基于性能劣化分析的钢桥维护策略优化研究

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1、58世界桥梁2010年第4期基于性能劣化分析的钢桥维护策略优化研究朱劲松1’2，孟会林3(1．天津大学建筑工程学院，天津300072；2．滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)，天津300072；3．河北省道路结构与材料工程技术研究中心，河北石家庄050091)摘要：为保证桥梁的安全性与适用性，同时合理控制全寿命期总成本，在桥梁性能劣化分析的基础上，对钢桥维护策略优化的多目标动态优化方法进行研究。用可靠度指标与状态指标表征桥梁性能状态，考虑环境、荷载及材料特性的影响，提出基于损伤累积的桥梁可靠度指标与

2、状态指标劣化模型；以全寿命成本最小为目标、以可靠度指标和状态指标为约束条件，分别建立加固策略及维修策略的优化模型。通过引入改进的Logistic动态粒子群优化算法结合Monte—Carlo模拟与“乘大数”的惩罚策略实现多目标优化求解。通过对钢拱梁组合体系的天津海河国泰桥主桥运营期维修加固策略进行优化，证明了该方法的有效性和适用性。关键词：钢桥；性能劣化；维护策略优化；可靠指标；状态指标；研究中图分类号：U448．36；U445．7文献标志码：A文章编号：1671—7767(2010)04～0058—051引言多目

3、标优化模型，选择最优的维护策略达到桥梁性桥梁结构投入运营后，在没有任何维修加固的能最优、维修成本最小并满足结构使用寿命的要求，情况下其可靠度指标与状态指标不断下降，导致结并通过对实桥运营期维修加固策略进行优化来证明构处于不安全或不适用的状态。目前已有学者对桥其有效性和适用性。梁的劣化模型及系统可靠度的计算进行了研究。Kong[11提出了双线性劣化模型并研究了预防性维2桥梁结构性能劣化模型护和完全维护策略下桥梁系统可靠度的变化规律；2．1可靠度指标劣化模型曹明兰凹3针对混凝土结构桥梁建立了两段线性劣化桥梁结构劣化模

4、型应该能够反映出材料、荷载模型、四段线性劣化模型、直线曲线型劣化模型以及及环境三方面因素的影响，并且反映出损伤程度及损伤累积过程。桥梁结构损伤主要由活载应力引直线曲线直线型劣化模型；邵旭东口1等提出桥梁服起，应力变化越大损伤程度越大，而决定桥梁系统可役过程中可靠指标的非线性指数劣化模型与状态指靠度的通常是有限部位，只要这些关键部位可靠度标的二次非线性劣化模型。在维护策略上，Min得以保证，整体可靠度就可以保证。基于以上分析，Liu[43分别以全寿命期安全性、适用性及维护成本为本文建立桥梁结构时变可靠度指标计算模型

5、，见独立目标函数，利用多目标遗传算法寻求折中的最式(1)。优维护策略；ChristianBucher[53考虑桥梁安全性、适用性及成本超出临界值的概率建立基于时间及基M—jp0，o≤‘≤厶，、、(1)Po[1一E1·S。·aP-’]t>tl于性能控制的维护策略优化模型；杜江凹1用“预期寿式中，岛为结构初始可靠度指标，假设服从正态分命”作为桥梁维护策略优化的目标，以“单位成本寿布；t为桥梁已通车时间；E，为可靠度指标的环境影命”及“年平均成本”作为效率指标进行决策。响因子，根据桥梁所处位置的空气、温度等确定，E。本

6、文在桥梁性能劣化影响因素分析的基础上建>1；191。为可靠度指标损伤累积系数，根据结构的应立了新的劣化模型，用可靠度指标与状态指标分另0力状态及交通量发展状况确定；t。为初始劣化时间；表征桥梁内在性能及外观状态。该模型考虑环境、S。为等效损伤系数，由式(2)确定。荷载及材料特性的影响，考虑损伤的累积效应，综合S。=∑托竽i一1，2，3，⋯，，z(2)分析后建立基于性能一成本一寿命关系的维护策略收稿日期：2010—03—25基金项目：国家自然科学基金资助项目(50708065)；国家“863”计划资助项目(2007

7、AAllZl33)；教育部高校博士点基金项目资助(20070056125)作者简介：朱劲松(1975一)，男，副教授，1998年毕业于辽宁工程技术大学建筑学专业，获学士学位，2001年毕业于辽宁工程技术大学工程力学专业，获硕士学位，2003年毕业于大连理工大学结构工程专业，获博士学位(E—mail：jszhu@tju．edu．on)。基于性能劣化分析的钢桥维护策略优化研究朱劲松，孟会林59式中，△巩为第i个关键部位的应力幅；厂，为第i个c(￡)一JC。0≤‘≤蛔(5)关键部位材料的屈服强度；7。为相应的综合影响系

8、Co[1一E2D。a2“_‘c1’]t>tcI数，满足∑7。一1。式中，C。为初始状态指标，服从正态分布；t的意义可靠指标劣化到一定程度时需对桥梁进行加固同式(1)；E2为状态指标的环境影响因子，与结构所以提高其可靠度，加固次数由可靠指标劣化情况及处位置的环境状态有关，E。>1；a。为状态指标损伤加固对可靠指标的影响程度确定。多次加固影响下累积系数，与结构的工作状态及交通