模糊及隨機信息條件下既有RC橋梁時變可靠性研究結(jié)題摘要

當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）橋梁時變可靠性研究過程存在很多不確定性。本項目將這些不確定性歸結(jié)為模糊性和隨機性，針對既有RC橋梁時變可靠性問題，取得成果如下：（1）分析了銹蝕初始時間、銹脹開裂時間以及銹脹開裂至界限寬度時間的不確定性特征，將氯鹽導致的鋼筋銹蝕劃分為二階段三個特征時刻，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)銹蝕損傷風險概率模型，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時變概率特征，得到了不同時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準差變化的異同；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態(tài)演進分析方法，并結(jié)合一座既有實橋?qū)碚摻Y(jié)果進行了驗證。（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、屈服強度和極限抗拉強度間的關(guān)系，基于銹蝕鋼筋拉伸試驗，對比了銹蝕率對不同類型鋼筋屈服強度、極限抗拉強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)展和強度退化的模糊概率特征，得到了抗力均值和標準差時變特點和截口分布類型；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前服役狀況的構(gòu)件抗力更新方法，并通過實橋構(gòu)件實驗進行了驗證。（5）提出了既有鋼筋混凝土橋梁模糊隨機時變可靠性分析方法，將檢測結(jié)果與專家經(jīng)驗相結(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，進而將模糊變量變換為當量隨機變量，提出了小樣本數(shù)據(jù)下既有RC橋梁可靠性評估方法；考慮抗力模糊隨機時變特性，以及車輛荷載的影響，提出了模糊隨機時變可靠性分析方法，分析了時變可靠指標對抗力各參數(shù)的敏感性，明確了既有RC橋梁服役期重點檢測指標。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依據(jù)。

當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性。本項目創(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性，針對后繼服役期，研究后驗條件下既有RC橋梁時變可靠性相關(guān)問題。主要研究內(nèi)容包括：分析銹蝕初始時間、保護層開裂時間及銹脹至允許寬度時間的模糊概率特征，建立銹蝕率先驗時變概率模型，進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?zāi)：S機時變概率模型；考慮銹蝕引起粘結(jié)退化和銹脹開裂，提出受彎構(gòu)件抗力計算方法，進而建立驗證荷載下構(gòu)件抗力后驗?zāi)：S機時變概率模型；在此基礎(chǔ)上，提出后繼服役期既有RC橋梁模糊隨機時變可靠性分析方法，明確時變可靠指標對各參數(shù)不確定性強弱的敏感性。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橋梁的時變地震易損性。創(chuàng)新點主要在于建立近海橋梁耐久性損傷RC材料力學性能時變模型；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變地震易損性及其魯棒性的強弱，從而為全壽命周期內(nèi)近海在役橋梁地震風險評估提供理論依據(jù)。

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，近海交通運輸建設(shè)規(guī)模不斷擴大，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變易損性。本項目基于不同荷載模式下銹蝕鋼筋力學性能試驗，分析了單調(diào)拉伸荷載、低周反復荷載作用下銹蝕鋼筋的力學性能，對銹蝕鋼筋力學性能在不同荷載模式下退化程度進行了對比研究，并給出了銹蝕鋼筋力學性能退化計算模型。通過碳化混凝土棱柱體試件單調(diào)及反復荷載試驗，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)及反復荷載下碳化對試件力學性能的影響，并給出了碳化混凝土力學性能退化計算模型。建立近海橋梁精細化有限元模型，通過的銹蝕鋼筋混凝土橋墩試件抗震性能試驗驗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，進行了近海環(huán)境下鋼筋混凝土材料力學性能的退化過程的時變性分析。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)地震作用的時變性，采用時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, 并進行了基于時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險評估提供理論依據(jù)。 2100433B

針對當前在役橋梁可靠度計算往往不能符合實際的問題，本項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)特性進行實時識別和信息更新；引入模糊隨機變量的概念，采用Kriging模型，提出平均最大改進算法以保證響應(yīng)模擬效率，同時采用自適應(yīng)蒙特卡羅區(qū)間優(yōu)化算法，提高區(qū)間計算效率；通過自適應(yīng)迭代策略，將模糊分析嵌套于隨機分析，提出基于鞍點模擬的模糊性和隨機性統(tǒng)一分析法。以九江斜拉橋為工程背景，利用已成功應(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可靠度分析，繼而形成一套適用于在役橋梁安全可靠度計算評估的有效理論方法。