本發(fā)明屬于橋梁檢測、評定、養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果的橋梁劣化評估方法。

背景技術(shù)：

橋梁都經(jīng)歷著建設(shè)、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(nèi)部或外部、或自然的不利因素作用下，將發(fā)生材料的老化與結(jié)構(gòu)損傷，這種老化、損傷的積累將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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。由于橋梁由鋼和混凝土等材料構(gòu)成，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，在役的橋梁的劣化有相似的規(guī)律，研究預(yù)測橋梁將來的技術(shù)狀態(tài)顯得十分重要。為了能更好的預(yù)測橋梁服役狀態(tài)和剩余壽命，國內(nèi)外很多學(xué)者對橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度劣化模型進(jìn)行了研究，但有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)劣化模型的資料及文獻(xiàn)還比較少。

如《中外公路》期刊上公開發(fā)表的論文“混凝土橋梁劣化模型研究”針對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，結(jié)合生效函數(shù)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(jié)合我國的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)分析給出了其中的參數(shù)取值，無維修時基本兩階段非線性模型表達(dá)式見式(1)。

β(t)＝β-α(t-ti)f(ti)(1)

式(1)中：β為橋梁結(jié)構(gòu)建成初的可靠度；ti為橋梁結(jié)構(gòu)開始劣化的時間，以年為單位；α為橋梁結(jié)構(gòu)無維修時的結(jié)構(gòu)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(fā)表的論文“基于性能劣化分析的鋼橋維護(hù)策略優(yōu)化研究”綜合考慮了環(huán)境、荷載等影響因素，用可靠度指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)表示橋梁技術(shù)狀態(tài)，引入改進(jìn)的logistic動態(tài)粒子群優(yōu)化算法、monte-carlo模擬，提出橋梁服役過程中，可靠指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)的一次及二次非線性劣化模型，建立橋梁結(jié)構(gòu)時變可靠度指標(biāo)計(jì)算模型式(2)：

式(2)中：β為橋梁結(jié)構(gòu)建成初的可靠度，ti為橋梁結(jié)構(gòu)開始劣化的時間，以年為單位；ei為環(huán)境影響系數(shù)，se為等效損傷系數(shù)；α1為根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及交通量發(fā)展?fàn)顩r確定的可靠度指標(biāo)損傷累積系數(shù)。

如《鐵道科學(xué)與工程學(xué)報》期刊上公開發(fā)表的論文“劣化橋梁概率維護(hù)模型和維護(hù)方案成本優(yōu)化研究”中建立了如下橋梁技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)的非線性模型：

式(3)中：c為橋梁結(jié)構(gòu)建成初始狀態(tài)指標(biāo)；tci為橋梁狀態(tài)指標(biāo)開始劣化時間，以年為單位；α2為橋梁結(jié)構(gòu)劣化率。

上述模型不僅可用于新建成的橋梁，亦可用于服役多年的舊橋，但其劣化模型估值與實(shí)際值偏差較大，使得評估工作準(zhǔn)確度和可信度不夠高。為了對進(jìn)行橋梁技術(shù)狀態(tài)準(zhǔn)確評估及預(yù)測，可以有針對性的對橋梁進(jìn)行檢測、養(yǎng)護(hù)、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(guī)模的合理性，使橋梁保持良好的技術(shù)狀態(tài)，并一定程度上延長橋梁的使用壽命，這對于橋梁安全壽命、可持續(xù)運(yùn)營和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展均有重要的實(shí)踐意義和現(xiàn)實(shí)意義。因此，為解決上述問題急需一種橋梁技術(shù)狀態(tài)劣化評估方法，以便記錄、描述、預(yù)測橋梁技術(shù)狀態(tài)劣化規(guī)律。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提高橋梁技術(shù)狀態(tài)評估及預(yù)測精度問題，本發(fā)明是一種基于技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果的橋梁劣化評估方法，采用指數(shù)形式變化的非線性函數(shù)表達(dá)式作為橋梁技術(shù)狀態(tài)劣化模型，用以評估橋梁技術(shù)狀態(tài)的劣化規(guī)律。

基于技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果的橋梁劣化評估方法，所述評估方法在橋梁前一年的技術(shù)狀態(tài)評分、橋梁技術(shù)狀態(tài)無劣化的時間、同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命及橋梁營運(yùn)使用時間的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行橋梁狀態(tài)劣化評估，所述評估方法包括如下步驟：

步驟a.獲取所有橋梁檢測的技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果dn以及橋梁檢測時的橋齡n；

步驟b.計(jì)算橋梁技術(shù)狀態(tài)的劣化率α；

步驟c.獲取橋梁建成時的初始技術(shù)狀態(tài)評分dc以及橋梁的使用時間n，設(shè)定同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命nd；

步驟d.根據(jù)步驟a至步驟c中所得參數(shù)代入下式確定橋梁的劣化模型，繪制技術(shù)狀態(tài)劣化曲線，進(jìn)行劣化評估，所述劣化模型如下式(4)：

其中：d(n)為使用時間n年時的技術(shù)狀態(tài)評分，dc為橋梁建成時的技術(shù)狀態(tài)評分、λ為模型引入?yún)?shù)、nd為同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命、n為橋梁營運(yùn)使用時間、a為常數(shù)、d(n-1)為第(n-1)年橋梁技術(shù)狀態(tài)；

所述橋梁檢測的技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果dn與橋梁檢測時的橋齡n有兩組以上數(shù)據(jù)時，所述參數(shù)λ和常數(shù)a的最優(yōu)值按以下最小二乘方程組式(5)計(jì)算：

式中，nj取值n1,n2,n3,…,nk代表對應(yīng)橋齡序列，dj取值d1,d2,d3,…,dk代表k次檢測評定結(jié)果；式中，d(nj)按下式(6)計(jì)算：

其中，dc為初始技術(shù)狀態(tài)評分，nd為同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命；

所述橋梁檢測的技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果dn與橋梁檢測時的橋齡n僅有一組數(shù)據(jù)時，計(jì)算平均劣化率α按下式(7)計(jì)算：

α＝(dc-dn)/n(7)

其中：dn為最近一次橋梁檢測的技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果，dc為初始技術(shù)狀態(tài)評分，n為橋梁的使用時間；

根據(jù)大量橋梁技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，所述同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命nd按如下方法確定；混凝土小橋統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值40年；混凝土中橋統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值55年；大橋統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值80年；特大橋統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值100年。

所述同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值40年時，a與α取值關(guān)系近似取值按照下式(8)確定：

a＝-0.0137α²+0.738α+0.5526(8)

其中：α為使用時間n年期間的平均劣化率。

所述同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值55年時，a與α取值關(guān)系近似取值按照下式(9)確定：

a＝-0.0404α²+1.8401α-0.694(9)

其中：α為使用時間n年期間的平均劣化率。

所述同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值80年時，a與α取值關(guān)系近似取值按照下式(10)確定：

a＝-0.0826α²+2.6646α-0.6841(10)

其中：α為使用時間n年期間的平均劣化率。

所述參數(shù)λ按下式(11)計(jì)算：

其中：nd為同類型橋梁統(tǒng)計(jì)使用壽命，常數(shù)a為劣化模型中的待定系數(shù)，n為橋梁檢測時的橋齡，dn為最近一次橋梁檢測的技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果，dc為初始技術(shù)狀態(tài)評分。

步驟e.根據(jù)橋梁劣化模型計(jì)算橋梁技術(shù)狀態(tài)評估值及預(yù)測值，評估橋梁目前所處壽命區(qū)間，根據(jù)橋梁技術(shù)狀態(tài)維修臨界點(diǎn)預(yù)測橋梁維修時間節(jié)點(diǎn)，在橋梁相應(yīng)的壽命區(qū)間及時間節(jié)點(diǎn)對其進(jìn)行檢測、養(yǎng)護(hù)、維修及加固。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

基于大量橋梁技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析研究，經(jīng)參數(shù)敏感性分析，科學(xué)選取橋梁技術(shù)狀態(tài)評估預(yù)測參數(shù)，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中劣化評估模型精度不高的問題，可以實(shí)現(xiàn)高精度的評估及預(yù)測橋梁技術(shù)狀態(tài)；根據(jù)橋梁技術(shù)狀態(tài)評估值可以有針對性的對橋梁進(jìn)行檢測、養(yǎng)護(hù)、維修及加固，使橋梁保持良好的技術(shù)狀態(tài)，并有效延長橋梁的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的劣化評估方法中橋梁橫斷面示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的劣化評估方法橋梁技術(shù)狀態(tài)劣化曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

對一簡支t梁橋的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行長期跟蹤，該橋全長124.84m，上部構(gòu)造為5×22.2m鋼筋混凝土t梁，橫向布置7片梁，梁高1.25m，寬1.40m。橋臺為u形重力式砌石橋臺、重力式砌石橋墩，墩、臺基礎(chǔ)均為擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面系中橋面鋪裝層為水泥混凝土面層，護(hù)欄為鋼筋混凝土護(hù)欄，橋面設(shè)泄水孔，該橋的橫斷面如圖1所示，該橋的建成時間為1992年，2013年時橋齡n為22年，根據(jù)該橋建成時的資料，確定橋梁建成時的初始技術(shù)狀態(tài)評分dc為95分，在22年期間對該橋共進(jìn)行了4次檢測評定，1992年為初始建橋時間，檢測評定時間分別為2001年、2005年、2009年和2013年，技術(shù)狀態(tài)評分結(jié)果d(1)＝dc＝95，d(10)＝85，d(14)＝81，d(18)＝76，d(22)＝71，評定時間及評定結(jié)果如表2所示。

表2評定時間及技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果

最近一次橋梁檢測時間為2013年，將最近一次橋梁檢測的技術(shù)狀態(tài)評定結(jié)果dn及初始技術(shù)狀態(tài)評分dc代入式(11)可得參數(shù)λ＝-0.51a，a為冪次；由于橋面系混凝土中橋，因此，統(tǒng)計(jì)使用壽命nd取值55年；將初始技術(shù)狀態(tài)評分dc、參數(shù)λ、使用壽命nd分別代入式(5)和式(6)計(jì)算得出劣化模型參數(shù)中冪次a為1.53，λ＝-0.3；然后統(tǒng)計(jì)使用壽命nd以及冪次a的值帶入式(9)可得22年期間橋梁技術(shù)狀態(tài)劣化率α＝1.25；最后，將初始技術(shù)狀態(tài)評分dc、使用壽命nd、冪次a、參數(shù)λ代入式(4)可得出如下劣化模型表達(dá)式：

繪制該模型表達(dá)式的劣化評估曲線，如圖2所示，由該圖可知橋梁技術(shù)狀態(tài)與使用年限的關(guān)系，該橋梁在使用時間為26年(即2017年)時技術(shù)狀態(tài)評估預(yù)測值達(dá)到60，需要加固；使用時間為30年(即2021年)時技術(shù)狀態(tài)評估預(yù)測值達(dá)到52，需要大修。