病害混凝土橋梁承載能力評定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及橋梁工程技術領域，具體涉及一種病害混凝土橋梁承載能力評定方 法。
【背景技術】
[0002] 我國公路橋梁正處在高速建設時期，截至2013年低，全國公路橋梁共有73. 53萬 座，其中混凝土橋梁約占總數的90%，且每年以2萬余座速度興建。但基于我國基本國情， 病害混凝土橋梁的主要特點：早期建造的橋梁，設計荷載等級低、施工質量差；沿海地區橋 梁，氯鹽腐蝕作用導致鋼筋銹蝕、混凝土保護層層離或剝落等一系列耐久性問題嚴重；超載 超限運營現象突出，使得即使按新標準設計的橋梁也產生成大量的耐久性和疲勞病害損傷 問題。另外，對已經投入運營的公路橋梁檢測養護技術力量和資金投入相對滯后。這些因 素不可避免地導致很多病害混凝土橋梁"帶病運營"，存在較大的安全隱患，有必要對病害 混凝土橋梁制定安全、可靠、合理的承載能力評定方法。
[0003] 目前，國內對在役橋梁承載能力的評定主要技術方法是依據《JTG/TJ21-201L公 路橋梁承載能力檢測評定規程[S]》，按待評估橋梁主要技術指標的檢測結果和相應評定標 準，進行承載能力評估。該評估技術存在的主要問題有：該方法是一種基于在役橋梁狀況檢 測結果并結合承載能力極限狀態計算原理的確定性"定值評估法"，忽略了反映在役橋梁結 構損傷狀況的檢測技術指標如：混凝土強度，保護層厚度、碳化深度、氯離子含量等因素的 隨機性和評估等級劃分的模糊性對給檢測評估結果帶來的不確定性影響，進而導致承載能 力評估結果波動性大、可靠性低、人為主觀因素強；同時，還需要結合橋梁荷載試驗，以此確 定橋梁結構在試驗荷載下的結構反應，具有試驗費用高、周期長以及工作任務繁瑣的局限 性，甚至要進行交通管制，給日常交通秩序帶來不利影響。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中對病害混凝土橋梁承載能力的評定過程存在的，因各種不確定性 因素的隨機性變化和評定等級劃分的模糊性而給評定結果造成很大影響、使評定結果不準 確的技術問題，本發明提供了一種基于概率統計理論和模糊綜合評判理論的病害混凝土橋 梁承載能力評定方法。
[0005] 本發明技術方案的思想在于：應用概率統計理論和模糊綜合評判理論并結合常規 橋梁病害檢測技術對病害混凝土橋梁承載能力進行評定，首先，將病害混凝土橋梁的病害 指標對承載能力影響程度定義為承載能力分項驗算系數，對橋梁承載能力計算公式進行修 正，以此反映從在役病害混凝土橋梁實際承載能力；其次，設定影響在役病害混凝土橋梁承 載能力檢算評估中的各種不確定性因素(包含：病害指標、材料性能、截面幾何參數以及承 載能力分項驗算系數）均服從正態分布或對數正態分布的隨機變量；最后，基于實際病害指 標的檢測結果和數理統計基礎上，應用montecarlo(蒙特卡羅）隨機仿真計算和模糊綜合 評定原理，對病害混凝土橋梁承載能力建立檢算評定模型，模擬得到與承載能力近似的對 數正態分布規律，即：R~LN( #α)，并計算出95%保證率的承載能力檢算評定結果。
[0006] 本發明采用的技術方案如下： 設計一種病害混凝土橋梁承載能力評定方法，包括下列步驟： (1) 采用常規橋梁病害檢測方法對待檢測的病害混凝土橋梁典型病害指標U={Ul，u2， u3· · ·ιιια} = {裂縫寬度七、裂縫長度與截面尺寸比值u2、構件表面損傷率u3、混凝土強度 u4、混凝土碳化系數u5、保護層厚度系數u6、氯離子含量u7、混凝土電阻率us、鋼筋銹蝕電位 u9、混凝土剝落深度與損傷部位截面最小尺寸比值Ul。}進行檢測，依據實際檢測數據，應用 參數估計和K-S分布假設檢驗，進行正態分布和對數正態分布假設檢驗，并計算出各典型 病害指標對應的均值μi和變異系數Si，得到相應概率分布參數（μρδ (2) 根據Ui統計分布參數（μρδ;)，經η次MonteCarlo隨機仿真計算，產生η個介 于W實際檢測值的最大值和最小值之間的隨機數； (3) 將基于概率隨機性和模糊綜合評估的病害指標承載能力檢驗系數Z、基于概率隨機 性和模糊綜合評估的承載能力惡化系數L、基于概率隨機性和模糊綜合評估的混凝土截 面折減系數ξ。、基于概率隨機性的鋼筋截面折減系數L組成反映病害指標對病害混凝土 橋梁承載能力影響程度的承載能力分項驗算系數{Ζ，ξε，ξ。，ls}，并按下述步驟（4)~ (9)對分項驗算系數{Ζ，ξε，ξ。}進行隨機性綜合模糊評估； (4) 將所述病害指標+按下表1組成模糊綜合評估指標體系中評估對象{Ζ，ξyξ。} 的因素集;
(5) 將所述因素集U中~的評價集V分為5個等級，S卩：V={viv2v3v4v5} ={I、II、III、IV、V}，分別對應為良好、較好、較差、差、嚴重五種狀態，并采用梯形分布隸屬函數 μ0〇按下表2進行評價集V模糊分級劃分，對^的η個隨機數進行對應等級的評估模糊 子集，…，ri5}計算；其中梯形分布隸屬函數μ(ι〇為模糊數學中的函數，在此 處應用時按表2的函數參數進行分級，q~q。對應的模糊分級隸屬函數分布圖見附圖1~ 10。
[0007] (6)通過公式I對所述評估對象{Ζ，ξξ分別進行η次模糊綜合評價集B計 算：
式中： BiS{Ζ，ξe，ξ的第i評估等級隸屬程度，i=l、2、3、4、5 ; R為評估對象{Ζ，ξε，ξ。}的模糊關系矩陣； W為評估對象的因素集對應的權重集； (7) 對于步驟（6)計算所得的模糊綜合評價集Β，按公式II采用二次冪加權平均法，對 評估對象{Ζ，ξyξJ分別進行η次綜合平定值D計算，其中De(〇, 5)
式中： B中元素b;對應的評定等級，{viv2v3v4v5} = { 1 2 3 4 5}; (8) 基于步驟（7)計算得到的綜合評定值D，按《JTG/TJ21-2011.公路橋梁承載能力 檢測評定規程[S]》的承載能力檢驗系數、承載能力惡化系數、混凝土截面折減系數計算表 格，插值計算出η個對應綜合評定值D的{Ζ，ξyξ; (9) 對步驟（8)計算出的{Ζ，ξε，ξ。}值，采用正態分布假設檢驗和參數估計，分別計 算出Ζ，ξε，ξ。的均值μ和變異系數δ; (10) 所述分項驗算系數中基于概率隨機性鋼筋截面折減系數ξs的正態分布參數均值 μ按下表3取值，ξs的變異系數δ的取值為〇. 05~0. 15 ;
(11) 將病害混凝土橋梁材料性能、截面幾何參數作為隨機變量，其中材料性能包括混 凝土強度fd和鋼筋強度fs，截面幾何參數包括混凝土截面尺寸^和截面鋼筋面積As; 心、匕、^、1的統計特征參數均值以和變異系數3通過實際檢測數據應用參數估計和K-S假設檢驗進行正態分布或者對數正態分布假設檢驗計算得出，或按《GB/T50283-1999. 公路工程結構可靠度設計同一標準[S]》中既有統計結果取值； (12) 將前述步驟計算所得的承載能力分項驗算系數Ζ、ξ。、和材料性能、截面 幾何參數的概率模型fd、fs、%、As以及（μ、δ)，代入公式III經η次MonteCarlo隨機仿真 計算，得到病害混凝土橋梁關鍵截面實際承載能力；
式中： R為病害混凝土橋梁關鍵截面實際承載能力； R(·)為病害混凝土橋梁關鍵截面實際承載能力檢算函數；fd為基于概率隨機性混凝土強度統計值； fs為基于概率隨機性受力鋼筋強度統計值； §為基于隨機性病害混凝土橋梁截面幾何參數統計值； ^為基于隨機性病害混凝土橋梁關鍵截面鋼筋面積統計值。
[0008] 其中，在所述步驟（12)中，對于普通鋼筋混凝土病害橋梁，其關鍵截面實際承載能 力檢算函數對應為關鍵截面實際正截面抗彎承載能力函數R(·)為： 1) 當關鍵截面為矩截面時，R(·)為 .厶:
其中，X為檢算截面實際受壓區高度： b為截面寬度； 2) 當關鍵截面為"T"型或"I"型時，κ、· ①當
... .:.:1:. ,￡i,
其中：
為"T"或"I"截面腹板寬度，h^"T"或"I"截 面上翼緣厚度，b^"T"或"I"截面上翼緣寬度。務為基于隨機性病害混凝土橋梁截面幾 何參數統計值，其也包含了關鍵截面b、b,、h,等涉及到計算所有梁截面的參數。
[0009] 進一步的，對步驟（12)中計算所得的病害混凝土橋梁承載能力R進行對數正態 分布假設和95%保證率的承載能力R。檢算，承載能力R近似服從R~LN(y〇)的對數正 態分布，概率分布函數為公式IV，并按公式V進行R。檢算：
式中：μ、σ為對數正態分布位置參數；斯懇為標準正態分布反函數。
[0010] 優選的，根據基于montecarlo隨機仿真計算和模糊綜合評定計算得出的承載能 力損失率p，按下表4對待檢測的病害混凝土橋梁作出總體技術狀況評定，作為最終評定 結果，其中： %
式中：Rd為關鍵截面承載能力設計值，
〇
[0011] 其中，所述步驟（6)中的評估對象{Ζ，ξε，ξ。}的模糊關系矩陣R，按公式W構造：
[0012] 所述步驟（6)中評估對象的因素集對應的權重集W按下表5取值，
ο
[0013] 優選的，在以上步驟中所用的參數估計方法均為最小二乘法。
[0014] 優選的，在同一次評定過程中，各步驟中涉及的η的取值對應相等，即步驟（2)、 (5)~（8)、（12)中的η取值相等，且η彡8000,η取值越大越精確，在本發明中一般取值 10000即可。
[0015] 以上所使用的各個公式，如無特別說明