基于前一年技术状态的改进型桥梁劣化评估方法

摘要

本发明公开了基于前一年桥梁技术状态的改进型自然劣化评估方法，采用桥梁建成时的技术状态评分、桥梁技术状态无劣化的时间、同类型桥梁统计使用寿命及桥梁营运使用时间4个参数，建立了可以描述桥梁建成进入营运期后，同时考虑环境、荷载及材料特性变化的桥梁技术状态劣化过程模型。利用本发明的桥梁技术状态劣化模型进行桥梁技术状态评估及预测，可以有针对性的对桥梁进行检测、养护、维修及加固，保证维修、加固、改造规模的合理性，使桥梁保持良好的技术状态，这对于桥梁结构安全、可持续运营和社会经济发展均有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁检测、评定、养护领域，尤其涉及基于前一年技术状态的改进型桥梁劣化评估方法。

背景技术

桥梁都经历着建设、服役、功能退化、报废的过程。在使用过程中，随着时间推移，在内部或外部、或的不利因素作用下，将发生材料的老化与结构损伤，这种损伤的积累将导致结构性能劣化，可靠性降低，在不维修加固的情况下，它的功能必然会加速衰退。由于桥梁由钢和砼等基本材料构成，经过统计分析，对于新建和在役的桥梁，其劣化有相似的规律，研究预测桥梁将来的可靠性与状态显得十分重要。为了能更好的预测桥梁服役状态和剩余寿命，国内外很多学者对桥梁结构的可靠度劣化模型进行了研究，但有关桥梁结构技术状态劣化模型的资料及文献还比较少。

如《中外公路》期刊上公开发表的论文“混凝土桥梁劣化模型研究”针对混凝土桥梁结构，结合生效函数建立了两段、三段线性劣化模型、n段线性与非线性劣化模型，结合我国的规范和标准分析给出了其中的参数取值，无维修时基本两阶段非线性模型表达式见式(1)。

β(t)＝β_o-α(t-t_I)F(t_I)(1)

式(1)中：β_o为桥梁结构建成初的可靠度；t_I为桥梁结构开始劣化的时间，以年为单位；α为桥梁结构无维修时的结构可靠度劣化率。该桥梁的劣化模型使维修决策工作变得更加简明、方便。

如《世界桥梁》期刊上公开发表的论文“基于性能劣化分析的钢桥维护策略优化研究”综合考虑了环境、荷载等影响因素，用可靠度指标、状态指标表示桥梁技术状态，引入改进的Logistic动态粒子群优化算法、Monte-Carlo模拟，提出桥梁服役过程中，可靠指标、状态指标的一次及二次非线性劣化模型，建立桥梁结构时变可靠度指标计算模型式(2)：

式(2)中：β_o为桥梁结构建成初的可靠度，t_I为桥梁结构开始劣化的时间，以年为单位；E_I为环境影响系数，S_E为等效损伤系数；α₁为根据结构应力状态及交通量发展状况确定的可靠度指标损伤累积系数。

如《铁道科学与工程学报》期刊上公开发表的论文“劣化桥梁概率维护模型和维护方案成本优化研究”中建立了如下桥梁技术状态指标的非线性模型：

式(3)中：C_o为桥梁结构建成初始状态指标；t_CI为桥梁状态指标开始劣化时间，以年为单位；α₂为桥梁结构劣化率。

上述模型不仅可用于新建成的桥梁，亦可用于服役多年的旧桥，但其劣化模型估值与实际值偏差较大，使得评估工作准确度和可信度不够高。为了对进行桥梁技术状态准确评估及预测，可以有针对性的对桥梁进行检测、养护、维修及加固，做到人力、物力资源有的放矢，保证维修、加固、改造规模的合理性，使桥梁保持良好的技术状态，并一定程度上延长桥梁的使用寿命，这对于桥梁安全寿命、可持续运营和社会经济发展均有重要的实践意义和现实意义。因此，为解决上述问题急需一种桥梁技术状态劣化评估方法，以便记录、描述、预测桥梁技术状态劣化规律。

发明内容

为了提高桥梁技术状态评估及预测精度问题，本发明的基于前一年桥梁技术状态的改进型劣化评估方法采用指数形式变化的非线性函数表达式作为桥梁技术状态劣化模型，用以描述桥梁技术状态的劣化规律；本发明通过以下技术方案实现：

一种基于前一年技术状态的改进型劣化评估方法，所述评估方法在桥梁前一年的技术状态评分、桥梁技术状态无劣化的时间、同类型桥梁统计使用寿命及桥梁营运使用时间的数据基础上进行桥梁状态劣化评估，所述评估方法包括如下步骤：

步骤a.获取桥梁建成时的初始技术状态评分D_c、桥梁技术状态无劣化的时间N_c、桥梁的使用时间n以及使用时间n年内的桥梁技术状态评分D(1)、D>

步骤b.计算桥梁技术状态的劣化率α；

步骤c.根据劣化率α计算以及同类型桥梁统计使用寿命N_d计算劣化模型中的幂次A的值；

步骤d.根据步骤a至步骤c中所得参数确定桥梁的劣化模型，绘制技术状态劣化曲线，完成劣化评估；所述劣化模型如下式：

其中：D_c为桥梁建成时的技术状态评分、N_d为同类型桥梁统计使用寿命、n>

当桥梁建成后使用时间为n年时，根据历年的桥梁技术状态评分D(1)、D (2)、D(3)…D(n)，若历年评定时间连续，则按式(5)计算梁技术状态劣化率α；若历年评定时间非连续，则按式(6)计算梁技术状态劣化率α：

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

其中：D(1)为桥梁的使用时间为第1年时的技术状态评分，D(2)为桥梁的使用时间为第2年时的技术状态评分，D(3)为桥梁的使用时间为第3年时的技术状态评分，D(j)为桥梁的使用时间为第j年桥梁技术状态，D(k)为桥梁的使用时间为第k年桥梁技术状态，D(n-1)为第(n-1)年的桥梁技术状态，D (n)为桥梁的使用时间为第n年时的技术状态评分。

所述同类型桥梁统计使用寿命N_d按如下方法确定，混凝土小桥统计使用寿命N_d取值40年；混凝土中桥统计使用寿命N_d取值55年；混凝土大桥统计使用寿命N_d取值80年；混凝土特大桥统计使用寿命N_d取值100年。

基于前一年或上一次评定桥梁技术状态劣化模型中不考虑N_c时，A与桥梁技术状态劣化最大衰减率α有关，A与α取值关系见表1，可根据表1进行插值计算。

表1 桥梁技术状态劣化率α与幂次A、统计使用寿命N_d关系表

幂次A与桥梁技术状态劣化最大衰减率α有关，亦可根据下述方法选取一定的幂次指数A计算技术状态劣化衰减率α。

当所述同类型桥梁统计使用寿命N_d取值40年时，A与α取值关系按照下式确定，并根据下式确定A的值：

α＝-0.0098A⁵+0.1958A⁴-1.57A³+6.4224A²-13.141A+17.16(7)

当所述同类型桥梁统计使用寿命N_d取值55年时，A与α取值关系按照下式确定，并根据下式确定A的值：

α＝-0.0044A⁵+0.101A⁴-0.9274A³+4.3025A²-0.9473A+13.95(8)

当所述同类型桥梁统计使用寿命N_d取值80年时，A与α取值关系按照下式确定，并根据下式确定A的值：

α＝-0.0051A⁵+0.112A⁴-0.9745A³+4.2864A²-9.4767A+12.28(9)

当所述同类型桥梁统计使用寿命N_d取值100年时，A与α取值关系按照下式确定，并根据下式确定A的值：

α＝-0.0038A⁵+0.0849A⁴-0.7621A³+3.4664A²-7.9519A+10.602(10)

其中：α为桥梁技术状态劣化率，A为劣化模型的幂次。

步骤e.根据桥梁劣化模型计算桥梁技术状态评估预测值，评估桥梁目前所处寿命区间，根据桥梁技术状态维修临界点预测桥梁维修时间节点，在桥梁相应的寿命区间及时间节点对其进行检测、养护、维修及加固。

本发明的优点：

基于大量桥梁技术状态数据统计分析研究，经参数敏感性分析，科学选取桥梁技术状态评估预测参数，本发明克服了现有技术中劣化评估模型精度不高的问题，可以实现高精度的评估及预测桥梁技术状态；根据桥梁技术状态评估值可以有针对性的对桥梁进行检测、养护、维修及加固，使桥梁保持良好的技术状态，并有效延长桥梁的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的劣化评估方法中桥梁技术状态劣化曲线示意图。

具体实施方式

对一混凝土连续梁桥的技术状态进行长期跟踪，该桥全长75m，上部构造为3×25m混凝土现浇连续箱梁，梁高1.5m，宽11.20m；桥台为重力式桥台、桥墩为柱式墩，墩、台基础均为扩大基础；桥面系中桥面铺装层为水泥混凝土面层，护栏采用钢管护栏，桥面设泄水孔；该桥于1988年建成通车，2009年时桥龄为22年；根据交工验收时的外观检查结果，确定桥梁初始技术状态评分Dc 为95分；在22年期间对该桥共进行了4次检测评定，1988年为初始建桥时间，检测评定时间分别为1997年、2001年、2005年和2009年，技术状态评分结果 D(1)＝Dc＝95，D(10)＝90，D(14)＝85，D(18)＝76，D(22)＝55，评定时间及评定结果如表2所示。

表2 评定时间及技术状态评定结果

将技术状态评分结果代入式(6)可得22年期间最大桥梁技术状态劣化率α＝5.1，由于桥面系混凝土中桥，因此，统计使用寿命N_d取值55年，根据式(8)>d、幂次A代入式(4)可得出如下劣化模型表达式：

绘制该模型表达式的劣化评估曲线，如图1所示，由该图可知桥梁技术状态与使用年限的关系，该桥梁在使用时间为25年(即2012年)时技术状态评估预测值达到50，需要加固；使用时间为29年(即2016年)时技术状态评估预测值达到30，需要大修。