鋼管混凝土ansys命令流

碳纖維加固橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測摘要：提出了一種針對老化橋梁的健康監(jiān)測的可靠性方法。首先，根據(jù)橋梁的類型提出了臨界失效標(biāo)準(zhǔn)。然后基于這些標(biāo)準(zhǔn)定義安全界限。假定大量的失效標(biāo)準(zhǔn)是正態(tài)分布的隨機(jī)變量?；谶@樣的假設(shè)，基本可靠性指標(biāo)和基本失效概率為每個關(guān)鍵失效模式估計(jì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基本失效概率值，橋梁系統(tǒng)失效概率值按這段時間考慮計(jì)算。最后，用系統(tǒng)失效概率來獲得橋梁系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。系統(tǒng)的可靠性指數(shù)用來表達(dá)的橋梁在使用期間的狀況較為片面。選擇斯里蘭卡國家鐵路橋網(wǎng)絡(luò)的一座鐵路橋梁作為一個案例研究來說明該可靠度程序。對于這座橋，失效的最重要的形式是疲勞和腐蝕。應(yīng)用程序的建議方法表明，橋梁在現(xiàn)有負(fù)載的情況下的現(xiàn)狀是令人滿意的。對可靠性的預(yù)測,不是為了抵御破壞，而是一種對基礎(chǔ)設(shè)施管理進(jìn)行有效的積極的健康監(jiān)測方式。關(guān)鍵字：碳纖維結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測狀態(tài)評估維護(hù)可靠性指標(biāo)失效概率1、介紹在當(dāng)今迅速變化的世界中，人類的生活質(zhì)量和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展依賴于基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量、質(zhì)量、和有效性［1］。在世界各國，民用基礎(chǔ)設(shè)施通常是需要維護(hù)的，康復(fù)，或更換的⑵。特別是對基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成一個相當(dāng)大的投資的高速公路和相關(guān)的地面運(yùn)輸系統(tǒng)，直接影響到一個國家的工業(yè)產(chǎn)值。目前大多數(shù)橋梁養(yǎng)護(hù)策略基于由橋梁檢查員在不同時間間隔進(jìn)行的視覺檢查⑶。由于人類檢測取決于個人檢查員，其結(jié)果存在一定程度的不確定性。因此，絕對的依賴檢驗(yàn)報(bào)告是不可靠的，而且可能導(dǎo)致錯誤的決策和橋梁擁有者的高維護(hù)成本?；跇蛄旱氖Ｓ嗍褂脡勖S護(hù)成本的優(yōu)化。另一方面，橋梁的檢查員發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化缺陷，破壞和惡化過程的能力不應(yīng)該被忽視。事實(shí)上，人類經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該被納入維護(hù)決策，但要有足夠的主觀的知識。只在那時,任何可接受的戰(zhàn)略才能成為可能。當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法存在許多缺點(diǎn)和普遍的不確定性。對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和橋梁維護(hù)的知識不足造成由于頻繁的維護(hù)活動,不可預(yù)見的橋梁損害,和偶然的橋梁失效引起的重大的經(jīng)濟(jì)損失。這些在金融，科學(xué)和其他資源方面的損失對于任何一個國家來說都是不可接受的。涉及橋梁養(yǎng)護(hù)的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測和一般健康監(jiān)測的復(fù)雜性激勵研究者們制定出針對橋梁維護(hù)中的壽命預(yù)測和成本優(yōu)化的通用方法。因此，任何針對健康監(jiān)測和維護(hù)提出的方法應(yīng)該基于現(xiàn)場研究的結(jié)果，這個結(jié)果能被實(shí)踐中的工程師所接受所理解。由于有許多不確定性存在于在現(xiàn)代程序方法中，在確定的方法中概率的方法是有利的。在這情況下，基于可靠性的方法能夠提供一個合理的方法來有效地利用稀缺資源，同時在結(jié)構(gòu)的整個使用壽命中保持規(guī)定的可靠性水平［4］。2、方法2.1數(shù)學(xué)程序橋梁失效取決于許多與橋的類型相關(guān)的關(guān)鍵失效模式。對于鋼橋,疲勞是占主導(dǎo)地位的失效模式。但也有一個相當(dāng)大的腐蝕對在鋼橋使用壽命期內(nèi)產(chǎn)生影響。鋼筋混凝土橋梁受到彎矩和剪力的影響。因此，人們根據(jù)橋的類型提出了關(guān)鍵失效模式這個概念。這些失效模式定義了評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況的數(shù)學(xué)過程。以安全保證極限Mi定義橋梁失效的第i個模式定義為：Mi=ZRt-Zs,i=11tft（1）其中ZRi是材料強(qiáng)度變量，ZSi是荷載變量，當(dāng)ZRi>ZSi時，橋梁處在安全狀態(tài)，當(dāng)ZRi<ZSi時，橋梁處于失效狀態(tài)如果獲得抗力變量和荷載變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差已知，可靠指標(biāo)可由下式求得：在公式（2）中pZRi和oZRi表示抗力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，pZSi和oZSi表示荷載的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差?？煽慷戎笜?biāo)是用安全極限的平均值和安全極限的標(biāo)準(zhǔn)差的離散程度來表達(dá)橋的狀態(tài)，一般來說，可靠度指標(biāo)越高，橋的狀況越好，這里假設(shè)強(qiáng)度和荷載變量都服從正態(tài)分布。變量服從正態(tài)性的假定在保持一定精度情況下簡化了可靠度指標(biāo)的計(jì)算。如果可靠度指標(biāo)已知，失效概率可有下式求得：*=就-盼.…也 （3）其中①是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分布函數(shù)，將等式（2）帶入等式（3）可得失效概率的物理意義是表達(dá)失效概率如何關(guān)閉，因此失效概率越高暗示著失效的可能性越大。對于每一個失效模式(i=1,2,,,n),根據(jù)方程(4),基本的可靠性指數(shù)和基本的失效概率都能計(jì)算出來。下一步是計(jì)算系統(tǒng)的失效概率。橋?qū)嶋H的失效可以歸因于幾個失效模式。因此，必須建立一個系統(tǒng)模型。在這種情況下,它假定所有失效模式與一系列系統(tǒng)相聯(lián)系的。因此，系統(tǒng)的失效概率可以通過文獻(xiàn)［6刀介紹的一個簡單的界限計(jì)算出來。其中n種不相關(guān)的模式代表(5)式的下界和n中相互關(guān)聯(lián)的模式代表(5)式的上界，已知系統(tǒng)的失效概率以后,可以通過文獻(xiàn)［6刀來計(jì)算出系統(tǒng)的可靠度可以使用系統(tǒng)的可靠度指標(biāo)來表達(dá)橋的現(xiàn)狀。在上式方程中可以計(jì)算出橋梁系統(tǒng)在任何時刻的可靠度指標(biāo)。2.2可靠度的計(jì)算過程的圖表表示可靠性研究過程如圖1所示。在合適的時間間隔情況下，可以遵循圖1中的過程來計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。這個值與橋梁的目標(biāo)可靠性指標(biāo)相比較。目標(biāo)可靠性指標(biāo)是橋梁失效的最低的允許值。如果指標(biāo)的當(dāng)前值高于目標(biāo)值,不需要進(jìn)行專業(yè)維護(hù)。然而，在這個階段，最好進(jìn)行常規(guī)的維護(hù)。當(dāng)目前的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)高于目標(biāo)可靠性指標(biāo)，應(yīng)該通過專業(yè)維護(hù)來增加當(dāng)前可靠度指標(biāo)值使其大于目標(biāo)可靠性指標(biāo)。決定失效模式的類型

圖一可靠指標(biāo)算法流程圖2.3目標(biāo)可靠性指標(biāo)目標(biāo)可靠性指標(biāo)的值被不同的研究者使用。美國國家協(xié)會和高速路運(yùn)輸官員基于可靠性的使用的方法對鋼橋的剩余壽命進(jìn)行規(guī)范管理。在本指南,考慮兩個水平的風(fēng)險(xiǎn)。強(qiáng)度儲備大的橋,可靠性指數(shù)取為2.0。強(qiáng)度儲備小的橋,可靠性指數(shù)取為3.0［5］］。在這項(xiàng)研究中，目標(biāo)可靠性指標(biāo)的值取為3.0。2.4系統(tǒng)可靠性指標(biāo)自然狀態(tài)下，橋梁系統(tǒng)可靠性指標(biāo)隨時間的推移而降低。然而,它在初始時期是個常數(shù)值。這一時期的長短取決于橋本身的狀況和所處的環(huán)境條件。通過適當(dāng)?shù)木S護(hù)活動中,橋梁的使用壽命可以延長到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過橋的設(shè)計(jì)使用壽命。隨著時間變化和維護(hù)活動的有無系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的變化如圖2所示。最初，施工后可靠性指標(biāo)60有一個較高值（＞6）并且時間T1內(nèi)保持不變。T1之后，可靠性指數(shù)開始減少。在這期間，主要研究可靠性指標(biāo)a的降低率。a的值依賴于特定的橋的退化過程。例如，位于沿海環(huán)境鋼桁架橋的a高于位于內(nèi)陸鹽環(huán)境觸發(fā)鋼腐蝕的鋼橋。當(dāng)可靠性指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)可靠性指標(biāo)（6target）時，應(yīng)采取某種形式的維護(hù)措施來保證橋梁的安全。這將增加可靠性指標(biāo)的數(shù)量△6?！?的存在是伴隨著一定的增加成本。因此,它通常是伴隨著維護(hù)活動對可靠性指標(biāo)的增加進(jìn)行必要的優(yōu)化。處于大修下的基本維護(hù)活動可靠性指數(shù)增加較日常預(yù)防維護(hù)活動高。在T3時間段內(nèi)可靠性指標(biāo)的增長是常數(shù)。在那之后,可靠性指標(biāo)再次降低以一個角度為（a-6）6取決于維護(hù)活動，稱為惡化率的降低。它在T4時期內(nèi)有效果。之后，其降解率又變回a。當(dāng)可靠度指標(biāo)再次達(dá)到目標(biāo)可靠度時，應(yīng)該進(jìn)行維護(hù)來提高結(jié)構(gòu)的安全性。SystemreliabilityindexFTBWlt*Figure2SysLsmroliabilfLyvarialioncfalypiealbridge..3、案例研究應(yīng)用作為一個案例研究,選擇鋼桁架橋，作為可靠性模型來建模。在這個案例中，疲勞和腐蝕是最主要的失效形式。當(dāng)橋梁的一個構(gòu)件承受循環(huán)往復(fù)荷載時，它是因疲勞而失效。一般來說,疲勞被認(rèn)為是鋼橋的重要失效模式之一。如上所述，一個構(gòu)件的失效可以使用如下公式來進(jìn)行可靠性來建模：其中M是構(gòu)件疲勞失效的安全極限，也是衡量構(gòu)件失效的標(biāo)準(zhǔn)。Nf是加載在橋梁材料上的總壓力的循環(huán)次數(shù)。Nn橋梁使用到現(xiàn)在承受的壓力循環(huán)次數(shù)。假定這兩個變量服從正態(tài)分布曲線。當(dāng)Nf>Nn,M1>0,構(gòu)件處在安全區(qū)域內(nèi)。如Nf<Nn,M1<0,構(gòu)件處在失效區(qū)域內(nèi)。根據(jù)以上求出的值，第一種模型的可靠度指標(biāo)能夠通過下式求得I加=懺心 （力J（吭+或）在這里,M和0N是變量N平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。同樣pn和。Nn是變量N平均值和標(biāo)準(zhǔn)差［6；。通過等式（8）已知可靠度指標(biāo)，然后可以求出遭受疲勞荷載的構(gòu)件的失效概率。失效概率由下式求出［6,7］:其中①是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。腐蝕是鋼橋的另一種失效形式。對于腐蝕，可靠性模型可以基于鋼筋截面積提出如下：其中M2是當(dāng)前腐蝕失效模式的安全界限，（As）current表示當(dāng)時考慮的鋼筋截面面積，（As）required表示橋在負(fù)載時的鋼筋截面積。當(dāng)（As）current>（As）required,M>0時，橋梁處于安全狀態(tài)下。當(dāng)（As）current<（As）required,M<0時，橋梁處于失效狀態(tài)下。假設(shè)這兩個變量都服從正態(tài)分布。根據(jù)這兩個變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，腐蝕失效的可靠性指標(biāo)可以表示為:

已經(jīng)把變量M轉(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)正太分布變量，失效概率和可靠度指標(biāo)的關(guān)系可以表示為：如果已經(jīng)找到這兩個變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，那么腐蝕失效的概率就能計(jì)算出來。腐蝕可以計(jì)算失敗。因此，疲勞和腐蝕的可靠性指標(biāo)可以用來求得系統(tǒng)失效概率如方程(5)和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)如方程(6)。諾瓦克和斯?jié)伤苟鳎?］研究了疲勞和腐蝕模型。在疲勞方面，使用與2.1節(jié)介紹的相同的可靠性模型。對腐蝕的影響,研究了低、中、高三種腐蝕速率。他們對彎矩和剪力的影響已經(jīng)被考慮進(jìn)去了。然而，疲勞和腐蝕的組合效應(yīng)影響沒有進(jìn)行詳細(xì)研究。這座被選擇研究的橋是位于斯里蘭卡最長和最繁忙的鐵路橋梁，它橫跨緊鄰首都科倫坡的凱拉尼河的兩岸，長160米。這是一個沃倫桁架八跨橋，橋上通行雙車道類型桁架和半鐵路貨車。橋墩是由鑄鐵做的沉箱其中填充混凝土做成。這座橋是由英國工程師建于1885年，之后進(jìn)行了一些修改。如圖3所示的視圖是現(xiàn)在這座橋的圖片。表1隨著時間的推移,橋上通行的列車數(shù)量的遞增。選中的橋由屬于不同裝置的不同形狀和截面的構(gòu)件組成。對橋的結(jié)構(gòu)分析,最重要的是要確定這些設(shè)置的不同，以至于在不同的構(gòu)件設(shè)置下能夠很容易的解釋出橋梁在荷載作用下的反應(yīng)。圖4是不同構(gòu)件設(shè)置下桁架的立面圖，圖5是橋梁的平面圖，其相應(yīng)的構(gòu)件系列也定義了。這兩組數(shù)據(jù)給出了表1列車數(shù)量隨時間的變化表時間列車數(shù)量/天1995-現(xiàn)在801985-1995721975-1985641970-1975561950-1970421930-1950321910-1930241985-191020圖1所研究橋梁的照片圖4桁架構(gòu)件設(shè)置編號對于疲勞和腐蝕失效在不同構(gòu)件設(shè)置下的當(dāng)前基本可靠度指標(biāo)構(gòu)件設(shè)置疲勞可靠度指標(biāo)腐蝕可靠度指標(biāo)第1組（主梁）9.608.00第3組（主梁）7.308.00第4組（主梁）4.337.50第8組（十字交叉梁）4.337.50第9組（鐵軌梁）4.859.00第6組（診斷張力構(gòu)件）7.099.00第7組（診斷張力構(gòu)件）7.129.00第8組（診斷張力構(gòu)件）6.849.00第9組（診斷張力構(gòu)件）6.969.00一些關(guān)于不同的構(gòu)件系列和在橋中獨(dú)特的位置的信息。這些不同的構(gòu)建系列中，有9中與疲勞失效相關(guān)的構(gòu)件系列［9］。這些都是系列2（主梁），系列3（主梁），系列4（主梁），系列8（十字架交叉梁），系列9（鐵軌梁），系列6（對角線張力構(gòu)件），系列7（對角張力構(gòu)件），系列8（對角張力構(gòu)件）和系列9（對角張力構(gòu)件）⑼。3.1結(jié)果考慮橋的如表1所示加載歷史情況下，失效的第一種模式（疲勞），當(dāng)前可靠性指標(biāo)已計(jì)算出并總結(jié)在表2中。同樣，在當(dāng)前腐蝕的條件下，橋也被研究過。在此檢查的基礎(chǔ)上,各個構(gòu)件的基本可靠性指標(biāo)能求出并展示在表2中。運(yùn)用此文所介紹的方法，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)能被計(jì)算出來，如表3所示。綜上所述，就可以得出結(jié)論,當(dāng)前所有構(gòu)件系列是安全的，因?yàn)樗鼈兊乃袠?gòu)件系列的可靠指標(biāo)值高于目標(biāo)的可靠指標(biāo)值（3.0）。然而，一些構(gòu)件的可靠性指標(biāo)相比其他構(gòu)件較低。這些成員的腐蝕程度應(yīng)該給予監(jiān)測和應(yīng)該不斷地檢查疲勞積累。一旦這些值達(dá)到目標(biāo)可靠性指標(biāo)的值，用新構(gòu)件代替他們的時候到了。研究成果已應(yīng)用于現(xiàn)有的橋梁和基于結(jié)果估計(jì)壽命也達(dá)到了滿意的效果。該方法可以應(yīng)用于橋的壽命估算。繪制系統(tǒng)可靠度指標(biāo)隨著時間的變化趨勢圖能夠預(yù)測不同的構(gòu)件系列的橋梁剩余使用壽命。4、結(jié)論本研究關(guān)注于如何用可靠性指標(biāo)來估算鑄鐵橋梁的健康狀況。為了制定該指數(shù)，選用疲勞和腐蝕作為其關(guān)鍵的失效模式?；谶@些失效模式提出了可靠度模型。使用這個指標(biāo)，鑄鐵橋的失效概率能夠被求出并用于表達(dá)橋梁的現(xiàn)狀。選擇斯里蘭卡國家鐵路網(wǎng)作為一個案例進(jìn)行研究。人們發(fā)現(xiàn)盡管腐蝕的跡象已經(jīng)出現(xiàn)在橋中，當(dāng)前橋的狀態(tài)還是令人滿意的。根據(jù)本文中所提出的理論，可以對鑄鐵橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和健康監(jiān)測。致謝本文作者非常感謝斯里蘭卡國家自然科學(xué)基金的資金支持。研究編碼：NSF/SCH/2005/02andRG/2002/E/01.參考文獻(xiàn)Kong,J.S.andFrangopol,D.M.(2004).Costreliabilityinteractioninlifecyclecostoptimizationofdeterioratingstructures.JournalofStructuralEngineering,130(11),1704-1712.Kong,J.S.andFrangopol,D.M.(2004).Predictionofreliabilityandcostprofileofdeterioratingbridgesundertimeandperformance-controlledmaintenance.JournalofStructuralEngineering,130(12),18651874.Sommer,A.,Nowak,A.S.andChristensen,P.T.(1993).Probabilitybasedbridgeinspectionstrategy.JournalofStructuralEngineering,119(12),35203536.Estes,A.C.andFrangopol,D.M.(2005).Loadratingversusreliabilityanalysis.JournalofStructuralEngineering,131(5),843847.Yang,J.andDewolf,J.T.(2002).Reliabilityassessmentofhighwaytrusssignsupports.JournalofStructuralEngineering,128(11),142-91438.Christensen,P.T.