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凯文·k·l .因此,Moe m . s .张,埃里克·x问:张, ”生命周期管理策略在钢梁桥”,土木工程的发展, 卷。2012年, 文章的ID643543年, 14 页面, 2012年。 https://doi.org/10.1155/2012/643543
生命周期管理策略在钢梁桥
文摘
影响桥梁的使用寿命的主要问题相关的各种因素如fatigue-sensitive细节,服务负载增加,腐蚀恶化,缺乏适当的维护。其中,腐蚀退化和疲劳破坏的结构特别是钢梁桥是最常见的。桥梁的结构形式,在不同的位置或在不同气候条件下,可能会遭受不同程度的恶化。在不同位置的桥钢梁也遭受不同程度的损害。如何有效桥资产保持在最小成本以及如何预测未来的时间是至关重要的工作,特别是当政府资金来源变得捉襟见肘。全面的桥梁管理框架帮助利益相关者适当和合理优先考虑他们的未来深层在桥股票,利益相关者可以更好地分配有限的资源,最大的担心。提出了一个集成的生命周期管理(LCM)策略在钢梁桥腐蚀退化和疲劳损伤预测模型映射与梁的性能条件。一个实际的例子来演示的适用性提出了LCM策略也说明。
1。介绍
近几十年来,积极使用的寿命长交通基础设施已经成为一个世界性的问题。新基础设施的发展支出或投资准备变得非常困难的在世界各地尤其是由于糟糕的经济状况。的生命延长桥梁不仅使经济利润大,但也减轻财务负担资产管理,有效减少全球变暖以及其他环境污染在生命周期的结构。桥梁是重要的交通基础设施,和桥梁维修或更换是最大的支出项目桥梁寿命。
在日本,大部分传播交通网络基础设施的建设,以支持从1950年的1970年。最近,许多基础设施在日本越来越老,和桥梁的数量在现役50多年大幅增加,预计这些桥梁在2021年将超过50000。从原因,检查,维护,和康复计划是非常重要的问题长期活跃使用的桥梁和基础设施(1]。在澳大利亚,有超过30000的公路和铁路桥梁。例如,昆士兰政府分配3.5亿美元向取代大约100旧的和过时的道路桥梁在昆士兰地区未来五年,从2006年到2010年(2]。在美国,超过43%的桥梁是钢做的。目前,有190000个钢桥(简支和连续)超过40000(25%)存在结构性缺陷和超过35000个(18.5%)在功能上是过时的3]。
2。钢桥的问题
影响桥梁的使用寿命的主要问题相关的各种因素如fatigue-sensitive细节,服务负载增加,腐蚀恶化,和缺乏适当的维护4]。如图中典型类型的伤害1恶化、腐蚀和疲劳破坏的结构特别是钢梁桥是最常见的影响环境和车辆载荷和压力范围。
在传统实践检验、维护或修复工作将按照维修和康复手册和维护权限进行相应的计划和记录所有的工作结果。然而,手动基本上是一个典型的一个为一个特定的资产而不是特制的。桥梁的结构形式,在不同的位置或在不同气候条件下,可能会遭受不同程度的恶化。在不同位置的桥钢梁也遭受不同程度的损害。如何有效桥资产保持在最小成本以及如何预测未来的时间工作是很重要的问题,当政府资金来源变得捉襟见肘。
减轻经济负担长期资产维护,整个生命周期管理(LCM)概念引入了近十年,现在越来越重要的工程设计、施工和管理。在整个模块的概念,结构成员恶化的预测是至关重要的计划未来的维护操作。提出了一个集成的模块战略钢梁在桥梁腐蚀退化和疲劳损伤预测模型映射与梁的性能条件。一个实际的例子来演示该策略的适用性也说明。
3所示。LCM在钢梁桥
本文提出了一个集成的LCM策略同时完全考虑三个结构评估因素:(1)正常使用极限:偏转;(2)最终限制:时刻和剪切,(3)疲劳强度极限。显然,最终限制不仅是两个因素,时刻和剪切。承载力也可以受到腐蚀的影响。然而,在常见的做法,如果钢桥不接受适当的维护和绘画,它可能会由轴承横向加强提高承载力。为了减少复杂性的表现提出了集成模块的实现策略,不包括轴承行为的技术分析。提供了钢梁桥为例,证明该策略的使用与腐蚀退化和疲劳损伤模型合并。
4所示。腐蚀退化模型
除了高性能钢铁防腐耐候钢、钢梁桥通常受到腐蚀到一定的度。如果未被发现在一段时间内,腐蚀会削弱网和法兰的钢梁通过减少材料厚度和可能导致危险的结构性失败(7]。
在正常使用极限分析中,剩余的测量腐蚀钢网和下翼缘厚度通常考虑。网的有效厚度和法兰随着时间减少7]: 在哪里=初始法兰厚度(毫米)=初始web厚度(毫米)=平均腐蚀渗透(mm)时间。
腐蚀是影响环境如空气中大量的水分和盐的存在。有一个共同的协议,腐蚀时间和渗透率可以建模,有一个很好的近似,由指数函数(8]: 在哪里=平均腐蚀渗透微米(米)后年,=时间(年)的暴露,=腐蚀损失参数后一年的接触,和=参数确定实验数据的回归分析。
参数和阿尔布雷特和Naeemi测定5),进一步验证了凯塞(6如表所示1。
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研究人员追求广泛的研究来预测时变腐蚀传播捕获实际的腐蚀。然而,这些研究往往忽略的影响周期画对腐蚀过程的影响(3,6,8- - - - - -10]。
李等人。7),基于之前的研究,引入了一个修改后的腐蚀传播模型与周期性的重新绘制所示(3)。李的腐蚀寿命预测模型采用钢梁。 在哪里是腐蚀传播深度千分尺(米)时在年th画时期;是随机的腐蚀速率参数;是随机指出西安市参数;和,=随机腐蚀起始和周期重新绘制(年),分别。
5。疲劳损伤模型
几个模型已经开发描述疲劳损伤的过程,包括s (n模型、矿工的线性累积疲劳损伤模型,根据线弹性断裂力学裂纹扩展模型(LEFM)方法(8]。s (n和矿工的模型都限制在解决概率性质,而LEFM方法基于裂纹扩展理论收益率更准确的疲劳和断裂可靠性评估的结果如果当前裂纹尺寸测量(5]。由于裂纹尺寸的影响考虑,这种方法能得到更准确的疲劳和断裂可靠性评估的结果如果当前裂纹尺寸可以测量(6]。在焊接桥细节,初始缺陷的焊接过程固有的结果从循环载荷作用下裂纹增长可能发生9]。
常用的裂纹扩展模型是Paris-Erdogan模型简化,以确定所需的周期疲劳失效和采用该模型进行寿命预测。所需的周期数为疲劳裂纹增长估计可以通过集成从初始裂纹尺寸到临界裂纹尺寸(11]。赵的模型方程所示(4): 在哪里被定义为crack-size-dependent校正系数;裂纹形状修正系数;是前面的自由液面修正系数;是有限板宽度修正系数;压力梯度校正系数;是应力范围;裂纹扩展常数:
因为随机变量加载参与每一个疲劳裂纹扩展的情况下,一个有效应力强度范围使用基于矿工的规则和相应的矿工的有效应力。有效应力范围而吗所需数量的周期导致疲劳破坏。裂纹扩展组件等于3已经观察到适用于基本裂纹增长率数据对焊接钢结构以及测试数据成员。相应的平均值增长常数被发现(11,12]。方程(4)可以进一步简化,以确定所需的循环疲劳失效:
在估计疲劳寿命周期,钢组件,平均每日流量数据具体桥梁道路,每行车道的交通量分布,将流量增长在未来几年将被使用的时间的措施。如果=疲劳寿命年 在哪里是每年的交通量增加,ADTT是一个随机变量代表平均每日卡车交通和是一个随机变量代表每卡车穿越等效应力范围的循环次数。剩余疲劳寿命,在那里是当前的钢组件岁(13]。
6。集成的生命周期管理策略
腐蚀退化和疲劳损害可能削弱结构成员和导致挠度增量,减少最终弯曲和剪切强度和疲劳强度的降低。上述腐蚀和疲劳模型与集成预定义的限制如下形式使用寿命预测模型来预测钢构件的服务条件在任何时间在整个生命。
模块是基于传统固定预定义的极限状态正常使用极限(即。(即,偏转)或最终的限制。,米oment and shear capacities) or the fatigue strength limit. However, it may not be always true that the one limit dominates over one another or vice versa in all circumstances. This paper proposes collective considerations of the serviceability limit:deflection, the ultimate limits:moment and shear, and the fatigue strength limit simultaneously which are essential in the further life-cycle cost (LCC) analysis. This proposed LCM strategy on steel girders covering serviceability limit, ultimate limits, and fatigue strength limit is graphically illustrated in Figure2。
7所示。极限的定义
所有结构有两个共同的基本要求:安全结构的崩溃和令人满意的性能用途。极限状态通常定义的各种方式结构未能满足这些基本要求。
7.1。正常使用极限
正常使用极限状态通常与令人满意的性能和对应于过度偏转,振动和局部变形。本文定义了正常使用极限的梁的挠度,,在设计生活。如果偏差超过代码需求,,使用可靠性故障发生。也认为,替换或修复工作之前必须进行梁达到其挠度极限。
7.2。最终限制
极限状态通常与安全性和对应强度、稳定性和非常大的变形。在报纸上,最终限制了由结构在弯曲能力条件,剪切,,任何时间的寿命。假设替换或修复工作之前必须进行最终的时刻或梁的抗剪能力,和应用,达到总时刻或剪切。
7.3。疲劳强度极限
疲劳强度极限建议本文定义的累积数量的压力循环在任何时候,,在它的生命。如果压力的循环次数超过其允许,,假设一个疲劳失效发生。同样,假设替换或修复工作之前必须进行的极限了。
7.4。基于绩效的模型
现在数学结构成员的条件对其限制在特定的时间,缓冲功能,,然后以每个限制percentagefor相应地制定(8)(11),下标,为指缓冲功能偏转、时刻、剪切和疲劳强度,分别和下标DL, SDL,我,我或指时刻或恒载引起的剪切,附加恒载,活载,和影响负载分别为:
8。钢梁转让条件状态
LCM策略,提出四个性能条件,好的()、满意(),公平(),和穷人()被分配到的百分比范围偏转,此刻,剪切,和疲劳强度缓冲如上所述,分别。最低可接受的标准,令人满意的和公平条件也需要定义。
让表示一组可能的极限状态,和4对不同的限制:挠度、弯矩、剪力,并相应地疲劳。一般性能条件模型(12)进一步修改如下。
正常使用极限
偏差:
最终限制
弯矩:
剪:
疲劳强度极限
疲劳强度。
缓冲区的百分比范围不同的极限状态实际上是各种依赖利益相关者的决策。几个因素,如长期成本、项目风险,环境政策,或当地维修实践,可能会影响利益相关者的决策。本文出于演示目的,缓冲区的比例范围是假定所示(13)(16)和““条件状态也认为的最低可接受的条件水平。一旦接受服务为每个极限状态条件已经预定义的,未来的替代或康复工作进行时间达到可接受的条件限制。预测的动作时间将被采用的生命周期成本模型后续成本效益分析。
8.1。中国大陆战略的选择
在拟议的LCM策略中,使用寿命限制广义三个选项。
选项1:可服务性极限控制
偏差:
选项2:终极控制的限制
剪力和弯矩的能力:
选项3:疲劳强度极限控制
疲劳强度在时间:
9。综合寿命周期成本(LCC)模型的方法
LCC模型是常用的为基础来评估不同的管理策略的成本效益。在模型中,在适当的时间适当的行动模型精度的关键因素。的LCC结构是所有未来成本的现值的组合结构的寿命内的发生。最低预期LCC表示一直在使用最广泛的标准设计优化的新结构系统考虑寿命性能。的数学表示预期的LCC结构年的寿命可以概括为: 在哪里预计生命周期总成本,未来的行动的成本吗在时间,是未来的行动发生的概率是一个折现率(常折现率假设在报纸上),是未来的行动,年时间,是服务寿命。未来行动的成本还可以进一步细分为预期的设计成本,预计建设成本,预计检验成本,预计维护成本,预计更换和康复费用,预计拆迁成本失败,并预期成本,分别。帮助更好的理解可能strategies-induced费用,商检的范围、维护和更换和康复工作的定义和阐述。
10。检查、维护和更换和康复策略
10.1。检查策略
检查策略有所不同,这取决于政策的利益相关者。经常检查为未来的维修计划提供更多更新的信息。然而,检验工作的LCC通常是微不足道的整个LCC结构相比,和应该保持有效的管理方法17]。检验工作的成本()一般分为两种定义范围如下。
(1)一般检查()每年可以进行目视检查明显缺陷可能导致安全问题或导致损失结构的使用或限制使用的17]。视觉检查允许发现生锈或物质损失部分。钢构件应检查有关(i)的条件保护系统包括保护绘画或镀锌;(2)对腐蚀条件的材料;(3)连接的条件;(iv)开裂或断裂缺陷;和(v)结构变形或扭曲。
(2)详细检查()检查工作包括外观检查所有可见的和可访问的部分结构。一些小的无损检验(NDI)的代表地区将实施。NDI的测定方法通常包括射线照相法和超声学内部缺陷而染色渗透和磁粉检验表面缺陷的检测。详细检查的目的是为了验证结构的恶化状态,如果是在R&R计划时间表。因此,详细的检验时间是基于模拟R&R时间调整。假设详细检查工作之前进行替换或康复工作发生(18]。
10.2。维护策略
维护防护涂料的重要视觉和物理保护钢组件。持久漆结合长期维护间隔不仅是一种经济也是一个环境可接受的解决方案(18]。一般来说,有三种类型的油漆涂层对腐蚀速率降低,钢镀锌,氧化钢形成这些涂料的耐候钢的组合。因为困难的镀锌钢元素的大部分,涂料行业一般用于保护。油漆或高性能涂料,一些较新的系统,被分成三类:抑制的底漆,牺牲底漆,封闭涂层(19]。在涂层表面缺陷被发现后,适当的表面清洗和随后的重新绘制工作应采取的地方。
10.3。替代和康复(R&R)策略
钢结构元素的修复过程通常在很多情况下是非常复杂的,它需要使用先进的材料和技术解决方案。最重要的损坏钢桥元素可以分为三组:(i)腐蚀破坏的成员和/或他们的关节;(2)钢疲劳效应及其脆性断裂;(3)机械断裂,包括元素本身的碰撞,和/或关节。
在执行任何康复工作之前,缺陷的原因,这种缺陷的严重程度对主结构系统随后应识别和分析。根据严重程度和损伤原因的类型,可以应用不同的康复技术。典型的R&R的一般分类方法提出了钢梁,见图3。任何R&R工作应该考虑个人和之前应该是评价和评估结构的状况,相关的理论分析以及选择合适的修复技术(20.]。
关于R&R的程度,可以分为五个不同的动作,如表所示2定义和指定的含义和范围。(1)什么也不做(代表,1):它意味着没有行动,没有进行结构的状况的变化。(2)小修(代表,2):它没有提供改善耐久性性能但放缓恶化率这样的结构或其组件的状况可能进一步保持一段时期。(3)大修(代表,3):它没有提供改善耐久性性能,但恢复耐久性、结构强度、功能或外观的结构。结构或其组件的状况有所改善。然而,类似的损害可能重新出现在剩余生命的结构,这样后续预计修复工作。结构的状况将被重置为初始条件后大修工作。(4)康复修复(代表,4):恢复耐久性、结构强度、功能或外观的结构和提高耐久性修复结构或其组件的性能。后来类似的损害可能发生概率较低。结构的状况将被重置为初始条件后的工作。(5)替换(代表,5):它指的是替换现有的成员,可以改善当地的能力,结构的耐久性,等等。结构的状况将被重置为初始条件后的工作。
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11。LCM策略的钢梁桥的例子
简支组合钢梁桥与辊压梁纵梁作为一个例子来说明该模块采用的策略。这座桥有一个简单的跨度28.0米的双车道交通方向相同。191毫米厚的混凝土甲板板磨损面在体重122公斤/米2支持5钢材梁尺寸W36×245。每个梁有一个焊接盖板尺寸386×10毫米厚在底部法兰。865毫米高的混凝土护栏安装在两边。的距离两端盖板的相邻轴承是2.0米。桥的横截面图所示4。
11.1。载荷分析
11.1.1。死亡和叠加死
认为死者和叠加死负载通常是分布式和变异系数(C.O.V.) 0.1 (9,10,21]。诱导的意思是结束时刻跨距中点和盖板和诱导意味着剪年底支持计算和总结在表3。
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从表3在跨距中点,最大弯矩是1798 kNm,盖板的弯矩末端是476.89 kNm和最大剪切载荷支持梁是257 kN。1和5。然而,梁Nos。2、3、4,在中期跨度是1400 kNm最大弯曲,两端的弯矩盖板是372 kNm,和支持是200 kN的最大剪切载荷。
11.1.2。生活和影响
桥上的活载只是假定由于交通。梁的时刻和剪总结表4调查结果的基础上计算诺瓦克(21]和文献引用的平均每日卡车交通(ADTT)是5000年以66%的病例中,一辆卡车在左边的车道,33%的情况下,一辆卡车在右车道,和1%的情况下,卡车在两个车道(9,10,14]。也认为,从车辆活载是保持不变在整个桥梁的使用寿命。占汽车骑在桥上的动态影响,采用一个影响因素作为一个乘数。活载的影响分数根据ASSHTO规范(2004)(22)是0.231。时刻和剪切的影响将被添加在活载的时间表。
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C.O.V.:coefficient of variation. |
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11.2。使用寿命预测
11.2.1。正常使用极限:偏转
腐蚀降低了有效截面,主要发生在web和钢梁的下翼缘的顶端。减少部分区域导致削弱挠曲强度和剪切强度,增加桥面服务载荷下的挠度。根据ASSHTO规范,由于活载挠度极限+影响跨度/ 800 = 35毫米为典型的公路桥梁。为了研究不同预防措施的长期效果的钢梁,三个场景包括碳钢没有防护漆,碳钢防护漆,耐候钢进行了比较。钢桥是基于统计建模与海洋环境腐蚀参数表中列出5。名义下的最大变形量计算三种不同的场景中根据(1)(3),总结在表6。
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C.O.V.:coefficient of variation. LN:对数正态分布。 TN:截断正态分布。 护士:正态分布。 |
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偏转缓冲时间的寿命是绘制在图5。结果表明,梁的挠度,没有任何防护系统是最高的,而梁的挠度的耐候钢是最低的。根据拟议的管理策略,在整个75年寿命,没有钢梁类型(即低于公平条件状态。”,F”状态)的挠度条件状态设置(即。,(13))。换句话说,没有R&R偏转预计在整个工作寿命。
11.2.2。最终Limits-Moment和剪切
假设R&R只能采取行动的地方当条件达到”P“国家范围按照(14)和(15)。模拟时间到达”P”状态的时刻和剪切缓冲区限制在80百分位值在数据绘制6和7分别。有关条件,结果表明,梁1号将在26日到达时刻缓冲区限制和其他梁仍将“F”状态和“年代“国家在整个寿命。剪切条件,结果表明梁仍将”G”状态,这意味着剪应力导致微不足道的影响梁。
11.2.3。疲劳损伤极限
上面开发的最大活载模型不足以确定应力强度因子的有效范围。疲劳分析,加载疲劳影响建模的卡车提供美国州国家公路运输官员协会(AASHTO)规范毛重240 kN。假设每个卡车通道只导致一个应力循环。在反复拉伸应力,疲劳裂纹可能最后形成焊缝的盖板和渗透底部法兰。在一定弯矩梁,临界疲劳应力位于底部法兰盖板的末尾,应该计算基于梁的截面无盖板。每个梁的使用寿命模拟基于统计参数表5和模拟时间为每个梁达到其““国家是总结表7。
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结果表明,梁。2是最敏感梁的疲劳损伤,它将达到疲劳极限在43年。
12。讨论
有两个重要的消息发生的例子:(1)疲劳损害可能并不总是占主导地位。传统的最小公倍数是按照固定的预定义的极限状态正常使用极限或最终的极限或疲劳极限。然而,它可能不是总是有效的,一个限制在所有情况下,反之亦然。最早的模拟结果表明,替换或修复时间梁弯曲应力下的26年,最早的模拟修复时间梁下疲劳破坏是四十三年,(2)服务每个梁不同的生活。传统的管理方法地面上平等对待所有的梁。然而,一些梁可能恶化的速度要快于预期,一些可能不会。的疲劳破坏,梁。5有最长的生命而梁没有。2有最短的一个。关于弯曲破坏,最关键的是梁。1,至少是梁nos。4和5。
寿命预测模型集成到管理策略可以为利益相关者提供一个更好的图片识别敏感钢梁在腐蚀恶化或疲劳破坏。其他因素影响钢梁的条件是被忽视的。然而,钢铁部件损失绝对不是结论性的这两种类型。
此外,提出可接受范围可以进一步联系为可靠性指标如果足够统计信息的参数恶化的模型是可用的。康复的时间可以由预定义的可靠性指数的值。尽管可靠性评估尚未纳入本文提出的模块概念不受影响。
此外,由于缺乏足够的成本数据,本文只针对中国大陆战略和服务寿命预测模型的方法集成到LCC模型。如果足够的财务数据可用,它可以提供更多的决策信息,选择最合适的LCC管理策略的比较。
13。进一步的研究方法
进一步的研究方法提出了LCM流策略在钢梁桥如图8可以进行测试,验证其实用性。提出的验证方法是分为7个阶段从设计阶段到分析阶段。然而,一些关键的重要的数据应该得到调查阶段前LCC分析过程。
(1)成本数据
未来可能的成本数据集合必须提供更多的决策信息,以选择最合适的管理策略。不同类型的未来工作的成本应包括检查、操作、维护、管理、维修、康复、置换、拆迁和失败。
(2)历史数据
收集历史修复或恢复数据可以用来估计任何发生的概率在无法预测的情况下,未来的行动时间适当的退化模型。
(3)恶化机制
钢组件损坏绝对不是独家腐蚀退化和疲劳损伤。在这项研究中,其他因素影响钢梁被忽视的状况。事实上,钢梁的承载力和桥梁支座等其他桥组件的恶化,伸缩缝,概要障碍可以被纳入LCM的策略。拟议的LCM策略可以进一步扩大。
14。结论
技术审核钢结构腐蚀和疲劳模型解决。然而,为了正确地开发一个模块钢桥在特定地区,战略必须考虑一些调整参数的使用寿命预测模型适合地区特点和需要。进一步的调查将对香港环境下不同的实证模型来确定最合适的实证模型进行寿命预测的目的。
提出了一个集成的模块框架帮助利益相关者适当和合理优先考虑他们的未来作品深层的钢梁桥股票,利益相关者可以更好地分配有限的资源。在框架中,腐蚀退化和疲劳损伤预测模型映射与梁的性能条件下偏转,最终时刻和剪切能力,同时和疲劳强度极限。提出了战略上的说明例子钢梁也提供证明其适用性。
承认
支持的工作是财务研究资助委员会的香港特别行政区,中国批准号610505年。
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