一种基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法，属于在役混凝土桥梁维修管养领域。本发明专利技术基于时变可靠度分析方法，考虑桥梁建设及运营过程中的多种不确定性，对桥梁维修加固时间进行预测；综合考虑桥梁的安全性及全寿命期成本，以检测及预防性养护间隔为变量，对高速铁路桥梁在运营过程中的管养方案进行多目标优化，得到最优管养方案集，为管养方案的制定以及管养资金的分配提供支撑。本发明专利技术充分考虑了桥梁全寿命期内安全性和经济性，全面量化分析了维修行为对结构性能的影响以及经济性分析中的不确定性问题，形成了基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法。时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法。时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法


[0001]本专利技术涉及在役混凝土桥梁维修管养领域，特别是涉及一种基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法。

技术介绍

[0002]一直以来我国高铁桥梁建设是分设计、施工和维护不同阶段开展，各阶段责任主体相互配合，工作限界清晰，这种建设模式高效支撑了大规模建设。但是，也正是由于高铁桥梁设计时未深入考虑运营养护需求，施工时一些关键工艺质量出现偏差，建成时虽然能够满足高铁运营性能，但是降低了运营期的耐久性，增加了养护维修成本。需要在针对非常规跨径铁路桥梁的设计方案比选过程中引入全生命周期管理的思想，探索构建基于全生命周期成本的高铁桥梁设计方案比选方法。
[0003]自20世纪60年代以来，生命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis,LCCA)被广泛应用于桥梁维护管理策略优化研究领域。近年来针对桥梁项目全生命周期理论应用的研究也取得了重要的研究成果。不同学者从不同的角度对全生命周期成本管理的思想和方法进行了深入的探讨。与此同时，Dellasola、Bull和Singh都发表了比较重要的相关著作，阐述了全生命周期成本管理的基本概念、基本理论和主要方法。Frangopol等人对近几年来桥梁全生命周期成本相关研究中取得的进展进行了总结，并对未来的挑战进行了展望，为采用全生命周期成本分析进行桥梁投资方案比选提供了基础。
[0004]从当前的现状来看，实现综合考虑全生命周期的高铁桥梁设计方案选择问题，主要面临三个方面的基本问题，一是难以对高铁桥梁性能演化规律进行定量预测，无法确定设计使用寿命期内桥梁维修加固时间。二是缺乏对高铁桥梁性能演化与全生命周期成本之间的量化关系。如果不掌握高铁桥梁关键构件的性能退化规律，无法在设计、建造和管养时选择合理的方案，对全生命周期成本进行优化控制。三是未能在全生命周期成本分析中对所涉及基础数据及分析模型所带来的不确定性进行考虑，计算结果为某一情境下的全生命周期成本均值，无法体现桥梁全生命期内存在的多种不确定性对分析结果的影响。
[0005]因此，亟需针对高速铁路桥梁在服役期内的性能退化模型及维护管养成本进行分析，建立基于时变可靠度的桥梁维护管养策略优化方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在为高速铁路桥梁管养维修方案提供支撑，提供一种基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法。
[0007]为实现本专利技术的目的，采用的具体分析方法如下：针对在役高速铁路桥梁的不同管养维护方案进行全生命周期性能及成本分析，以桥梁关键构件时变可靠度演化入手，对桥梁在寿命期内的主要维护行为实施的时间进行估计；同时在对高铁桥梁性能演化分析的基础上考虑资本的时间价值，计算不同折现率时两种设计方案的全生命周期成本随时间变化情况；考虑桥梁全生命周期计算中所涉及的基础数据、性能预测模型的不确定性，分析桥
梁全生命周期成本离散性随预期使用寿命的变化情况。
[0008]一种基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、确定典型病害维修技术的可靠度贡献；
[0010]步骤2、结合桥梁结构时变可靠度曲线分析确定不同的维修方案；
[0011]步骤3、以成本最优、中断交通时间最短和结构安全为目标确定最优维护管养方案。
[0012]步骤1包括以下步骤：
[0013]步骤11：结合桥梁设计资料，确定典型病害所对应的失效模式，构建桥梁拟维修构件极限状态函数。
[0014]步骤12：考虑桥梁关键构件病害特征，结合在役桥梁技术状况评定方法，确定在役桥梁技术状况检算系数。
[0015]步骤13：将步骤12所确定的桥梁技术状况检算系数引入步骤11所建立的极限状态函数中，考虑相关变量的不确定性，采用Monte
‑
Carlo结合一次二阶矩方法(MC
‑
FORM)计算待维修构件在某一极限状态下的可靠度指标β
t,j
，其中t表示时刻，j表示极限状态，下文将β
t,j
简写为β
t
。
[0016]步骤14：针对不同桥梁关键构件维修方式，建立维修后桥梁关键构件的极限状态函数；
[0017]步15：确定极限状态函数中所涉及新增材料，如碳纤维布、钢板、环氧树脂胶等材料变量的均值、标准差、以及分布类型，采用MC
‑
FORM方法计算维修后构件在某一极限状态下的可靠度指标β
r，j
。
[0018]步骤16：对比维修前后桥梁关键构件可靠度指标，确定实质性维护所带来的可靠度贡献Δβ＝β
r，j
‑
β
t，j
。
[0019]步骤11中，极限状态函数，如下式所示；
[0020]Z
j
＝R
j
‑
S
j
＝g
j
(X1，X2，
…
X
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0021]式中，R
j
和S
j
分别为第j种极限状态的广义抗力和广义作用效应，X1，X2，
…
，X
n
为影响拟维修构件性能的n个影响因素，g
j
(X1，X2，
…
X
n
)为影响因素与第j种极限状态之间的函数关系。
[0022]步骤13中，建立考虑在役高速铁路桥梁承载能力检算系数的极限状态函数，如下式所示：
[0023]Z
j
(t)＝g
j
(ξ
z
，ξ
c
，ξ
s
，X1，X2，
…
X
n
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0024]确定极限状态函数中所涉及随机变量X的统计特征，采用MC
‑
FORM方法，计算待维修构件可靠度指标：
[0025][0026]式中，P
f
为桥梁构件在该极限状态下的失效概率，N为Monte
‑
Carlo抽样方法的总抽样次数，n为所有抽样中失效样本的数量，Φ为标准正态分布函数。
[0027]步骤2步骤如下：
[0028]步骤21：结合所建立的桥梁某一失效模式的极限状态函数，计算成桥状态下桥梁可靠度指标，结合桥梁所处环境及桥梁上的作用效应，计算桥梁在其寿命期内的退化速率
α，建立未考虑维护措施的时变可靠度曲线。
[0029]步骤22：建立考虑预防性维护措施的时变可靠度曲线。
[0030]预防性维护能够对桥梁性能退化过程起到延迟及可靠度小幅提升的作用。一般预防性养护在桥梁运营过程中周期性实施。制定桥梁维护管养方案，需要确定预防性养护的初次实施时间与时间间隔T
i
。
[0031]考虑分析得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、确定典型病害维修技术的可靠度贡献；步骤2、结合桥梁结构时变可靠度曲线分析确定不同的维修方案；步骤3、以成本最优、中断交通时间最短和结构安全为目标确定最优维护管养方案。2.如权利要求1所述的基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：步骤11：结合桥梁设计资料，确定典型病害所对应的失效模式，构建桥梁拟维修构件极限状态函数；步骤12：考虑桥梁关键构件病害特征，结合在役桥梁技术状况评定方法，确定在役桥梁技术状况检算系数；步骤13：将步骤12所确定的桥梁技术状况检算系数引入步骤11所建立的极限状态函数中，考虑相关变量的不确定性，采用Monte
‑
Carlo结合一次二阶矩方法计算待维修构件在某一极限状态下的可靠度指标β
t,j
；步骤14：针对不同桥梁关键构件维修方式，建立维修后桥梁关键构件的极限状态函数；步骤15：确定极限状态函数中所涉及新增材料变量的均值、标准差、以及分布类型，采用Monte
‑
Carlo结合一次二阶矩方法计算维修后构件在某一极限状态下的可靠度指标β
r,j
；步骤16：对比维修前后桥梁关键构件可靠度指标，确定实质性维护所带来的可靠度贡献
△
β＝β
r,j
‑
β
t,j
。3.如权利要求2所述的基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法，其特征在于，步骤11中，极限状态函数如下式所示：Z
j
＝R
j
‑
S
j
＝g
j
(X1，X2，
…
X
n
)
ꢀꢀꢀ
(1)式中，R
j
和S
j
分别为第j种极限状态的广义抗力和广义作用效应，X1，X2，
…
，X
n
为影响拟维修构件性能的n个影响因素，g
j
(X1，X2，
…
，X
n
)为影响因素与第j种极限状态之间的函数关系。4.如权利要求3所述的基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法，其特征在于：步骤13中，建立考虑在役高速铁路桥梁承载能力检算系数的极限状态函数，如下式所示：Z
j
(t)＝g
j
(ξ
z
，ξ
c
，ξ
s
，X1，X2，
…
X
n
)
ꢀꢀ
(2)ξ
z
为桥梁承载能力检算系数，ξ
c
为混凝土的截面折减系数，ξ
s
钢筋的截面折减系数；确定极限状态函数中所涉及随机变量X的统计特征，采用Monte
‑
Carlo结合一次二阶矩方法方法，计算待维修构件可靠度指标：式中，P
f
为桥梁构件在该极限状态下的失效概率，N为Monte
‑
Carlo抽样方法的总抽样次数，n为所有抽样中失效样本的数量，Φ为标准正态分布函数。5.如权利要求4所述的基于时变可靠度的桥梁维修方案多目标优化方法，其特征在于，步骤2具体如下：步骤21：结合所建立的桥梁某一失效模式的极限状态函数，计算成桥状态下桥梁可靠度指标，结合桥梁所处环境及桥梁上的作用效应，计算桥梁在其寿命期内的退化速率α，建...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冰，解会兵，高策，孙宗磊，周勇政，闫冰川，于佳平，
申请(专利权)人：中国铁路经济规划研究院有限公司中国国家铁路集团有限公司，
类型：发明
国别省市：