病害混凝土桥梁承载能力评定方法技术

本发明专利技术公开了一种病害混凝土桥梁承载能力评定方法，通过把影响病害混凝土桥梁承载能力评估中的各种不确定性因素均假设具有一定概率分布特征的随机变量，并根据承载能力检算方法将病害指标对桥梁承载能力影响程度定义为承载能力分项验算系数。在基于实际病害指的检测结果和数理统计基础上，应用monte carlo随机仿真计算和模糊综合评定原理，得到待评估病害混凝土桥梁承载能力近似的概率分布特征，进而得出具有一定概率保证的承载能力评定结果。本发明专利技术克服了现有公路桥梁承载能力评估规范中因忽略诸多因素的随机性和评估等级划分的模糊性给评估结果带来的不确定性影响，从而使评估结果更具有科学性和合理性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及桥梁工程
，具体涉及一种病害混凝土桥梁承载能力评定方 法。
技术介绍
我国公路桥梁正处在高速建设时期，截至2013年低，全国公路桥梁共有73. 53万 座，其中混凝土桥梁约占总数的90%，且每年以2万余座速度兴建。但基于我国基本国情， 病害混凝土桥梁的主要特点：早期建造的桥梁，设计荷载等级低、施工质量差；沿海地区桥 梁，氯盐腐蚀作用导致钢筋锈蚀、混凝土保护层层离或剥落等一系列耐久性问题严重；超载 超限运营现象突出，使得即使按新标准设计的桥梁也产生成大量的耐久性和疲劳病害损伤 问题。另外，对已经投入运营的公路桥梁检测养护技术力量和资金投入相对滞后。这些因 素不可避免地导致很多病害混凝土桥梁"带病运营"，存在较大的安全隐患，有必要对病害 混凝土桥梁制定安全、可靠、合理的承载能力评定方法。 目前，国内对在役桥梁承载能力的评定主要技术方法是依据《JTG/TJ21-201L公 路桥梁承载能力检测评定规程》，按待评估桥梁主要技术指标的检测结果和相应评定标 准，进行承载能力评估。该评估技术存在的主要问题有：该方法是一种基于在役桥梁状况检 测结果并结合承载能力极限状态计算原理的确定性"定值评估法"，忽略了反映在役桥梁结 构损伤状况的检测技术指标如：混凝土强度，保护层厚度、碳化深度、氯离子含量等因素的 随机性和评估等级划分的模糊性对给检测评估结果带来的不确定性影响，进而导致承载能 力评估结果波动性大、可靠性低、人为主观因素强；同时，还需要结合桥梁荷载试验，以此确 定桥梁结构在试验荷载下的结构反应，具有试验费用高、周期长以及工作任务繁琐的局限 性，甚至要进行交通管制，给日常交通秩序带来不利影响。
技术实现思路
针对现有技术中对病害混凝土桥梁承载能力的评定过程存在的，因各种不确定性 因素的随机性变化和评定等级划分的模糊性而给评定结果造成很大影响、使评定结果不准 确的技术问题，本专利技术提供了一种基于概率统计理论和模糊综合评判理论的病害混凝土桥 梁承载能力评定方法。 本专利技术技术方案的思想在于：应用概率统计理论和模糊综合评判理论并结合常规 桥梁病害检测技术对病害混凝土桥梁承载能力进行评定，首先，将病害混凝土桥梁的病害 指标对承载能力影响程度定义为承载能力分项验算系数，对桥梁承载能力计算公式进行修 正，以此反映从在役病害混凝土桥梁实际承载能力；其次，设定影响在役病害混凝土桥梁承 载能力检算评估中的各种不确定性因素(包含：病害指标、材料性能、截面几何参数以及承 载能力分项验算系数）均服从正态分布或对数正态分布的随机变量；最后，基于实际病害指 标的检测结果和数理统计基础上，应用montecarlo(蒙特卡罗）随机仿真计算和模糊综合 评定原理，对病害混凝土桥梁承载能力建立检算评定模型，模拟得到与承载能力近似的对 数正态分布规律，即：R~LN( #α)，并计算出95%保证率的承载能力检算评定结果。 本专利技术采用的技术方案如下： 设计一种，包括下列步骤： (1) 采用常规桥梁病害检测方法对待检测的病害混凝土桥梁典型病害指标U={Ul，u2， u3· · ·ιιια} = {裂缝宽度七、裂缝长度与截面尺寸比值u2、构件表面损伤率u3、混凝土强度 u4、混凝土碳化系数u5、保护层厚度系数u6、氯离子含量u7、混凝土电阻率us、钢筋锈蚀电位 u9、混凝土剥落深度与损伤部位截面最小尺寸比值Ul。}进行检测，依据实际检测数据，应用 参数估计和K-S分布假设检验，进行正态分布和对数正态分布假设检验，并计算出各典型 病害指标对应的均值μi和变异系数Si，得到相应概率分布参数（μρδ (2) 根据Ui统计分布参数（μρδ;)，经η次MonteCarlo随机仿真计算，产生η个介 于W实际检测值的最大值和最小值之间的随机数； (3) 将基于概率随机性和模糊综合评估的病害指标承载能力检验系数Z、基于概率随机 性和模糊综合评估的承载能力恶化系数L、基于概率随机性和模糊综合评估的混凝土截 面折减系数ξ。、基于概率随机性的钢筋截面折减系数L组成反映病害指标对病害混凝土 桥梁承载能力影响程度的承载能力分项验算系数{Ζ，ξε，ξ。，ls}，并按下述步骤（4)~ (9)对分项验算系数{Ζ，ξε，ξ。}进行随机性综合模糊评估； (4) 将所述病害指标+按下表1组成模糊综合评估指标体系中评估对象{Ζ，ξyξ。} 的因素集;(5) 将所述因素集U中~的评价集V分为5个等级，S卩：V={viv2v3v4v5} ={I、II、III、IV、V}，分别对应为良好、较好、较差、差、严重五种状态，并采用梯形分布隶属函数 μ0〇按下表2进行评价集V模糊分级划分，对^的η个随机数进行对应等级的评估模糊 子集，…，ri5}计算；其中梯形分布隶属函数μ(ι〇为模糊数学中的函数，在此 处应用时按表2的函数参数进行分级，q~q。对应的模糊分级隶属函数分布图见附图1~ 10。 (6)通过公式I对所述评估对象{Ζ，ξξ分别进行η次模糊综合评价集B计 算：式中： BiS{Ζ，ξe，ξ的第i评估等级隶属程度，i=l、2、3、4、5 ; R为评估对象{Ζ，ξε，ξ。}的模糊关系矩阵； W为评估对象的因素集对应的权重集； (7) 对于步骤（6)计算所得的模糊综合评价集Β，按公式II采用二次幂加权平均法，对 评估对象{Ζ，ξyξJ分别进行η次综合平定值D计算，其中De(〇, 5)式中： B中元素b;对应的评定等级，{viv2v3v4v5} = { 1 2 3 4 5}; (8) 基于步骤（7)计算得到的综合评定值D，按《JTG/TJ21-2011.公路桥梁承载能力 检测评定规程》的承载能力检验系数、承载能力恶化系数、混凝土截面折减系数计算表 格，插值计算出η个对应综合评定值D的{Ζ，ξyξ; (9) 对步骤（8)计算出的{Ζ，ξε，ξ。}值，采用正态分布假设检验和参数估计，分别计 算出Ζ，ξε，ξ。的均值μ和变异系数δ; (10) 所述分项验算系数中基于概率随机性钢筋截面折减系数ξs的正态分布参数均值 μ按下表3取值，ξs的变异系数δ的取值为〇. 05~0. 15 ;(11) 将病害混凝土桥梁材料性能、截面几何参数作为随机变量，其中材料性能包括混 凝土强度fd和钢筋强度fs，截面几何参数包括混凝土截面尺寸^和截面钢筋面积As; 心、匕、^、1的统计特征参数均值以和变异系数3通过实际检测数据应用参数估计和K-S假设检验进行正态分布或者对数正态分布假设检验计算得出，或按《GB/T50283-1999. 公路工程结构可靠度设计同一标准》中既有统计结果取值； (12) 将前述步骤计算所得的承载能力分项验算系数Ζ、ξ。、和材料性能、截面 几何参数的概率模型fd、fs、%、As以及（μ、δ)，代入公式III经η次MonteCarlo随机仿真 计算，得到病害混凝土桥梁关键截面实际承载能力；式中： R为病害混凝土桥梁关键截面实际承载能力； R(·)为病害混凝土桥梁关键截面实际承载能力检算函数；fd为基于概率随机性混凝土强度统计值； fs为基于概率随机性受力钢筋强度统计值； §为基于随机性病害混凝土桥梁截面几何参数统计值； ^为基于随机性病害混凝土桥梁关键截面钢筋面积统计值。 其中，在所述步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种病害混凝土桥梁承载能力评定方法，其特征在于，包括下列步骤：（1）采用常规桥梁病害检测方法对待检测的病害混凝土桥梁典型病害指标U={u1，u2，u3···u10}={裂缝宽度u1、裂缝长度与截面尺寸比值u2、构件表面损伤率u3、混凝土强度u4、混凝土碳化系数u5、保护层厚度系数u6、氯离子含量u7、混凝土电阻率u8、钢筋锈蚀电位u9、混凝土剥落深度与损伤部位截面最小尺寸比值u10}进行检测，依据实际检测数据，应用参数估计和K‑S分布假设检验，对所述各典型病害指标进行正态分布和对数正态分布假设检验，并计算出各典型病害指标对应的均值μi和变异系数δi，得到相应概率分布参数（μi，δi）；（2）根据ui统计分布参数（μi，δi），经n次Monte Carlo随机仿真计算，产生n个介于ui实际检测值的最大值和最小值之间的随机数；（3）将基于概率随机性和模糊综合评估的病害指标承载能力检验系数Z、基于概率随机性和模糊综合评估的承载能力恶化系数ξe、基于概率随机性和模糊综合评估的混凝土截面折减系数ξc、基于概率随机的性钢筋截面折减系数ξs组成反映病害指标对病害混凝土桥梁承载能力影响程度的承载能力分项验算系数{Z，ξe，ξc，ξs }，并按下述步骤（5）～（9）对分项验算系数{Z，ξe，ξc}进行随机性综合模糊评估；（4）将所述病害指标ui按下表1组成模糊综合评估指标体系中评估对象{Z，ξe，ξc}的因素集U={U1，U2，U3}；（5）将所述因素集U中ui的评价集V分为5个等级，即：V=｛v1 v2 v3 v4 v5｝={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}，分别对应为良好、较好、较差、差、严重五种状态，并采用梯形分布隶属函数μ(ui)按下表2进行评价集V模糊分级划分，对ui的n个随机数进行对应等级的评估模糊子集ri={ri1，ri2，…， ri5}计算；（6）通过公式Ⅰ对所述评估对象{Z，ξe，ξc}分别进行n次模糊综合评价集B计算：——公式Ⅰ式中：Bi为{Z，ξe，ξc}的第i评估等级隶属程度，i=1、2、3、4、5；R为评估对象{Z，ξe，ξc}的模糊关系矩阵；W为评估对象的因素集对应的权重集；（7）对于步骤（6）计算所得的模糊综合评价集B，按公式Ⅱ采用二次幂加权平均法，对评估对象{Z，ξe，ξc}分别进行n次综合平定值D计算，其中D∈（0，5）——公式Ⅱ式中：vi为B中元素bi对应的评定等级，｛v1 v2 v3 v4 v5｝=｛1 2 3 4 5｝；（8）基于步骤（7）计算得到的综合评定值D，按《JTG/T J21‑2011.公路桥梁承载能力检测评定规程[S]》的承载能力检验系数、承载能力恶化系数、混凝土截面折减系数计算表格，插值计算出n个对应综合评定值D的{Z，ξe，ξc}；（9）对步骤（8）计算出的{Z，ξe，ξc}值，采用正态分布假设检验和参数估计，分别计算出Z，ξe，ξc的均值μ和变异系数δ；（10）所述分项验算系数中基于概率随机性钢筋截面折减系数ξs的正态分布参数均值μ按下表3取值，ξs的变异系数δ的取值为0.05～0.15；（11）将病害混凝土桥梁材料性能、截面几何参数作为随机变量，其中材料性能包括混凝土强度fd和钢筋强度fs，截面几何参数包括混凝土截面尺寸和截面钢筋面积As；fd、fs、、As的统计特征参数均值μ和变异系数δ通过实际检测数据应用参数估计和K‑S假设检验进行正态分布或者对数正态分布假设检验计算得出，或按《GB/T50283‑1999.公路工程结构可靠度设计同一标准[S]》中既有统计结果取值；（12）将前述步骤计算所得的承载能力分项验算系数Z、ξe、ξc、ξs和材料性能、截面几何参数的概率模型fd、fs、、As以及（μ、δ），代入公式Ⅲ经n次Monte Carlo随机仿真计算，得到病害混凝土桥梁关键截面实际承载能力；——公式Ⅲ式中：R为病害混凝土桥梁关键截面实际承载能力；R（·）为病害混凝土桥梁关键截面实际承载能力检算函数；fd为基于概率随机性混凝土强度统计值；fs为基于概率随机性受力钢筋强度统计值；为基于随机性病害混凝土桥梁截面几何参数统计值；AS为基于随机性病害混凝土桥梁关键截面钢筋面积统计值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕忠达，蔡可键，徐爱敏，鲁春晓，赵卓，康朝静，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33