一个新颖的方法来评估恶化的混凝土桥梁的时变系统的可靠性

文摘

桥梁时变系统的可靠性是一个有用的度量评价生命周期的性能恶化的桥梁结构不确定性和下一个有影响力的桥梁养护管理的绩效指标项目。提出了一种基于蒙特卡罗模拟计算方法为评估环境下混凝土桥梁的时变系统可靠性的攻击。方法减少混凝土相关部分和负载变化的影响作用于组件使用有限元素计算程序调查,展览业(混凝土桥梁耐久性分析系统),执行生命周期结构性能的评估。关于系统的可靠性,实用技术搜索结构失效模式也提出了一个程序,SRMCS(由蒙特卡罗模拟系统可靠性),编写基于蒙特卡洛模拟计算和评估恶化的混凝土桥梁的结构体系可靠性。最后,给出了三个算例显示展览业和SRMCS功能。

1。介绍

全世界大部分的桥梁是由混凝土和钢筋,因为他们的成本相对较低(1]。近年来,然而,巨大的压力和恶化已经观察到许多具体的桥梁,主要是由于环境压力如混凝土碳化、氯离子渗透和冻融循环。因此,维护干预其使用寿命期间保持结构的健康是必要的。选择的主要任务和执行一个适当的维护策略恶化混凝土桥梁评估和预测它的生命周期结构性能(2]。为了达到这个目标,计算预测应该是基于概率的,由于固有的随机性反映在结构配置、材料属性、活荷载和不同的环境中。综合考虑时变性能和不确定性是一个有用的措施来评估的寿命性能恶化桥结构和关键性能指标之一的桥梁养护管理计划(3,4]。然而,尽管被广泛接受和使用,目前的技术和方法可能仍然不够准确测量桥梁的时变可靠性有以下原因:()积极的环境对结构性能的影响没有被精确模拟,()结构失效模式(即。,the relationship between the overall structural failure and the individual component failure) is hard to measure; and (各个组件之间的相关系数或失效模式是很难确定的5- - - - - -7]。

因为以前技术和方法的缺点,有限元计算方法——蒙特卡罗simulations-based提出了评估恶化的混凝土桥梁的时变系统的可靠性(8- - - - - -10]。为时变性能,减少混凝土部分和相关方法的变化结构荷载效应进行了讨论。系统可靠性的技术搜索结构失效模式,和蒙特卡罗simulations-based计划,SRMCS,。最后,三个数值例子显示的功能展览业SRMCS和组合的两个项目:()在第一个示例中,钢筋混凝土连续桥梁的时变性能下chloride-induced腐蚀是展览业的评估方法;()在第二个例子中,计算的过程系统可靠性的两层桁架显示SRMCS而言;和()在第三个例子,同一个模型的时变系统可靠性第一个例子是通过结合展览业与SRMCS调查。

2。时变性能

众所周知,结构性能的变化对混凝土桥梁可能显著恶化在整个服务生命周期由于环境攻击(9,10]。也因为个人的电阻组件的时间变异,有必要对时变结构性能的有效方法,通过选择适当的维修计划。

2.1。有限元素方法

一生中遇到的基本问题的评估性能如下:(恶化的材料属性,)减少截面区域,()整体结构性能的变化引起的前两个问题。此外,最后两个问题可以分为钢筋和混凝土部分的减少,单个组件的抗性的恶化,和负载的变化的影响作用于这些组件。本文研究的两个主要问题是混凝土部分的减少由于环境攻击和负载的变化作用于单个组件的影响。

2.1.1。减少混凝土的部分

当考虑减少混凝土部分,需要模拟的精确形状部分,因为它是一个关键因素相关测量实际的还原过程。准确地做到这一点的方法之一是模拟部分采用混凝土边缘的基本单位,因为减少深度混凝土边缘在同一节可能是不相同的,由于不同的环境参数值和其他设计变量之间的具体的边缘。从图可以看出1(一)边缘的数量等于的节点。因此,获得的边缘信息可以从控制节点的坐标。横断面几何属性可以这样计算的节点坐标和三角形分区方法(11,12),通过使用边缘作为基本单元,混凝土部分的还原过程可以被描述为混凝土边缘的运动。具体步骤如下:()钢筋的腐蚀速率与每个具体的边缘通过腐蚀的数值模型,计算()的深度与获得的两个相邻混凝土边缘强化钢的腐蚀速率的两条边,()每条边移动距离等于相应的减少深度沿法线方向和一群新控制节点得到的十字路口混凝土边缘移动,和()剩余的混凝土部分可以生成与原始文件相同的方法。还原过程如图1图包围(b),实线是原始混凝土截面和虚线包围的其余部分。

2.1.2。变化的负载效应

关键问题来源于负载的变化影响作用于单个组件的重量和内力重新分配由于减少了混凝土和钢筋部分。对于一个具体的部分,失去重量的计算类似于通过传统的分析评估。只有两个问题需要修改:)原混凝土的面积部分应被减少混凝土取代部分形成造成的负载向量时失去了重量,()丢失引起的负载重量应该应用于结构恶化原始重量的相反的方向。钢筋和预应力钢部分,不能腐蚀导致的损失重量,因为他们是包裹在混凝土部分的重量生锈是持续作用于结构对其生命周期。内力作用于减少混凝土部分,加强型钢及其预应力部分,需要重新分配结构恶化。减少混凝土截面的内力重分布如图2,在那里,,减少的几何中心,原始,分别和剩余的混凝土部分。和内力作用在减少,剩余的混凝土部分,分别是分解的内力作用于原始的具体部分,基于横截面几何性质的减少,原来,剩余的混凝土部分。因此,负载减少引起的混凝土截面内力是相同的。以类似的方式,加载和减少引起的钢筋和预应力钢部分。最后,负载由于内力重新分配的部分组成,,。

2.2。计算程序:展览业

分析程序的结构时变性能显示在图3。有限元素方法评估恶化的混凝土桥梁的时变性能建立了基于上述关键问题的解决方案。因此,一个程序叫展览业(即。,Concrete Bridge Durability Analysis System) [13)开发利用FORTRAN执行这个方法。这个项目有两个主要功能。第一是模拟物理事件的起始建设完成,可以描述为施工过程分析,第二是评估结构的时变结构的性能极限状态的发生或者完成使用寿命结束时,它可以被定义为退化过程分析。图3显示展览业的流程图。

3所示。系统的可靠性

结构系统可靠性定义安全系统故障的条件下不会发生从概率的角度来看。准确地评估系统的可靠性,有必要遵循一种方法称为“Structure-Component-Structure。“这种方法可以分为两个步骤:()扣除从整体结构到各个组件和(从单个组件)感应总体结构(14]。在第一步中,单个组件的电阻和负载的影响作用于这些组件计算基于结构配置、负载和施工方法。这些单个组件的极限状态函数或失效模式是由相对电阻负载效应相关的方程式并相应组件可靠性评估。在第二步中,搜索所需的结构失效模式是根据总体结构之间的关系和个人组件失败。最后,可以将系统可靠性评估与组件的可靠性和结构失效模式。计算系统可靠性的示意图如图4。在接下来的这一节的一部分,传统的方法计算结构系统可靠性简要回顾。之后,系统可靠性的评估方法与蒙特卡罗模拟和实际结构失效模式提出了搜索技术。

3.1。传统的方法

常用的结构系统可靠性的工程计算方法()的增量方法和()串并联建模方法。

3.1.1。增量方法

增量法(15)是用于搜索结构失效模式,从而制定总体结构的极限状态函数。这种方法的目的是找出系统阻力的表达式的组件电阻。方法确定系统故障模式遵循从初始组件加载路径失败最终系统崩溃,导致一个线性系统故障表达式如(2,16] 失败的函数意味着失败的发生。系数代表的参与th组件的th失效模式;的电阻吗th组件;和加载项失效模式。系统的可靠性表示为(2,16,17] 很明显,(1)是一个系统的极限状态函数,基于系统可靠性的计算直接用积分法或蒙特卡洛模拟。在这种方法中,扣除从结构到组件和组件结构的感应都隐含在搜索的过程中从初始组件加载路径失败最终系统崩溃。这种方法适用于直接估算系统故障的概率和一些简单的结构有关。缺点的方法,然而,是很难找到所有系统失效模式对复杂的结构。因此,很难被应用在评估系统可靠性的复杂的结构。

3.1.2。串并联模型方法

另一个常规方法是串并联建模方法(17]。这种方法的目的是为了简化串并联模型的总体结构。串并联系统的可靠性是一个函数的模型,所有可能的失效模式的可靠性为每个组件的模型,和失效模式之间的相关性10,16,18]。一系列系统有时被称为最薄弱的一环系统,由于系统的故障对应系统中最薄弱的组件的失败(17]。系统故障的概率可以表示为一系列系统 在哪里系统故障的概率和吗的极限状态函数吗组件失效模式。并行系统的失败当它的所有元素失败(17)和系统故障的概率

实际上,大部分的结构应该被视为串联和并联的组合系统。这样的系统被称为混合或组合系统。这种方法提供了一个全面了解的整体结构和各个组件之间的关系,因此,感应组件的结构有效地解决了。此外,扣除从结构组件可以执行通过有限元分析对复杂的结构或校准极限状态函数的简单结构。然而,这种方法的障碍是确定的单个组件失效模式之间的相关性。出于这个原因,假定值的相关系数常用在先前的研究,从而无法保证结果的准确性。

3.2。蒙特卡罗Simulations-Based方法

为了克服传统的方法所涉及的缺陷,蒙特卡罗simulations-based方法提出,它可以分为两个部分:()组件的可靠性计算方法和()结构失效模式搜索技术。第一部分介绍了相关分析推理的结构部件与结构的几何形状和布局有关,其外部负载,以及施工方法。第二部分的目的是为了确定单个组件失败和整体结构之间的关系。

3.2.1之上。组件的可靠性

计算组件可靠性的两个重要成分的极限状态函数和分析方法。极限状态函数之间的差异有关电阻和负载效应(18- - - - - -20.]。基于有限元分析,组件失效模式的状态函数可以通过制定感兴趣的物理量(如弯矩和剪切力)是吗 在哪里代表一组变量对组件失效模式的物理量我和和电阻和负载效应在组件故障模式。因此,结构配置的影响,施工方法,和外部负载和可以通过使用该方法全面考虑。在前一节中提出的有限元素法是用来评估和和几种分析方法可以用来计算组件的可靠性,比如一阶(形式)或二阶矩方法(SORM)。一阶(21),或者更准确地说,二阶(22)方法适用于占电阻和负载之间的相关性影响反映在组件极限状态函数和能有效地估计组件可靠性。另外,蒙特卡罗模拟可以直接执行更准确地评估个人失败的概率。蒙特卡罗模拟选择在此评估组件可靠性,为了更好地结合结构失效模式的搜索技术中引入后者部分。

3.2.2。结构失效模式

确定结构失效模式,最艰巨的任务是确定总体结构和单个组件失败之间的关系来确定单个组件的故障发生时,是否整体结构仍然是安全的(23,24]。在这项研究中,一个实际的搜索技术提出的结构失效模式主要是基于静态不确定性程度的总体结构25]。拟议的技术可以被描述为以下步骤:(1)搜索组件失效模式的子集的几何形状和布局的整体结构。每个子集,由几个组件失效模式,代表一个当地的行为或结构的整体性能。这些子集定义为这样的原因如下:()当地失败可以引起整体结构崩溃,()数量的组件失效模式在当地引发了一个子集失败可能不到一个子集导致系统故障。应该考虑至少一个子集,所有组件包括结构的失效模式,此外,同一个组件失效模式可以同时出现在不同的子集。(2)决定最低程度的静态不确定性结构的基于原始结构的静态不确定性程度和专家建议。最低程度应该是介于0和原来的静态不确定度。(3)确定最小数量的组件发生故障,可以触发本地故障或系统故障在每个子集。最小数量的相关子集,所有组件包括失效模式,应该等于 在哪里的最小数量出现组件故障导致系统故障,是原始的静态结构的不确定性,然后呢是指定的最低程度的静态结构的不确定性。对于其他的子集,可以确定最小的数字在本地配置和专家的建议,同时,他们应小于。

最后,很明显,结构失效模式应该由相关的子集组件失效模式,指定的最低程度的静态结构的不确定性,和最小数量的组件发生故障引发当地的失败或系统的每个子集。在th确定性分析,如果出现组件故障的数量的任何子集等于甚至超过指定的最小数量,整体结构是失败。

两个例子说明显示该结构失效模式搜索技术。第一个例子是一个单层的桁架结构如图5(一个)。桁架是由五个酒吧(组件)和原结构的静态不确定度是1。每个酒吧的拉伸或压缩故障被认为是,因此总组件失效模式5。基于提出的技术,两种不同的结构失效模式可以搜索,只包括一个子集,分别。由子集中的所有组件失效模式的结构。两种结构失效模式的区别是指定的最低程度的静态结构的不确定性。如果最低程度定义为0,组件故障发生的最小数量应该是2的子集。如果需要保守结构构造根据专家建议,然而,最低程度被认为是1。因此,组件故障发生的最小数量是1。在这种情况下,整体结构类似于一系列系统,因为任何组件故障的发生可以触发系统故障。

第二个示例如图5 (b)是一个两层桁架10条(组件)。基于结构力学分析,最初的静态不确定度研究是2,和拟议的技术用于搜索结构失效模式。整体结构可分为两个单层桁架包括酒吧1 - 5和酒吧6 - 10,分别。因此,应该考虑三个子集,组件失效模式包含在这些子集是酒吧1 - 5的拉伸(压缩)失败,酒吧6 - 10,分别和酒吧1 - 10。在这个例子中,可以找到了三种结构失效模式,并在第一个失效模式,最低程度的静态不确定性(即被定义为0。静态确定性是允许的)。因此,最低数量的组件发生故障子集的2,2和3,分别。在第二个失效模式的情况下,最低程度的静态不确定性假设1保守考虑来自专家的建议,和最低数量出现组件故障的三个子集都是相同的2。在这种情况下,因为第三个子集包括所有组件失效模式,其他两个子集都包含在这个子集,子集的数量减少到1。至于第三个失效模式,如果需要更保守考虑,最低程度的静态不确定性被认为是2。类似于第二个结构失效模式,只有子集包含所有组件失效模式是必要的调查及其最小数量的组件发生故障应该是1。 The values of critical parameters encountered in the structural failure modes relating to the abovementioned two examples are summarized in Table1。

蒙特卡罗simulations-based方法建立了系统可靠性评价的基础上,提出结构失效模式搜索技术。因此,一个程序叫SRMCS(由蒙特卡罗模拟系统可靠性)(13),用MATLAB编写了执行这个方法。图6显示了该方法的原理计算系统的可靠性。

4所示。数值例子

三个数值例子显示展览业的功能,SRMCS和两个项目的结合。在第一个示例中,钢筋混凝土连续桥梁的时变性能下chloride-induced腐蚀是展览业的评估方法;在第二个例子中,程序计算系统可靠性的两层桁架用SRMCS显示;在最后一个例子,时变系统可靠性与第一个例子是一样的模型计算了展览业和SRMCS。

4.1。示例1

在第一个示例中,钢筋混凝土连续桥梁的寿命性能图所示7进行了探讨。这座桥,位于中国上海,是一个3×22米箱梁钢筋混凝土连续梁桥与一个单独的盒子。在这项研究中,由于模型桥附近的东海和大气中氯离子的浓度可能相对较高,chloride-induced腐蚀是考虑。主要参数表中列出的值2。应该注意的是,氯离子浓度的不同表面混凝土部分可能是不相同的。由于这个原因,在不同的混凝土氯离子浓度的值边缘确定如表所示3。规定的使用寿命的定义是100年。

图8显示相关降解过程中的三个关键时期所涉及的所有边缘混凝土部分桥中跨中心模型。之间的差异的关键时刻混凝土边缘明显,因为混凝土边缘之间的设计参数的值是不相同的。最短的关键时期出现在边缘7,19日的值22日和24年,因为最低混凝土保护层厚度、氯离子的浓度最高,最大的直径钢筋碰巧出现在这条边。相反,关键的时候边缘18是最长的在所有的边缘混凝土部分。10边缘混凝土的腐蚀起始时间总十八混凝土边缘(即小于100年。,the prescribed service life), and as a consequence, the corrosion of reinforcing steel and concrete cracking have only occurred in the 10 edges. Compared with the concrete edges in exterior surface, the edges of the interior surface have relatively long critical times due to the low concentrations of chloride ion. The corrosion initiation times of all the interior concrete edges are longer than 100 years except edge 14, where the cover thickness is comparatively thin. Since the critical times related to the concrete edges may be significantly different as a result of the various values of the environmental and other design parameters, the conclusion can be drawn that it is necessary to form the concrete section by using its edges as the basic unit based on the above results, when the lifetime structural performance is investigated.

图9显示了时变面积损失率钢筋和混凝土部分的桥中跨中心模型。很明显,钢筋面积损失的部分启动大约19年,对应于图所示的结果8最早的腐蚀起始时间也是19年。从20年腐蚀速率逐渐增加到40年里,由于混凝土边缘七点开始裂纹在此期间加速腐蚀钢筋钢包装在这些具体的边缘。使用寿命结束时,面积损失率的加强钢包装在整个混凝土部分达到70%左右。在具体的情况下,很明显从图9它的部分开始减少约为22年。注意,增加混凝土部分的面积损失率40年后并不重要。这是因为(七点)整个混凝土覆盖边缘都剥落在第一次40年,假设混凝土不继续在这些边缘开裂和()混凝土在只有三条边裂缝和导致减少结核节40年后。最后,混凝土截面的面积损失率约为17.3%在100年。

确定环境攻击一生的影响结构性能,两种时变性能情况下有无环境现在被认为是结构垂直位移的影响。图10显示垂直位移的变化(即两个关键位置。,边跨和middle-span中心)。注意,沿着方向位移设在全球坐标系统被认为是积极的。在第一个10年的结构完成后,垂直位移的变化由于混凝土徐变和收缩非常重要。当环境效应被认为是,时变垂直位移前10年后可以描述如下:(从10年到20年),垂直位移的变化并不明显,因为混凝土蠕变和收缩的影响逐渐疲软和腐蚀起始时间与大多数加固钢超过20年;()从20年到100年,垂直位移的变化逐渐重要又由于减少钢筋和混凝土部分的钢筋腐蚀和混凝土开裂。程度的变化引起的环境效应类似于一个具体的蠕变和收缩引起的。当不考虑环境影响,垂直位移的两个关键位置几乎不变的10年之后。

弯矩和极限阶段现在讨论的弯曲力矩的变化(即两个关键位置。边跨中心和middle-pier顶部)如图11。底部的弯矩导致拉伸应力的混凝土部分被认为是积极的和时变的弯矩在整个使用寿命可以描述如下。在结构完成后的第一个十年,明显的弯曲力矩的变化混凝土蠕变和收缩的结果。如果环境效应被认为是,弯曲力矩的变化在随后的10年和20年到100年是明显和重要,由于同样的原因,垂直位移。当不考虑环境影响,弯曲力矩的变化在两个关键位置是微不足道的10年之后。应该注意到,从这个图,弯曲力矩的变化的两个关键位置与环境影响使用寿命期间不单调。这是因为()的时变位置混凝土截面的中性轴由于减少的部分;()重量的损失引起的混凝土部分的减少;和()再分配引起的内力钢筋和混凝土部分的减少。对于这些结果,弯矩可能增加或减少的生命周期结构。

4.2。示例2

第三个例子,第一个例子如图一样的模型7是用来说明时变系统可靠性的计算与该方法计算时变性能和系统的可靠性。分布类型和相关的随机变量的统计描述符中涉及结构配置、材料属性、活荷载和环境在表中做了总结4根据结构图和相对文献[26]。规定的使用寿命和计算时间单位都假定100年和10年,分别。第二个例子一样,样本数量的蒙特卡罗模拟的定义是200000年。

基于提出的结构分解技术(13),钢筋混凝土箱梁桥分为21个组件,每个跨度与七个组件。极限状态只是这里讨论,因为结构阻力更有可能显著恶化由于钢筋面积损失部分的生命周期结构。当两个组件失效模式、弯曲和剪切失败,考虑在内,组件失效模式的数量是42的总体结构,并为每个跨度如图1412,总结了结构失效模式的关键参数表5。三种结构失效模式可以从模型桥,寻找指定的最低程度的静态不确定性是0,1和2分别。

系统可靠性的变化对不同结构失效模式在整个使用寿命是显示在图13,这表明时变系统可靠性的结构失效模式2和3是相同的。这是因为()最小的单个组件的可靠性失效模式出现在边跨和()是对称的结构。因此,当一个组件失效模式发生在边跨,与另一侧的跨度也出现了。不同结构的系统可靠性失效模式从0到50年显示为虚线,因为他们不能计算(即通过使用规定数量的样品。,200000)。然而,我们关心的是系统可靠性低于容许可靠性指数的变化((即。,in the failure area), which can be evaluated and is shown as solid lines in the figure. The actual system reliability of the overall structure should be between the star-solid line and the circle-solid line, the shadow region of Figure13之间的差异,表明系统可靠性结构失效模式从50到100年逐渐减少。此外,该系统可靠性对所有结构失效模式减少负值的使用寿命。因此,维护干预需要改善结构性能在这的生活。根据系统可靠性,获得适当的维护应用程序时间应该在50年减少到系统可靠性时失败。

5。结论

有限元计算方法——蒙特卡罗simulations-based提出本文评估日益恶化的环境下混凝土桥梁的时变系统可靠性的攻击。方法来解决混凝土部分的减少和结构荷载效应的变化研究了时变性能。对于系统可靠性、小说结构失效模式提出了搜索技术。因此,两个项目,展览业和SRMCS书面执行这些分析时变系统的可靠性可以计算混凝土桥梁恶化。最后,给出了两个例子来演示展览业的功能,SRMCS和两个项目的结合。可以得出以下结论:(1)第一个例子表明,关键时刻的不同变体之间的边缘在一个具体的部分可能是重要的由于设计参数的不同值之间的具体的边缘。这些差异有很大影响恶化钢筋和混凝土部分的桥梁。因此,来模拟真实的还原过程的具体部分,有必要描述混凝土部分通过使用其作为基本单位的优势。(2)从第一个例子中,很明显,性能指标的变化反映了结构可服务性和力量,如结构垂直位移和弯矩,重要是由于混凝土徐变和收缩的影响和减少截面区域的开始和结束服务生活和相关的变异程度serviceability-performance指示器是更重要的比强度性能指标。这是因为减少钢筋和混凝土部分在垂直位移影响很大但是对弯矩的影响不大。此外,由于重要变量如施工过程、混凝土徐变、收缩和减少截面区域和整体结构性能的变化可以测量集体通过使用有限元素方法,混凝土桥梁的寿命性能可以准确地评估暴露于积极的环境。(3)混凝土桥梁的时变系统可靠性与环境攻击可以准确地评估使用蒙特卡罗simulations-based和有限元素方法,因为(a)的相关系数测定单个组件失效模式在该方法不需要;(b)通过使用提出的有限元素评估法,单个组件失效模式的极限状态函数足以获得良好的效果;并根据结构失效模式(c)搜索技术,各个组件之间的关系的失败和整体结构失效可以有效地模拟桥梁的生命周期中负面影响不利的环境条件。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项研究受到了中国浙江省自然科学基金(没有。LQ14E080001)。

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