本發(fā)明涉及一種土木工程結(jié)構(gòu)可靠度演化及剩余壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

為了評估工程結(jié)構(gòu)在全壽命周期(包括設(shè)計、施工、運(yùn)營等階段)中的使用性能，國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)的全壽命分析方法開展了大量的研究。結(jié)構(gòu)使用壽命與材料性能、細(xì)部構(gòu)造、暴露狀態(tài)、劣化機(jī)理等許多因素及其綜合作用有關(guān)，難以量化分析。同時由于綜合作用的影響機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，目前對結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測通常只能考慮某個主要因素，所采用的預(yù)測方法涉及眾多學(xué)科。已有的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測方法，主要基于經(jīng)驗、類比、加速試驗、數(shù)學(xué)理論模型、力學(xué)理論模型、概率分析、結(jié)構(gòu)可靠度理論、灰色理論、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)方面等^[1]，其中可靠度理論是一種理想方法，建立在可靠度指標(biāo)與時間變化關(guān)系的基礎(chǔ)上，認(rèn)為結(jié)構(gòu)可靠度衰減到可接受的最小值或失效概率增大到可接受的最大值的時間，即為結(jié)構(gòu)的使用壽命。

在結(jié)構(gòu)可靠度評估過程中，若能夠充分考慮結(jié)構(gòu)已有的歷史信息(包括荷載歷史、維修維護(hù)歷史、自然劣化狀態(tài)等)，就可以得到更為準(zhǔn)確的當(dāng)前結(jié)構(gòu)承載力更新結(jié)果。在結(jié)構(gòu)運(yùn)營過程中，性能劣化是必然存在的現(xiàn)象，使得考慮性能劣化的結(jié)構(gòu)可靠度修正在結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測中變得尤為重要。此外，實際工程結(jié)構(gòu)中的不確定性因素(如材料離散性、構(gòu)件加工制造誤差、外荷載不確定)也普遍存在，此時若仍采用確定性的理論和方法來計算結(jié)構(gòu)可靠度，必然導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不可靠，與實際情況有較大出入。因此，在結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測中同時考慮不確定性因素的影響是十分必要的。

目前，既有結(jié)構(gòu)可靠性評估及壽命預(yù)測缺乏實時監(jiān)測信息來對計算模型進(jìn)行實時修正，可能導(dǎo)致預(yù)測結(jié)論出現(xiàn)很大的偏差。因此，提出一種能綜合考慮結(jié)構(gòu)歷史外荷載效應(yīng)、性能(抗力)劣化狀態(tài)以及不確定性等因素的可靠度演化及剩余壽命預(yù)測方法，是亟需研究的實際問題。

工程結(jié)構(gòu)從設(shè)計、施工建造到投入使用，再經(jīng)過若干年運(yùn)營后，性能會逐漸退化。結(jié)構(gòu)在施工建設(shè)期，失效的風(fēng)險概率大；在使用期，失效風(fēng)險概率降低；而進(jìn)入老化期后，失效風(fēng)險率又會逐漸提高^[2]。

結(jié)構(gòu)使用階段可靠性分析與設(shè)計階段相比有以下特點(diǎn)^[3][4]，在結(jié)構(gòu)使用若干年后，對未來負(fù)載的估計可以已經(jīng)歷的荷載最大值分布為依據(jù)。當(dāng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件己經(jīng)歷過一些荷載的檢驗且未失效時，就可以確定構(gòu)件所具有的最小抗力值。由于人們還未能對結(jié)構(gòu)抗力有全面、準(zhǔn)確的認(rèn)識，使得抗力計算時仍只能按隨機(jī)變量處理。因此，既有結(jié)構(gòu)的可靠度評估與測量及統(tǒng)計的精度有很大關(guān)系。同時結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境是已經(jīng)客觀存在的，因此材料性能的劣化規(guī)律可以通過試驗統(tǒng)計調(diào)查確定。

考慮抗力隨時間變化的結(jié)構(gòu)可靠度計算比較復(fù)雜。文獻(xiàn)^[5]研究了累積損傷下結(jié)構(gòu)可靠度的分析問題；文獻(xiàn)^[6]研究了結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)均隨時間變化時結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法，文獻(xiàn)^[7]根據(jù)這種隨時間而變的特點(diǎn)提出了動態(tài)可靠度的概念，文獻(xiàn)^[8]用蒙特卡羅的重要抽樣法研究了時變結(jié)構(gòu)的體系可靠度問題。文獻(xiàn)^[9]提出了與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)方法協(xié)調(diào)的考慮抗力隨時間變化的可靠度分析方法，推導(dǎo)出等效抗力的計算公式。文獻(xiàn)^[10]采用離散化的方法，以10年為間隔，進(jìn)行了某橋的準(zhǔn)動態(tài)可靠度計算。文獻(xiàn)^[11]用蒙特卡羅方法進(jìn)行了損傷混凝土橋的使用壽命預(yù)測。文獻(xiàn)^[12]對橋梁樁基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析，但其仍屬于靜態(tài)可靠度計算的范疇。文獻(xiàn)^[13]對公路橋梁鋼筋混凝土構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的可靠度進(jìn)行了分析，但由于采用了中心點(diǎn)法，計算精度不高。

此外，在結(jié)構(gòu)的可靠度評估過程中，若能充分考慮結(jié)構(gòu)已有的歷史信息(包括外荷載歷史、維修維護(hù)歷史、自然劣化等)，就可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)承載力更新結(jié)果。文獻(xiàn)^[14][15][16]采用貝葉斯方法，利用具體信息更新結(jié)構(gòu)抗力分布，即將已有結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)的荷載歷史也作為一種信息，提出“使用荷載驗證”的概念，但未考慮結(jié)構(gòu)性能劣化的影響。文獻(xiàn)^[17]提出了能同時考慮橋梁承載力隨時間衰減歷史及橋梁荷載歷史的承載力更新模型，但需要在結(jié)構(gòu)使用之前假設(shè)結(jié)構(gòu)承載力衰減函數(shù)，對壽命預(yù)測精度影響較大，工程實用性不強(qiáng)。

由前述可知，目前土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度估計和剩余使用壽命預(yù)測方法還存在一些亟待解決的問題：

1)在結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測中未考慮不確定性影響。影響結(jié)構(gòu)安全性能的影響因素多、時間跨度長，期間要受到許多不確定性因素的影響，使得結(jié)構(gòu)可靠度評估勢必會出現(xiàn)概率意義下的偏差，影響壽命預(yù)測準(zhǔn)確度。

2)未綜合考慮結(jié)構(gòu)性能劣化并基于結(jié)構(gòu)的檢測信息來修正和預(yù)測結(jié)構(gòu)的可靠性。目前采用的時變可靠度指標(biāo)只能作為度量結(jié)構(gòu)可靠性的相對指標(biāo)，而在一般檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用和挖掘新信息，實時更新結(jié)構(gòu)可靠性，則是一種動態(tài)的思路，更接近工程實際情況。

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技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述問題，提供一種土木工程結(jié)構(gòu)可靠度演化及剩余壽命預(yù)測方法，該方法優(yōu)點(diǎn)在于：1)可以考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性以及剛度退化情況，結(jié)合實測信息實時更新結(jié)構(gòu)可靠度模型；2)通過計算結(jié)構(gòu)隨時間和外荷載變化的可靠度，得到可靠度隨時間的演化曲線，并結(jié)合該曲線和結(jié)構(gòu)某一時間的可靠度指標(biāo)來估計結(jié)構(gòu)剩余壽命，即把結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測看作是動態(tài)的演變過程。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種土木工程結(jié)構(gòu)可靠度演化及剩余壽命預(yù)測方法，首先，根據(jù)數(shù)值分析或力學(xué)知識判斷結(jié)構(gòu)可能的控制截面；其次，通過初始設(shè)計信息的統(tǒng)計結(jié)果假設(shè)各參數(shù)所服從分布，并由此計算結(jié)構(gòu)抗力及荷載所服從的概率分布；再次，計算荷載、收縮及徐變影響下的剛度衰減系數(shù)D(i)；進(jìn)一步，更新結(jié)構(gòu)抗力分布函數(shù)，由此得到此時的抗力概率分布，并到得可靠度-荷載曲線關(guān)系；而后，建立可靠度-時間曲線，預(yù)測結(jié)構(gòu)經(jīng)歷荷載步i后結(jié)構(gòu)剩余使用壽命；最后，結(jié)合實測信息不斷更新剩余壽命預(yù)測結(jié)果，并以各控制截面的壽命最短值作為整個結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

在本發(fā)明一實施例中，該方法具體實現(xiàn)步驟如下，

S1：分析判斷結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的控制截面；

S2：根據(jù)初始設(shè)計信息的統(tǒng)計結(jié)果，假設(shè)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的概率分布函數(shù)；

S3：將結(jié)構(gòu)抗力看成是各初始參數(shù)的函數(shù)，建立抗力統(tǒng)計量，得到抗力的概率分布密度函數(shù)f_R(r)；

S4：計算剛度衰減系數(shù)D(i)；

a)通過初始設(shè)計信息及調(diào)研情況預(yù)測結(jié)構(gòu)未來可能承受的外荷載，得到外荷載-時間曲線；

b)計算結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的剛度，結(jié)合a)得到荷載影響下的剛度-時間曲線；

c)利用經(jīng)驗公式計算結(jié)構(gòu)收縮及徐變影響下的變形-時間曲線，推導(dǎo)出徐變、收縮、及荷載共同影響下截面剛度-時間曲線；將t時刻的剛度記為B(t)；

d)考慮到結(jié)構(gòu)控制截面的剛度衰減，將控制截面的剛度表達(dá)為式(1)

B(t)＝B₀·D(t) (1)

其中，B₀為初始時刻控制截面的剛度，B(t)為外荷載F(t)作用時刻控制截面的剛度，D(t)為t時刻控制截面剛度衰減系數(shù)，即t時刻結(jié)構(gòu)抗力與初始抗力之比；

最后將第i次荷載作用時刻t的剛度衰減系數(shù)D(t)記為D(i)；

S5：考慮包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、測量噪聲的不確定性因素，將實測數(shù)據(jù)看作隨機(jī)變量，得到外荷載的概率分布密度函數(shù)F_Q,i(r)；

S6：將f_R(r)、F_Q,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到經(jīng)歷過第i次荷載后抗力大于r的概率更新為F_R,n-timesⁿ(r)：

由此得到此時的抗力概率分布，并到得可靠度-荷載曲線關(guān)系；

S7：綜合對未來外荷載的估計以及步驟S6的結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)可靠度-時間曲線；同時計算既有結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)，判定結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)小于目標(biāo)可靠度指標(biāo)的時刻為失效，進(jìn)而預(yù)測結(jié)構(gòu)經(jīng)歷荷載步i后剩余使用壽命；

S8：測量結(jié)構(gòu)變形值，更新步驟S3的結(jié)構(gòu)剛度退化情況；

S9：重復(fù)步驟S5、S6、S7、S8，不斷更新剩余使用壽命的預(yù)測結(jié)果，最后以各控制截面的壽命最短值作為整個結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明可以較好地考慮不確定性和性能劣化影響下的土木工程結(jié)構(gòu)可靠度演化過程并預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，其優(yōu)點(diǎn)在于：1)可以考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性以及剛度退化情況，結(jié)合實測信息實時更新結(jié)構(gòu)可靠度模型；2)通過計算結(jié)構(gòu)隨時間和外荷載變化的可靠度，得到可靠度隨時間的演化曲線，進(jìn)而結(jié)合該曲線和結(jié)構(gòu)某一時間的可靠度指標(biāo)來估計結(jié)構(gòu)剩余壽命，即把結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測看作是動態(tài)的演變過程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種土木工程結(jié)構(gòu)可靠度演化及剩余壽命預(yù)測方法，首先，根據(jù)數(shù)值分析或力學(xué)知識判斷結(jié)構(gòu)可能的控制截面；其次，通過初始設(shè)計信息的統(tǒng)計結(jié)果假設(shè)各參數(shù)所服從分布，并由此計算結(jié)構(gòu)抗力及荷載所服從的概率分布；再次，計算荷載、收縮及徐變影響下的剛度衰減系數(shù)D(i)；進(jìn)一步，更新結(jié)構(gòu)抗力分布函數(shù)，由此得到此時的抗力概率分布，并到得可靠度-荷載曲線關(guān)系；而后，建立可靠度-時間曲線，預(yù)測結(jié)構(gòu)經(jīng)歷荷載步i后結(jié)構(gòu)剩余使用壽命；最后，結(jié)合實測信息不斷更新剩余壽命預(yù)測結(jié)果，并以各控制截面的壽命最短值作為整個結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命；該方法具體實現(xiàn)步驟如下，

S1：分析判斷結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的控制截面；

S2：根據(jù)初始設(shè)計信息的統(tǒng)計結(jié)果，假設(shè)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的概率分布函數(shù)；

S3：將結(jié)構(gòu)抗力看成是各初始參數(shù)的函數(shù)，建立抗力統(tǒng)計量，得到抗力的概率分布密度函數(shù)f_R(r)；

S4：計算剛度衰減系數(shù)D(i)；

a)通過初始設(shè)計信息及調(diào)研情況預(yù)測結(jié)構(gòu)未來可能承受的外荷載，得到外荷載-時間曲線；

b)計算結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的剛度，結(jié)合a)得到荷載影響下的剛度-時間曲線；

c)利用經(jīng)驗公式計算結(jié)構(gòu)收縮及徐變影響下的變形-時間曲線，推導(dǎo)出徐變、收縮、及荷載共同影響下截面剛度-時間曲線；將t時刻的剛度記為B(t)；

d)考慮到結(jié)構(gòu)控制截面的剛度衰減，將控制截面的剛度表達(dá)為式(1)

B(t)＝B₀·D(t) (1)

其中，B₀為初始時刻控制截面的剛度，B(t)為外荷載F(t)作用時刻控制截面的剛度，D(t)為t時刻控制截面剛度衰減系數(shù)，即t時刻結(jié)構(gòu)抗力與初始抗力之比；

最后將第i次荷載作用時刻t的剛度衰減系數(shù)D(t)記為D(i)；

S5：考慮包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、測量噪聲的不確定性因素，將實測數(shù)據(jù)看作隨機(jī)變量，得到外荷載的概率分布密度函數(shù)F_Q,i(r)；

S6：將f_R(r)、F_Q,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到經(jīng)歷過第i次荷載后抗力大于r的概率更新為F_R,n-timesⁿ(r)：

由此得到此時的抗力概率分布，并到得可靠度-荷載曲線關(guān)系；

S7：綜合對未來外荷載的估計以及步驟S6的結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)可靠度-時間曲線；同時計算既有結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)，判定結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)小于目標(biāo)可靠度指標(biāo)的時刻為失效，進(jìn)而預(yù)測結(jié)構(gòu)經(jīng)歷荷載步i后剩余使用壽命；

S8：測量結(jié)構(gòu)變形值，更新步驟S3的結(jié)構(gòu)剛度退化情況；

S9：重復(fù)步驟S5、S6、S7、S8，不斷更新剩余使用壽命的預(yù)測結(jié)果，最后以各控制截面的壽命最短值作為整個結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

以下為本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程。

本發(fā)明的技術(shù)方案如圖1所示。

本發(fā)明將結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測模擬成一個不斷更新的過程，技術(shù)實施過程闡述如下：

步驟1：分析判斷結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的控制截面，比如受力最不利截面；

步驟2：根據(jù)初始設(shè)計信息的統(tǒng)計結(jié)果，假設(shè)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的概率分布函數(shù)；

步驟3：將結(jié)構(gòu)抗力看成是各初始參數(shù)的函數(shù)，建立抗力統(tǒng)計量，得到抗力的概率分布密度函數(shù)f_R(r)；

步驟4：計算剛度衰減系數(shù)D(i)；

a)通過初始設(shè)計信息及調(diào)研情況預(yù)測結(jié)構(gòu)未來可能承受的外荷載，得到外荷載-時間曲線；

b)計算結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的剛度，結(jié)合a)得到荷載影響下的剛度-時間曲線；

c)利用經(jīng)驗公式計算結(jié)構(gòu)收縮及徐變影響下的變形-時間曲線，推導(dǎo)出徐變、收縮、及荷載共同影響下截面剛度-時間曲線；將t時刻的剛度記為B(t)；

d)考慮到結(jié)構(gòu)控制截面的剛度衰減，將控制截面的剛度表達(dá)為式(1)

B(t)＝B₀·D(t) (1)

其中，B₀為初始時刻控制截面的剛度，B(t)為外荷載F(t)作用時刻控制截面的剛度，D(t)為t時刻控制截面剛度衰減系數(shù)，即t時刻結(jié)構(gòu)抗力與初始抗力之比。

最后將第i次荷載作用時刻t的剛度衰減系數(shù)D(t)記為D(i)，用于步驟6。

步驟5：考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、測量噪聲等不確定性因素，將實測數(shù)據(jù)看作隨機(jī)變量，得到外荷載的概率分布密度函數(shù)F_Q,i(r)；

步驟6：將f_R(r)、F_Q,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到經(jīng)歷過第i次荷載后抗力大于r的概率更新為F_R,n-timesⁿ(r)：

由此得到此時的抗力概率分布，并到得可靠度-荷載曲線關(guān)系；

步驟7：綜合對未來外荷載的估計以及步驟6的結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)可靠度-時間曲線。同時計算既有結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)，判定結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)小于目標(biāo)可靠度指標(biāo)的時刻為失效，進(jìn)而預(yù)測結(jié)構(gòu)經(jīng)歷荷載步i后剩余使用壽命；

步驟8：測量結(jié)構(gòu)變形值，更新步驟3的結(jié)構(gòu)剛度退化情況；

步驟9：重復(fù)步驟5、6、7、8，不斷更新剩余使用壽命的預(yù)測結(jié)果，最后以各控制截面的壽命最短值作為整個結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。