年評定時間連續，則按式(5)計算梁技術狀態劣化率α；若歷年評定時間非連續，則按式(6)計算梁技術狀態劣化率α：

α＝max{d(1)-d(2),d(2)-d(3),...,d(n-1)-d(n)}(5)

其中：d(1)為橋梁的使用時間為第1年時的技術狀態評分，d(2)為橋梁的使用時間為第2年時的技術狀態評分，d(3)為橋梁的使用時間為第3年時的技術狀態評分，d(j)為橋梁的使用時間為第j年橋梁技術狀態，d(k)為橋梁的使用時間為第k年橋梁技術狀態，d(n-1)為第(n-1)年的橋梁技術狀態，d(n)為橋梁的使用時間為第n年時的技術狀態評分。

根據大量橋梁技術狀態數據統計分析，所述同類型橋梁統計使用壽命nd按如下方法確定；混凝土小橋統計使用壽命nd取值40年；混凝土中橋統計使用壽命nd取值55年；混凝土大橋統計使用壽命nd取值80年；混凝土特大橋統計使用壽命nd取值100年。

nc、a取值大小的影響因素特別多，涉及設計、材料、施工和橋梁營運等諸多環節，不同的橋梁nc、a取值差別較大。a與橋梁技術狀態劣化最大衰減率α有關，a與α取值關係見表1，根據表1進行插值計算。

表1

常數a與橋梁技術狀態劣化最大衰減率α有關，可採用高次拋物線進行擬合，本發明根據下述方法選取一定的技術狀態劣化衰減率α計算常數a。

當nd＝40年、nc＝0年時，a與α取值關係近似取值可根據式(7)計算確定，dc≥90時對a與α的關係影響可忽略不計。

a＝-0.0137α2+0.738α+0.5526(7)

當nd＝55年、nc＝4年時，a與α取值關係近似取值可根據式(8)計算確定，dc≥90時對a與α的關係影響可忽略不計。

a＝-0.0404α2+1.8401α-0.694(8)

當nd＝80年、nc＝6年時，a與α取值關係近似取值可根據式(9)計算確定，dc≥90時對a與α的關係影響可忽略不計。

a＝-0.0826α2+2.6646α-0.6841(9)

當nd＝100年、nc＝8年時，dc≥90時對a與α的關係影響可忽略不計，a與α取值關係近似取值可根據式(10)計算確定。

a＝-0.136α2+3.5508α-0.6976(10)

其中：α為橋梁技術狀態劣化率，a為劣化模型的冪次

步驟e.根據橋梁劣化模型計算橋梁技術狀態評估預測值，評估橋梁目前所處壽命區間，根據橋梁技術狀態維修臨界點預測橋梁維修時間節點，在橋梁相應的壽命區間及時間節點對其進行檢測、養護、維修及加固。

本發明的優點：

基於大量橋梁技術狀態數據統計分析研究，經參數敏感性分析，科學選取橋梁技術狀態評估預測參數，本發明克服了現有技術中劣化評估模型精度不高的問題，可以實現高精度的評估及預測橋梁技術狀態；根據橋梁技術狀態評估值可以有針對性的對橋梁進行檢測、養護、維修及加固，使橋梁保持良好的技術狀態，並有效延長橋梁的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發明所述的劣化評估方法橋梁技術狀態劣化曲線示意圖。

具體實施方式

對某一鋼筋混凝土空心板中橋的技術狀態進行長期跟蹤，該橋全長60m，上部構造為3×20m混凝土空心板，橫向布置11片梁，梁高0.90m，寬1.00m；橋臺為重力式砌石橋臺、重力式砌石橋墩，墩、臺基礎均為擴大基礎；橋面鋪裝層為水泥混凝土面層，護欄採用防撞牆型式；該橋的建成時間為1994年，2016年時橋齡為23年。根據該橋建成時的資料，確定橋梁建成時的初始技術狀態評分dc為95分，在23年期間對該橋共進行了4次檢測評定，1994年為初始建橋時間，檢測評定時間分別為2003年、2007年、2011年和2016年，技術狀態評分結果d(1)＝dc＝95，d(10)＝85，d(14)＝81，d(18)＝76，d(23)＝71，評定時間及評定結果如表2所示。

表2評定時間及技術狀態評定結果

將技術狀態評分結果代入式(6)可得23年期間橋梁技術狀態劣化率α＝1.25，由於橋面系混凝土中橋，因此，統計使用壽命nd取值55年，根據表1中的數值進行插值運算，通過插值運算得出劣化模型參數中冥次a為1.543；橋梁在1994年的技術狀態評分為95，因此確定橋梁技術狀態無劣化的時間nc為1年；將初始技術狀態評分dc、使用壽命nd、冪次a、橋梁技術狀態無劣化的時間nc代入式(4)可得出如下劣化模型表達式：

繪製該模型表達式的劣化評估曲線，如圖1所示，由該圖可知橋梁技術狀態與使用年限的關係，該橋梁在使用時間為34年(即2027年)時技術狀態評估預測值達到65，需要加固；使用時間為40年(即2033年)時技術狀態評估預測值達到50，需要大修。