多源不確定信息下服役RC橋梁可靠性及壽命評(píng)估

多源不確定信息下服役RC橋梁可靠性及壽命評(píng)估橋梁是交通線路的咽喉,我國公路橋梁總數(shù)現(xiàn)居世界首位,已達(dá)73萬余座,其中混凝土橋梁占90%以上。然而,環(huán)境和荷載等因素作用下導(dǎo)致的鋼筋銹蝕問題日益突出,已成為影響橋梁服役安全的主要原因之一。服役橋梁可靠性和壽命過程中涉及多種不確定性因素,這既包括偶然不確定性,又包括認(rèn)知不確定性,忽略不確定性類型的影響可能會(huì)對(duì)評(píng)定帶來較大誤差。為此,本文針對(duì)氯鹽導(dǎo)致的鋼筋銹蝕,重點(diǎn)研究了多源不確定信息下鋼筋混凝土(RC)橋梁可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測方法,主要包括以下幾方面：(1)建立了模型及參數(shù)不確定下服役RC橋梁構(gòu)件抗力預(yù)測及更新模型。橋梁日常實(shí)測信息能反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前服役狀況,結(jié)合橋梁當(dāng)前狀況進(jìn)一步更新抗力,有助于減小不確定性的影響,提高預(yù)測精度。對(duì)從實(shí)橋構(gòu)件和快速腐蝕構(gòu)件中獲得的452根銹蝕鋼筋進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn),構(gòu)建了銹蝕鋼筋強(qiáng)度退化概率模型,通過引入銹蝕損失臨界值來界定鋼筋的失效模式；開展了48根快速腐蝕梁靜載試驗(yàn)和并進(jìn)行了有限元分析,提出了鋼筋與混凝土間粘結(jié)系數(shù)表達(dá)式；綜合考慮均勻銹蝕、局部銹蝕及影響因素的不確定性,采用Bayes方法融入不同時(shí)段的實(shí)測信息,建立了考慮上述因素的時(shí)變抗力退化概率模型；通過與實(shí)橋構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比進(jìn)行了模型驗(yàn)證。(2)提出了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理不確定信息的服役RC橋梁抗力評(píng)估方法。現(xiàn)有實(shí)橋抗力評(píng)估中難以有效利用中間變量的實(shí)測信息；荷載試驗(yàn)是規(guī)范中橋梁評(píng)估的重要方法,但由于不能加載到極限狀態(tài),它不能直接反映結(jié)構(gòu)承載力?？紤]橋梁實(shí)際運(yùn)營狀態(tài),基于快速銹蝕梁試驗(yàn)結(jié)果,改進(jìn)了銹蝕RC梁剛度退化模型；結(jié)合一座正在服役的RC橋梁,根據(jù)已建立的銹蝕鋼筋強(qiáng)度和截面積退化模型,構(gòu)造了包含結(jié)構(gòu)剛度、銹蝕損傷、荷載-撓度響應(yīng)及其它影響因素的貝葉斯網(wǎng)絡(luò),利用馬爾科夫鏈蒙特卡羅模擬方法,通過融入實(shí)橋現(xiàn)場荷載試驗(yàn)的荷載-撓度響應(yīng)來更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了對(duì)服役橋梁抗力的評(píng)估。利用間接信息進(jìn)行更新的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法增強(qiáng)了實(shí)測信息利用程度,為橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)定提供了新思路。(3)發(fā)展了模糊不確定信息轉(zhuǎn)換的服役RC橋梁可靠性分析方法。針對(duì)目前我國橋梁管理系統(tǒng)不完善,一些中小橋梁初始資料缺失,難以獲得完備信息的問題,將不完備信息歸結(jié)為模糊性和隨機(jī)性,模擬了鋼筋銹蝕率和鋼筋強(qiáng)度退化的概率特征,并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了模糊隨機(jī)信息下橋梁構(gòu)件抗力演化分析框架,得到了抗力的時(shí)變特點(diǎn)和截口分布類型；通過隸屬函數(shù)反映小樣本檢測數(shù)據(jù)的模糊特征,基于等概率原理,發(fā)展了將模糊變量變換為當(dāng)量隨機(jī)變量的分析方法,并與傳統(tǒng)的最優(yōu)擬合概率分析方法進(jìn)行了對(duì)比,討論了樣本數(shù)的影響。(4)提出了混合不確定信息量化及服役RC橋梁耐久性壽命預(yù)測方法。保護(hù)層銹脹開裂至一定寬度會(huì)引起銹蝕損傷,針對(duì)結(jié)構(gòu)銹蝕損傷評(píng)估中存在的復(fù)雜不確定性,將銹蝕過程劃分為二階段三個(gè)特征時(shí)刻,分析了銹脹開裂時(shí)間和銹脹開裂至界限寬度時(shí)間的概率特征,討論了銹蝕損傷影響參數(shù)的敏感性；考慮變量參數(shù)的不確定性,采用似然估計(jì)方法處理點(diǎn)數(shù)據(jù)樣本表示的變量,利用信息熵理論處理模糊數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)信息表示的變量,得到了變量分布參數(shù)的概率密度函數(shù),通過引入一種積分的方法進(jìn)而計(jì)算變量的概率密度函數(shù)；結(jié)合本文發(fā)展的混凝土開裂后銹蝕速率計(jì)算方法,建立了結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)耐久性損傷風(fēng)險(xiǎn)概率模型；將所提出的方法應(yīng)用于一座實(shí)橋當(dāng)中,驗(yàn)證了該方法的有效性。(5)提出了裂紋發(fā)展不確定下RC橋梁構(gòu)件腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法。腐蝕和疲勞耦合作用下材料復(fù)合損傷機(jī)理較為復(fù)雜,基于等效初始缺陷尺寸的疲勞壽命分析方法,針對(duì)銹坑根部的裂紋,采用發(fā)展的漸進(jìn)插值分析法來評(píng)估應(yīng)力強(qiáng)度因子；根據(jù)銹蝕觀測和分析結(jié)果,提出了不同銹蝕水平下的應(yīng)力集中因子模型；對(duì)疲勞裂紋發(fā)展模型從等效初始裂紋尺寸到裂紋達(dá)一定寬度進(jìn)行