大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法及系统

专利名称：大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111478818.0

专利申请（专利权）人：山西交通控股集团有限公司晋城高速公路分公司,武汉理工大学
权利人地址：山西省晋城市城区郜匠村晋城西收费站办公楼

专利发明（设计）人：王成军,梁丽,宋亚楠,李燕,靳波,卢敏,翟鹏,韩向奎,马建萍,刘彭成,宋志红,常娅,车志英,李鑫阳,毛宇,李红,邓育林

专利摘要：一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法，其包括如下步骤：S1、预先获取大跨钢管混凝土拱桥CFST拱肋钢管的材料退化规律；S2、确定服役内各时段CFST承载能力时变可靠度；S3、确定服役内各时段CFST正常使用时变可靠度；S4、建立基于材料退化分析的CFST时变可靠度预测模型；S5、根据可靠度预测模型对大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度进行预测。本发明还提供一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测系统。

主权利要求：
1.一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、预先获取大跨钢管混凝土拱桥CFST拱肋钢管的材料退化规律；
S2、确定服役内各时段CFST承载能力时变可靠度；
S3、确定服役内各时段CFST正常使用时变可靠度；
S4、建立基于材料退化分析的CFST时变可靠度预测模型；所述步骤S4包括：基于最小二乘法原理，对单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压在不同计算模式下的拱肋极限承载能力可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋承载能力极限状态时变可靠度预测模型；基于最小二乘法原理，对钢管和混凝土两者的应力以及主拱圈变形在不同计算模式下的正常使用极限状态可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋正常使用极限状态可靠度预测模型；
S5、根据可靠度预测模型对大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度进行预测，所述步骤S4中所述基于最小二乘法原理，对单管拱肋轴心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压在不同计算模式下的拱肋极限承载能力可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋承载能力极限状态时变可靠度预测模型包括：分别建立承载能力极限状态下单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压承载能力时变可靠度的功能函数包括：（1）单管拱肋轴心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：其中，t为桥梁服役年限；参数a1a5、b1 b4为多项式系数；a1=6.0193；a2=~ ~
1.24384；a3=‑0.31758；a4=0.03368；a5=‑0.00128；b1=7.962e+00；b2=‑0.0336e+00；b3=‑
1.175e‑04；b4=9.8864e‑07；
（2）以单管拱肋偏心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：其中，t为桥梁服役年限；参数a1a5、b1b4为多项式系数；a1=5.8411；a2=~ ~
1.25091；a3=‑0.31921；a4=0.03384；a5=‑0.00128；b1=7.9288e+00；b2=‑0.04196e+00；b3=‑5.407e‑06；b4=4.404e‑07；
（3）以桁式拱肋轴心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：其中，t为桥梁服役年限；参数a1a5、b1b4为多项式系数；a1=5.9901；a2=~ ~
0.9318；a3=‑0.23499；a4=0.02463；a5=‑9.2818e‑04；b1=7.5878e+00；b2=‑0.0401e+00；b3=‑2.093e‑05；b4=5.841e‑07；
（4）以桁式拱肋偏心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：其中，t为桥梁服役年限；参数a1a5、b1 b4为多项式系数；a1=5.5311；a2=~ ~
0.92566；a3=‑0.23263；a4=0.0243；a5=‑9.1386e‑04；b1=7.1653e+00；b2=‑0.0451e+00；b3=‑4.827e‑05；b4=3.3564e‑07；
所述步骤S4中基于最小二乘法原理，对钢管和混凝土两者的应力以及主拱圈变形在不同计算模式下的正常使用极限状态可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋正常使用极限状态可靠度预测模型包括：以正常使用极限状态下拱肋钢管应力为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：其中：t为桥梁服役年限；参数b1b4为多项式系数；
~
b1=2.9298e+00；b2=‑0.00687e+00；b3=3.544e‑05；b4=‑1.6723e‑07；
以正常使用极限状态下混凝土应力为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：其中，t为桥梁服役年限；参
数a1a5、b1b4为多项式系数；a1=4.89592；a2=1.12818；a3=‑0.34758；a4=~ ~
0.04214；a5=‑0.00176；b1=6.31305e+00；b2=‑0.03431e+00；b3=1.0484e‑04；b4=‑
2.0126e‑07；
以正常使用极限状态下主拱变形为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：其中，t为桥梁服役年限；
参数a1a5、b1b4为多项式系数；a1=2.8315；a2=0.76061；a3=‑0.19037；a4=0.01997；
~ ~
a5=‑7.6002e‑04；b1=4.06536e+00；b2=‑0.02805e+00；b3=2.21407e+00；b4=‑6.5404e‑08。
2.如权利要求1所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：通过分析现场测试与材料性能相关的参数，结合材料性能试验，得到拱肋钢管锈蚀速率及预测公式，锈蚀拱肋钢管的力学性能退化规律；
所述通过分析现场测试与材料性能相关的参数包括：结合在役CFST获取材料性能、构件抗力相关的参数，至少包括拱肋钢管锈蚀主要分布部位，锈蚀深度与面积。
3.如权利要求2所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：采用时间离散法，根据构件抗力变化规律特点划分时间段，每若干年分为一个时间段；基于拱肋钢管锈蚀速率及预测公式，锈蚀拱肋钢管的力学性能退化规律，计算各个分散的时间点拱肋钢管混凝土组合轴心抗压强度退化值，分别建立承载能力极限状态下单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压承载能力时变可靠度的功能函数，采用蒙特卡罗法分别得到拱肋各个控制截面的相应可靠度，并比较取各截面可靠度的最小值作为各时段的可靠度。
4.如权利要求1所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法，其特征在于，所述步骤S5包括对桥梁的承载力使用寿命、桥梁的正常使用寿命、桥梁的剩余使用寿命进行预测。
5.一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测系统，其特征在于，其通过如权利要求1至4任一项所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法实现。 说明书 : 大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及桥梁安全监测技术领域，特别涉及一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法及系统。背景技术[0002] 近三十年来，我国钢管混凝土拱桥取得举世瞩目的建设成就，许多大跨钢管混凝土拱桥相继建成，但与此同时，也出现了一些与其快速发展主旋律并不和谐的事故，由此可见，早期兴建的钢管混凝土拱桥或多或少存在局限性，而后期又缺乏必要的养护和维修。随着服役期的增长，桥梁结构中各构件在自然环境及使用环境等的作用下，将发生材料老化、结构损伤，这种累积损伤必然造成结构性能的退化，结构的抗力也将随服役期的增长而衰减，结构的承载能力和正常使用功能受到极大的威胁，使得钢管混凝土拱桥病害时有发生。为了便于对既有桥梁结构进行合理、有效的维修与加固，考虑既有桥梁结构的抗力时变特性，对既有桥梁结构进行可靠度评估非常必要。[0003] 然而，目前对钢管混凝土拱桥可靠度的研究大多数没有考虑桥梁结构材料性能以及结构抗力的退化影响，因此，无法预知服役大跨钢管混凝土拱桥(CFST)真实可靠度及其剩余使用寿命，使得大跨钢管混凝土拱桥(CFST)养护管理缺乏主动性和预防性。众所周知，随着服役期的增长，大跨钢管混凝土拱桥(CFST)结构中各构件在自然环境及使用荷载等作用下，将发生材料老化、结构损伤，这种累积损伤必然造成结构性能的退化，结构的抗力也将随服役期的增长而衰减，结构的承载能力和正常使用功能受到极大的威胁，使得钢管混凝土拱桥病害时有发生。因此，基于钢管混凝土拱桥桥梁材料退化规律与桥梁结构承载力退化规律，通过探讨出钢管混凝土拱桥结构可靠度随时间的衰变规律及其剩余寿命的预测方法，建立基于钢管混凝土拱桥桥梁材料退化与结构可靠度衰变预测的桥梁预防性养护模型，对提高我国钢管混凝土拱桥养护管理水平具有重要意义。发明内容[0004] 有鉴于此，本发明提供一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法及系统。[0005] 一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法，其包括如下步骤：[0006] S1、预先获取大跨钢管混凝土拱桥CFST拱肋钢管的材料退化规律；[0007] S2、确定服役内各时段CFST承载能力时变可靠度；[0008] S3、确定服役内各时段CFST正常使用时变可靠度；[0009] S4、建立基于材料退化分析的CFST时变可靠度预测模型；[0010] S5、根据可靠度预测模型对大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度进行预测。[0011] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0012] 所述步骤S1包括：通过分析现场测试与材料性能相关的参数，结合材料性能试验，得到拱肋钢管锈蚀速率及预测公式，锈蚀拱肋钢管的力学性能退化规律；[0013] 所述通过分析现场测试与材料性能相关的参数包括：结合在役CFST获取材料性能、构件抗力相关的参数，至少包括拱肋钢管锈蚀主要分布部位，锈蚀深度与面积。[0014] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0015] 所述步骤S2包括：[0016] 采用时间离散法，根据构件抗力变化规律特点划分时间段，每若干年分为一个时间段；基于拱肋钢管锈蚀速率及预测公式，锈蚀拱肋钢管的力学性能退化规律，计算各个分散的时间点拱肋钢管混凝土组合轴心抗压强度退化值，分别建立承载能力极限状态下单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压承载能力时变可靠度的功能函数，采用蒙特卡罗法分别得到拱肋各个控制截面的相应可靠度，并比较取各截面可靠度的最小值作为各时段的可靠度。[0017] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0018] 所述步骤S3包括：[0019] 分别建立钢管和混凝土应力以及主拱圈变形正常使用极限状态的功能函数，采用蒙特卡罗法得到各时段CFST拱肋正常使用极限状态可靠度。[0020] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0021] 所述步骤S4包括：[0022] 基于最小二乘法原理，对单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压在不同计算模式下的拱肋极限承载能力可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋承载能力极限状态时变可靠度预测模型；[0023] 基于最小二乘法原理，对钢管和混凝土两者的应力以及主拱圈变形在不同计算模式下的正常使用极限状态可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋正常使用极限状态可靠度预测模型。[0024] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0025] 所述步骤S4中所述基于最小二乘法原理，对单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压在不同计算模式下的拱肋极限承载能力可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋承载能力极限状态时变可靠度预测模型包括：[0026] 所述分别建立承载能力极限状态下单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压承载能力时变可靠度的功能函数包括：[0027] (1)以单管拱肋轴心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0028][0029] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝6.0193；a2＝1.24384；a3＝‑0.31758；a4＝0.03368；a5＝‑0.00128；R1＝0.9998；b1＝7.962e+00；b2＝‑0.0336e+00；b3＝‑1.175e‑04；b4＝9.8864e‑07；R2＝0.9889。[0030] (2)以单管拱肋偏心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0031][0032] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝5.8411；a2＝1.25091；a3＝‑0.31921；a4＝0.03384；a5＝‑0.00128；R1＝0.9979；b1＝7.9288e+00；b2＝‑0.04196e+00；b3＝‑5.407e‑06；b4＝4.404e‑07；R2＝0.9897。[0033] (3)以桁式拱肋轴心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0034][0035] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝5.9901；a2＝0.9318；a3＝‑0.23499；a4＝0.02463；a5＝‑9.2818e‑04；R1＝0.9869；b1＝7.5878e+00；b2＝‑0.0401e+00；b3＝‑2.093e‑05；b4＝5.841e‑07；R2＝0.9995。[0036] (4)以桁式拱肋偏心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0037][0038] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝5.5311；a2＝0.92566；a3＝‑0.23263；a4＝0.0243；a5＝‑9.1386e‑04；R1＝0.9879；b1＝7.1653e+00；b2＝‑0.0451e+00；b3＝‑4.827e‑05；b4＝3.3564e‑07；R2＝0.9994。[0039] 所述步骤S4中基于最小二乘法原理，对钢管和混凝土两者的应力以及主拱圈变形在不同计算模式下的正常使用极限状态可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋正常使用极限状态可靠度预测模型包括：[0040] 以正常使用极限状态下拱肋钢管应力为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0041][0042] 其中：t为桥梁服役年限；参数b1～b4为多项式系数，R为相关系数；b1＝2.9298e+00；b2＝‑0.00687e+00；b3＝3.544e‑05；b4＝‑1.6723e‑07；R＝0.9889。[0043] 以正常使用极限状态下混凝土应力为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0044][0045] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝4.89592；a2＝1.12818；a3＝‑0.34758；a4＝0.04214；a5＝‑0.00176；R1＝0.9878；b1＝6.31305e+00；b2＝‑0.03431e+00；b3＝1.0484e‑04；b4＝‑2.0126e‑07；R2＝0.9985。[0046] 以正常使用极限状态下主拱变形为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0047][0048] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝2.8315；a2＝0.76061；a3＝‑0.19037；a4＝0.01997；a5＝‑7.6002e‑04；R1＝0.9837；b1＝4.06536e+00；b2＝‑0.02805e+00；b3＝2.21407e+00；b4＝‑6.5404e‑08；R2＝0.9925。[0049] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0050] 所述步骤S5包括对桥梁的承载力使用寿命、桥梁的正常使用寿命、桥梁的剩余使用寿命进行预测。[0051] 本发明还提供一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测系统，其通过上述任一项所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法实现。[0052] 有益技术效果：本发明的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法及系统相对于现有技术，通过分析考虑材料疲劳退化的在役钢管混凝土拱桥时变可靠度退化规律，采用最小二乘法数值拟合的方式，建立能适用于大跨钢管混凝土拱桥(CFST)服役期时变可靠度预测模型，预测钢管混凝土拱桥拱肋可靠度的失效年份及其剩余寿命，可为大跨钢管混凝土拱桥(CFST)维修养护决策提供依据。附图说明[0053] 图1是本发明实施提供的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法流程图。具体实施方式[0054] 如图1所示，一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法，其包括如下步骤：[0055] S1、预先获取大跨钢管混凝土拱桥CFST拱肋钢管的材料退化规律；[0056] S2、确定服役内各时段CFST承载能力时变可靠度；[0057] S3、确定服役内各时段CFST正常使用时变可靠度；[0058] S4、建立基于材料退化分析的CFST时变可靠度预测模型；[0059] S5、根据可靠度预测模型对大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度进行预测。[0060] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0061] 所述步骤S1包括：通过分析现场测试与材料性能相关的参数，结合材料性能试验，得到拱肋钢管锈蚀速率及预测公式，锈蚀拱肋钢管的力学性能退化规律；[0062] 所述通过分析现场测试与材料性能相关的参数包括：结合在役CFST获取材料性能、构件抗力相关的参数，至少包括拱肋钢管锈蚀主要分布部位，锈蚀深度与面积。[0063] 结合在役大跨钢管混凝土拱桥(CFST)，深入桥梁现场，实地调查、检测与材料性能、构件抗力相关的参数，主要包括拱肋钢管锈蚀主要分布部位，锈蚀深度与面积等。通过分析现场测试与材料性能相关的参数，结合材料性能试验，得到拱肋钢管锈蚀速率及预测公式，锈蚀钢管的力学性能退化规律。[0064] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0065] 所述步骤S2包括：[0066] 采用时间离散法，根据构件抗力变化规律特点划分时间段，每若干年分为一个时间段；基于拱肋钢管锈蚀速率及预测公式，锈蚀拱肋钢管的力学性能退化规律，计算各个分散的时间点拱肋钢管混凝土组合轴心抗压强度退化值，分别建立承载能力极限状态下单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压承载能力时变可靠度的功能函数，采用蒙特卡罗法(Monte‑CarloMethod)分别得到拱肋各个控制截面的相应可靠度，并比较取各截面可靠度的最小值作为各时段的可靠度。[0067] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0068] 所述步骤S3包括：[0069] 大跨钢管混凝土拱桥(CFST)正常使用极限状态下需要同时考虑钢管和混凝土两者的应力以及主拱圈变形是否满足可靠度指标要求。[0070] 考虑拱肋钢管材料性能的退化，分别建立钢管和混凝土应力以及主拱圈变形正常使用极限状态的功能函数，采用蒙特卡罗法得到各时段CFST拱肋正常使用极限状态可靠度。[0071] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0072] 所述步骤S4包括：[0073] 基于最小二乘法原理，对单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压在不同计算模式下的拱肋极限承载能力可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋承载能力极限状态时变可靠度预测模型；[0074] 基于最小二乘法原理，对钢管和混凝土两者的应力以及主拱圈变形在不同计算模式下的正常使用极限状态可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋正常使用极限状态可靠度预测模型。[0075] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0076] 所述步骤S4中所述基于最小二乘法原理，对单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压在不同计算模式下的拱肋极限承载能力可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋承载能力极限状态时变可靠度预测模型包括：[0077] 所述分别建立承载能力极限状态下单管拱肋轴心受压、单管拱肋偏心受压、桁式拱肋轴心受压、桁式拱肋偏心受压承载能力时变可靠度的功能函数包括：[0078] 单管拱肋轴心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0079][0080] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝6.0193；a2＝1.24384；a3＝‑0.31758；a4＝0.03368；a5＝‑0.00128；R1＝0.9998；b1＝7.962e+00；b2＝‑0.0336e+00；b3＝‑1.175e‑04；b4＝9.8864e‑07；R2＝0.9889。[0081] (2)以单管拱肋偏心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0082][0083] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝5.8411；a2＝1.25091；a3＝‑0.31921；a4＝0.03384；a5＝‑0.00128；R1＝0.9979；b1＝7.9288e+00；b2＝‑0.04196e+00；b3＝‑5.407e‑06；b4＝4.404e‑07；R2＝0.9897。[0084] (3)以桁式拱肋轴心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0085][0086] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝5.9901；a2＝0.9318；a3＝‑0.23499；a4＝0.02463；a5＝‑9.2818e‑04；R1＝0.9869；b1＝7.5878e+00；b2＝‑0.0401e+00；b3＝‑2.093e‑05；b4＝5.841e‑07；R2＝0.9995。[0087] (4)以桁式拱肋偏心受压承载能力极限状态时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0088][0089] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝5.5311；a2＝0.92566；a3＝‑0.23263；a4＝0.0243；a5＝‑9.1386e‑04；R1＝0.9879；b1＝7.1653e+00；b2＝‑0.0451e+00；b3＝‑4.827e‑05；b4＝3.3564e‑07；R2＝0.9994。[0090] 所述步骤S4中基于最小二乘法原理，对钢管和混凝土两者的应力以及主拱圈变形在不同计算模式下的正常使用极限状态可靠度指标随时间的变化曲线进行拟合得到其函数，分别得到不同计算模式下的拱肋正常使用极限状态可靠度预测模型包括：[0091] 以正常使用极限状态下拱肋钢管应力为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0092][0093] 其中：t为桥梁服役年限；参数b1～b4为多项式系数，R为相关系数；b1＝2.9298e+00；b2＝‑0.00687e+00；b3＝3.544e‑05；b4＝‑1.6723e‑07；R＝0.9889。[0094] 以正常使用极限状态下混凝土应力为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0095][0096] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝4.89592；a2＝1.12818；a3＝‑0.34758；a4＝0.04214；a5＝‑0.00176；R1＝0.9878；b1＝6.31305e+00；b2＝‑0.03431e+00；b3＝1.0484e‑04；b4＝‑2.0126e‑07；R2＝0.9985。[0097] 以正常使用极限状态下主拱变形为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下：[0098][0099] 其中，t为桥梁服役年限；参数a1～a5、b1～b4为多项式系数，R1、R2为相关系数；a1＝2.8315；a2＝0.76061；a3＝‑0.19037；a4＝0.01997；a5＝‑7.6002e‑04；R1＝0.9837；b1＝4.06536e+00；b2＝‑0.02805e+00；b3＝2.21407e+00；b4＝‑6.5404e‑08；R2＝0.9925。[0100] 在本发明所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法中，[0101] 所述步骤S5包括对桥梁的承载力使用寿命、桥梁的正常使用寿命、桥梁的剩余使用寿命进行预测。[0102] 本发明还提供一种大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测系统，其通过上述任一项所述的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法实现。[0103] 有益技术效果：本发明的大跨钢管混凝土拱桥时变可靠度预测方法及系统相对于现有技术，通过分析考虑材料疲劳退化的在役钢管混凝土拱桥时变可靠度退化规律，采用最小二乘法数值拟合的方式，建立能适用于大跨钢管混凝土拱桥(CFST)服役期时变可靠度预测模型，预测钢管混凝土拱桥拱肋可靠度的失效年份及其剩余寿命，可为大跨钢管混凝土拱桥(CFST)维修养护决策提供依据。[0104] 假定某桥梁建成年份为2010年，拱肋在设计使用年限内共更换涂装层n1次，每次涂装层失效年限为10年，则根据以上钢管混凝土拱肋的时变可靠度预测模型，可预测钢管混凝土拱肋可靠度失效年份以及剩余寿命，如表1所示。[0105][0106] 表1钢管混凝土拱肋[0107] 时变可靠度预测模型实施方法[0108] 1)承载力使用寿命[0109] 承载力使用寿命根据桥梁结构承载力极限状态下失效模式的可靠度达到目标可靠指标来计算预测，并取最小值作为桥梁的承载力使用寿命。因此，要对拱肋使用寿命进行评估与预测，需先确定可靠性指标的标准，低于此标准时，结构就有可能变得不安全。不仅抗力和荷载模型的精确度会影响可靠度，而且在可靠度分析中无法模拟的因素也会对其产生一定的影响，这样会使得精准的确定目标可靠度标准变得非常困难。依据《公路工程结构可靠度设计统一标准》采用校核法对公路桥梁结构时变分析的目标可靠指标进行校核，具体参见表2。[0110][0111] 表2公路桥梁目标可靠指标[0112] 由表2可知，当结构安全等级为一级、构件破坏类别为延性破坏时，目标可靠度指标为4.7；当结构安全等级为一级、构件破坏类别为脆性破坏时，目标可靠度指标为5.2。大跨钢管混凝土桥梁的拱肋受力主要以受压主，其破坏时延性较差，因此，偏安全取拱肋结构的目标可靠度指标为5.2。[0113] 上节对拱肋承载能力极限状态的可靠度分析可得，从桥梁服役0年到桥梁服役100年，单管轴压状态下拱肋承载能力极限状态可靠度指标在桥梁服役74年时小于5.2；单管偏压状态下拱肋承载能力极限状态可靠度指标均在桥梁服役69年时小于5.2；桁式轴压状态下拱肋承载能力极限状态可靠度指标均约在桥梁服役60年时小于5.2；桁式偏压状态下拱肋承载能力极限状态可靠度指标均约在桥梁服役47年时小于5.2。考虑四种计算模式下的最不利情况，可以确定在晋城工业大气环境下，该桥拱肋承载力使用寿命T＝47年。[0114] 2)正常使用寿命[0115] 正常使用寿命根据桥梁结构正常使用极限状态下应力、变形等计算可靠度达到目标可靠指标来计算预测。[0116] 参考国内外各种结构构件目标可靠指标的建议值，混凝土简支梁桥正常使用极限状态的临界可靠指标β值按下表3取用。[0117]安全成本 目标可靠指标β低 β＝1.3中 β＝1.7高 β＝2.3[0118] 表3桥梁设计期内的目标可靠指标[0119] 尽管由于正常使用极限状态不满足并不意味着桥梁不能使用或者其不安全，但正常使用极限状态的目标可靠度太低，也会增大桥梁运行风险。对于大跨钢管混凝土拱桥，一旦发生破坏，其造成的损失较大，本报告将正常使用的目标可靠度指标β值取为2.3。[0120] 上节对拱肋正常使用极限状态的可靠度分析可得，从桥梁服役0年到桥梁服役100年，拱肋钢管应力正常使用极限状态可靠度指标在桥梁服役100年时仍大于2.3；拱肋混凝土应力正常使用极限状态可靠度指标在桥梁服役100年时仍大于2.3；主拱变形在正常使用极限状态下可靠度指标在桥梁服役66年时小于2.3。因此，为了满足正常使用极限状态下拱肋可靠度指标要求，可以确定在晋城工业大气环境下，该桥拱肋承载力使用寿命T＝66年。[0121] 3)剩余寿命预测[0122] 以上拱肋使用寿命的分析结果是假设桥梁结构在没有任何正常维护的前提下得出的。一般来说，在使用过程中，桥梁结构应该进行正常维护，对于钢管混凝土拱肋，影响其使用寿命的主要因素是钢管涂装层失效导致的钢管锈蚀，因此，应当根据拱肋钢管涂装层失效状况，定期更换涂装层。[0123] 假定该桥梁拱肋在设计使用年限内共更换涂装层n1次，每次涂装层失效年限为10年，则根据以上钢管混凝土拱肋的时变可靠度分析结果，可预测钢管混凝土拱肋可靠度失效年份以及剩余寿命，如表4所示。[0124][0125] 表4拱肋剩余寿命预测[0126] 根据建立的钢管混凝土拱桥拱肋时变可靠度指标退化曲线模型及相应的曲线方程，预测钢管混凝土拱桥拱肋可靠度的失效年份及其剩余寿命，可为大跨钢管混凝土拱桥(CFST)维修养护决策提供依据。[0127] 以上，包括本发明实施例的方法及系统不局限于具体实现实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

专利地区：山西

专利申请日期：2021-12-06

专利公开日期：2024-09-10

专利公告号：CN114154221B