模糊及隨機(jī)信息條件下既有RC橋梁時(shí)變可靠性研究

當(dāng)前信息有限性和未來服役期信息未確知性等客觀條件，使既有鋼筋混凝土（RC）橋梁時(shí)變可靠性研究過程存在很多不確定性。本項(xiàng)目將這些不確定性歸結(jié)為模糊性和隨機(jī)性，針對既有RC橋梁時(shí)變可靠性問題，取得成果如下：（1）分析了銹蝕初始時(shí)間、銹脹開裂時(shí)間以及銹脹開裂至界限寬度時(shí)間的不確定性特征，將氯鹽導(dǎo)致的鋼筋銹蝕劃分為二階段三個(gè)特征時(shí)刻，研究了不確定因素影響下的銹脹開裂損傷問題，建立了鋼筋混凝土構(gòu)件生命周期內(nèi)銹蝕損傷風(fēng)險(xiǎn)概率模型，討論了銹脹損傷影響參數(shù)的敏感性。（2）建立了模糊隨機(jī)信息條件下鋼筋銹蝕率預(yù)測模型，分析了銹蝕率模糊隨機(jī)時(shí)變概率特征，得到了不同時(shí)刻銹蝕率截口概率分布形式，對比了均勻銹蝕和局部銹蝕下鋼筋截面積均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化的異同；綜合考慮均勻銹蝕、局部銹蝕及其影響因素的不確定性，以Bayes理論為基礎(chǔ)，利用橋梁檢測數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)銹蝕率物理模型選擇及其參數(shù)的更新，提出了鋼筋銹蝕率動(dòng)態(tài)演進(jìn)分析方法，并結(jié)合一座既有實(shí)橋?qū)碚摻Y(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。（3）分別建立了HPB235和HRB335兩種橋梁常用鋼筋的質(zhì)量銹蝕率、截面銹蝕率與屈服荷載、極限抗拉荷載、屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度間的關(guān)系，基于銹蝕鋼筋拉伸試驗(yàn)，對比了銹蝕率對不同類型鋼筋屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和屈服荷載和極限抗拉荷載的影響；回歸了快速銹蝕與自然銹蝕下鋼筋質(zhì)量銹蝕率與屈服荷載和極限抗拉荷載的關(guān)系。（4）構(gòu)建了模糊及隨機(jī)信息條件下鋼筋混凝土橋梁構(gòu)件抗力演化特征分析框架，揭示了銹蝕導(dǎo)致粘結(jié)性能退化對構(gòu)件承載力的影響，分析了服役期鋼筋銹蝕發(fā)展和強(qiáng)度退化的模糊概率特征，得到了抗力均值和標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)變特點(diǎn)和截口分布類型；考慮銹蝕鋼筋失效模式、銹蝕引起鋼筋截面積和強(qiáng)度、粘結(jié)退化等的不確定性影響，提出了基于鋼筋混凝土橋梁當(dāng)前服役狀況的構(gòu)件抗力更新方法，并通過實(shí)橋構(gòu)件實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。（5）提出了既有鋼筋混凝土橋梁模糊隨機(jī)時(shí)變可靠性分析方法，將檢測結(jié)果與專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，通過隸屬函數(shù)反映小樣本檢測數(shù)據(jù)的模糊特征，進(jìn)而將模糊變量變換為當(dāng)量隨機(jī)變量，提出了小樣本數(shù)據(jù)下既有RC橋梁可靠性評估方法；考慮抗力模糊隨機(jī)時(shí)變特性，以及車輛荷載的影響，提出了模糊隨機(jī)時(shí)變可靠性分析方法，分析了時(shí)變可靠指標(biāo)對抗力各參數(shù)的敏感性，明確了既有RC橋梁服役期重點(diǎn)檢測指標(biāo)。這些研究成果為既有RC橋梁可靠性評定、剩余壽命預(yù)測和維修決策提供科學(xué)依據(jù)。

當(dāng)前信息有限性和未來服役期信息未確知性等客觀條件，使既有鋼筋混凝土（RC）橋梁時(shí)變可靠性研究過程存在很多不確定性。這些不確定性主要包括模糊性和隨機(jī)性。本項(xiàng)目創(chuàng)新在于有效地利用橋梁檢測信息，考慮信息的模糊性及隨機(jī)性，針對后繼服役期，研究后驗(yàn)條件下既有RC橋梁時(shí)變可靠性相關(guān)問題。主要研究內(nèi)容包括：分析銹蝕初始時(shí)間、保護(hù)層開裂時(shí)間及銹脹至允許寬度時(shí)間的模糊概率特征，建立銹蝕率先驗(yàn)時(shí)變概率模型，進(jìn)一步融入橋梁檢測信息，基于Bayes方法更新模型，建立銹蝕率后驗(yàn)?zāi)：S機(jī)時(shí)變概率模型；考慮銹蝕引起粘結(jié)退化和銹脹開裂，提出受彎構(gòu)件抗力計(jì)算方法，進(jìn)而建立驗(yàn)證荷載下構(gòu)件抗力后驗(yàn)?zāi)：S機(jī)時(shí)變概率模型；在此基礎(chǔ)上，提出后繼服役期既有RC橋梁模糊隨機(jī)時(shí)變可靠性分析方法，明確時(shí)變可靠指標(biāo)對各參數(shù)不確定性強(qiáng)弱的敏感性。從而為量大面廣的既有RC橋梁可靠性評定、剩余壽命預(yù)測和維修決策提供科學(xué)依據(jù)。

本課題以我國近海在役橋梁全壽命周期內(nèi)面臨的耐久性損傷及地震安全問題為背景，以RC橋梁為研究對象，通過近海腐蝕環(huán)境的模擬，考慮混凝土碳化與氯離子侵蝕的耦合作用，分析橋梁時(shí)變耐久性損傷對其抗震性能的影響，提取定量表征近海RC橋梁抗震性能演化的序參量，研究服役年限及近海環(huán)境作用與宏觀抗震性能的邏輯關(guān)聯(lián)，分析近海在役RC橋梁的時(shí)變地震易損性。創(chuàng)新點(diǎn)主要在于建立近海橋梁耐久性損傷RC材料力學(xué)性能時(shí)變模型；確定近海在役橋梁耐久性損傷分析邊界條件，研究近海橋梁全壽命周期內(nèi)抗震性能演化過程及時(shí)變規(guī)律；建立全壽命周期內(nèi)近海RC橋梁在主余震及多次地震作用下的時(shí)變地震易損性模型。最后以某在役近海長聯(lián)RC橋梁為例，根據(jù)服役年限及耐久性損傷，構(gòu)造主余震及多次地震序列，研究不同服役階段橋梁時(shí)變地震易損性及其魯棒性的強(qiáng)弱，從而為全壽命周期內(nèi)近海在役橋梁地震風(fēng)險(xiǎn)評估提供理論依據(jù)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，近海交通運(yùn)輸建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，近海橋梁數(shù)量不斷增多。對于近海橋梁，全壽命周期內(nèi)更為突出的問題是其處于海腐蝕環(huán)境的同時(shí)又在地震多發(fā)帶。本課題以我國近海在役橋梁全壽命周期內(nèi)面臨的耐久性損傷及地震安全問題為背景，以鋼筋混凝土橋梁為對象，研究了近海耐久性損傷橋梁時(shí)變易損性。本項(xiàng)目基于不同荷載模式下銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了單調(diào)拉伸荷載、低周反復(fù)荷載作用下銹蝕鋼筋的力學(xué)性能，對銹蝕鋼筋力學(xué)性能在不同荷載模式下退化程度進(jìn)行了對比研究，并給出了銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化計(jì)算模型。通過碳化混凝土棱柱體試件單調(diào)及反復(fù)荷載試驗(yàn)，得到各試件應(yīng)力應(yīng)變曲線及骨架曲線，考慮到碳化混凝土構(gòu)件的截面尺寸效應(yīng)，從混凝土碳化率的角度對比分析了單調(diào)及反復(fù)荷載下碳化對試件力學(xué)性能的影響，并給出了碳化混凝土力學(xué)性能退化計(jì)算模型。建立近海橋梁精細(xì)化有限元模型，通過的銹蝕鋼筋混凝土橋墩試件抗震性能試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的有效性，分析了不同服役期內(nèi)橋墩抗震性能的演化過程?？紤]混凝土碳化與氯離子侵蝕的耦合作用，通過模擬近海腐蝕環(huán)境，進(jìn)行了近海環(huán)境下鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的退化過程的時(shí)變性分析。確定近海在役橋梁耐久性損傷分析邊界條件，考慮橋梁全壽命周期內(nèi)地震作用的時(shí)變性，采用時(shí)變地震易損性分析方法研究了近海橋梁全壽命周期內(nèi)抗震性能演化過程及時(shí)變規(guī)律。建立了全壽命周期內(nèi)近海RC橋梁在主余震及多次地震作用下的時(shí)變地震易損性模型，根據(jù)服役年限及耐久性損傷，構(gòu)造主余震及多次地震序列，研究不同服役階段橋梁時(shí)變地震易損性?；诶碚撘讚p性、可靠度理論以及構(gòu)件的概念移除法提出了一種適用于全壽命周期內(nèi)算例橋型的抗倒塌分析方法, 并進(jìn)行了基于時(shí)變易損性的近海橋梁主余震作用下的魯棒性分析,從而為全壽命周期內(nèi)近海在役橋梁地震風(fēng)險(xiǎn)評估提供理論依據(jù)。 2100433B

針對當(dāng)前在役橋梁可靠度計(jì)算往往不能符合實(shí)際的問題，本項(xiàng)目采用基于不確定性模型的貝葉斯（Bayes）方法，并結(jié)合馬爾可夫蒙特卡羅抽樣，對橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)識別和信息更新；引入模糊隨機(jī)變量的概念，采用Kriging模型，提出平均最大改進(jìn)算法以保證響應(yīng)模擬效率，同時(shí)采用自適應(yīng)蒙特卡羅區(qū)間優(yōu)化算法，提高區(qū)間計(jì)算效率；通過自適應(yīng)迭代策略，將模糊分析嵌套于隨機(jī)分析，提出基于鞍點(diǎn)模擬的模糊性和隨機(jī)性統(tǒng)一分析法。以九江斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用已成功?yīng)用于九江斜拉橋狀態(tài)監(jiān)測的基于Imote2無線傳感器技術(shù)的橋梁智能監(jiān)測系統(tǒng)得到觀測信息，完成對九江斜拉橋的模糊隨機(jī)可靠度分析，繼而形成一套適用于在役橋梁安全可靠度計(jì)算評估的有效理論方法。