一种土木工程结构可靠度演化及剩余寿命预测方法与流程

本发明涉及一种土木工程结构可靠度演化及剩余寿命预测方法。

背景技术：

为了评估工程结构在全寿命周期(包括设计、施工、运营等阶段)中的使用性能，国内外对结构的全寿命分析方法开展了大量的研究。结构使用寿命与材料性能、细部构造、暴露状态、劣化机理等许多因素及其综合作用有关，难以量化分析。同时由于综合作用的影响机理相当复杂，目前对结构使用寿命的预测通常只能考虑某个主要因素，所采用的预测方法涉及众多学科。已有的结构寿命预测方法，主要基于经验、类比、加速试验、数学理论模型、力学理论模型、概率分析、结构可靠度理论、灰色理论、经济效应方面等^[1]，其中可靠度理论是一种理想方法，建立在可靠度指标与时间变化关系的基础上，认为结构可靠度衰减到可接受的最小值或失效概率增大到可接受的最大值的时间，即为结构的使用寿命。

在结构可靠度评估过程中，若能够充分考虑结构已有的历史信息(包括荷载历史、维修维护历史、自然劣化状态等)，就可以得到更为准确的当前结构承载力更新结果。在结构运营过程中，性能劣化是必然存在的现象，使得考虑性能劣化的结构可靠度修正在结构寿命预测中变得尤为重要。此外，实际工程结构中的不确定性因素(如材料离散性、构件加工制造误差、外荷载不确定)也普遍存在，此时若仍采用确定性的理论和方法来计算结构可靠度，必然导致预测结果不可靠，与实际情况有较大出入。因此，在结构寿命预测中同时考虑不确定性因素的影响是十分必要的。

目前，既有结构可靠性评估及寿命预测缺乏实时监测信息来对计算模型进行实时修正，可能导致预测结论出现很大的偏差。因此，提出一种能综合考虑结构历史外荷载效应、性能(抗力)劣化状态以及不确定性等因素的可靠度演化及剩余寿命预测方法，是亟需研究的实际问题。

工程结构从设计、施工建造到投入使用，再经过若干年运营后，性能会逐渐退化。结构在施工建设期，失效的风险概率大；在使用期，失效风险概率降低；而进入老化期后，失效风险率又会逐渐提高^[2]。

结构使用阶段可靠性分析与设计阶段相比有以下特点^[3][4]，在结构使用若干年后，对未来负载的估计可以已经历的荷载最大值分布为依据。当现有结构的各种构件己经历过一些荷载的检验且未失效时，就可以确定构件所具有的最小抗力值。由于人们还未能对结构抗力有全面、准确的认识，使得抗力计算时仍只能按随机变量处理。因此，既有结构的可靠度评估与测量及统计的精度有很大关系。同时结构所处的环境是已经客观存在的，因此材料性能的劣化规律可以通过试验统计调查确定。

考虑抗力随时间变化的结构可靠度计算比较复杂。文献^[5]研究了累积损伤下结构可靠度的分析问题；文献^[6]研究了结构抗力和荷载效应均随时间变化时结构可靠度的分析方法，文献^[7]根据这种随时间而变的特点提出了动态可靠度的概念，文献^[8]用蒙特卡罗的重要抽样法研究了时变结构的体系可靠度问题。文献^[9]提出了与现行结构可靠度设计统一标准方法协调的考虑抗力随时间变化的可靠度分析方法，推导出等效抗力的计算公式。文献^[10]采用离散化的方法，以10年为间隔，进行了某桥的准动态可靠度计算。文献^[11]用蒙特卡罗方法进行了损伤混凝土桥的使用寿命预测。文献^[12]对桥梁桩基结构系统进行了可靠性分析，但其仍属于静态可靠度计算的范畴。文献^[13]对公路桥梁钢筋混凝土构件正常使用极限状态的可靠度进行了分析，但由于采用了中心点法，计算精度不高。

此外，在结构的可靠度评估过程中，若能充分考虑结构已有的历史信息(包括外荷载历史、维修维护历史、自然劣化等)，就可以得到更为准确的结构承载力更新结果。文献^[14][15][16]采用贝叶斯方法，利用具体信息更新结构抗力分布，即将已有结构在使用期内的荷载历史也作为一种信息，提出“使用荷载验证”的概念，但未考虑结构性能劣化的影响。文献^[17]提出了能同时考虑桥梁承载力随时间衰减历史及桥梁荷载历史的承载力更新模型，但需要在结构使用之前假设结构承载力衰减函数，对寿命预测精度影响较大，工程实用性不强。

由前述可知，目前土木工程结构的可靠度估计和剩余使用寿命预测方法还存在一些亟待解决的问题：

1)在结构寿命预测中未考虑不确定性影响。影响结构安全性能的影响因素多、时间跨度长，期间要受到许多不确定性因素的影响，使得结构可靠度评估势必会出现概率意义下的偏差，影响寿命预测准确度。

2)未综合考虑结构性能劣化并基于结构的检测信息来修正和预测结构的可靠性。目前采用的时变可靠度指标只能作为度量结构可靠性的相对指标，而在一般检测数据统计规律的基础上，利用和挖掘新信息，实时更新结构可靠性，则是一种动态的思路，更接近工程实际情况。

参考文献

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[6]Geidl V,Saunders S,Calculation of Reliability for Time-varying Loads and Resistances，Structural Safety,1987,4(4)

[7]王光远，结构服役期间的动态可靠度及其维修理论初探[J],哈尔滨建筑工程学院学报,1990

[8]Li C.Q,A Case Study on the Reliability Analysis of Deteriorating Structures,Proceedings of the Institution of Civil Engineering,Structures and Buildings,1995,110(s).

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[10]郝海霞,张建仁,钢筋混凝土板梁桥退化的可靠性分析[J],国外桥梁,2000(4)：43-48

[11]孙宝俊译,损伤混凝土桥的使用寿命预测[J],国外桥梁,2000,(I)：47-53.

[12]万世明,赵善锐,黄广胜,桥梁桩基结构系统桩身构件可靠性分析[J],西南交通人学学报,2000,(8)：366-370

[13]张士铎,张启伟.公路桥梁钢筋混凝土构件止常使用极限状态的可靠度分析[J],中国公路学报,1992.4.

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[15]Stewart MG,Val DV.Role of Load History in Reliability-based Decision Analysis of Aging Bridges[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1999,125(7):776-783.

[16]Kim S,Stewart MG.Structural reliability of concrete bridges including improved chloride-incluced corrosion models[J].Structural Safety,Elsevier,2000,22(4):313-333.。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种土木工程结构可靠度演化及剩余寿命预测方法，该方法优点在于：1)可以考虑结构参数不确定性以及刚度退化情况，结合实测信息实时更新结构可靠度模型；2)通过计算结构随时间和外荷载变化的可靠度，得到可靠度随时间的演化曲线，并结合该曲线和结构某一时间的可靠度指标来估计结构剩余寿命，即把结构寿命预测看作是动态的演变过程。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种土木工程结构可靠度演化及剩余寿命预测方法，首先，根据数值分析或力学知识判断结构可能的控制截面；其次，通过初始设计信息的统计结果假设各参数所服从分布，并由此计算结构抗力及荷载所服从的概率分布；再次，计算荷载、收缩及徐变影响下的刚度衰减系数D(i)；进一步，更新结构抗力分布函数，由此得到此时的抗力概率分布，并到得可靠度-荷载曲线关系；而后，建立可靠度-时间曲线，预测结构经历荷载步i后结构剩余使用寿命；最后，结合实测信息不断更新剩余寿命预测结果，并以各控制截面的寿命最短值作为整个结构的剩余使用寿命。

在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下，

S1：分析判断结构可能出现的控制截面；

S2：根据初始设计信息的统计结果，假设各结构参数的概率分布函数；

S3：将结构抗力看成是各初始参数的函数，建立抗力统计量，得到抗力的概率分布密度函数f_R(r)；

S4：计算刚度衰减系数D(i)；

a)通过初始设计信息及调研情况预测结构未来可能承受的外荷载，得到外荷载-时间曲线；

b)计算结构在不同荷载作用下的刚度，结合a)得到荷载影响下的刚度-时间曲线；

c)利用经验公式计算结构收缩及徐变影响下的变形-时间曲线，推导出徐变、收缩、及荷载共同影响下截面刚度-时间曲线；将t时刻的刚度记为B(t)；

d)考虑到结构控制截面的刚度衰减，将控制截面的刚度表达为式(1)

B(t)＝B₀·D(t) (1)

其中，B₀为初始时刻控制截面的刚度，B(t)为外荷载F(t)作用时刻控制截面的刚度，D(t)为t时刻控制截面刚度衰减系数，即t时刻结构抗力与初始抗力之比；

最后将第i次荷载作用时刻t的刚度衰减系数D(t)记为D(i)；

S5：考虑包括结构参数、测量噪声的不确定性因素，将实测数据看作随机变量，得到外荷载的概率分布密度函数F_Q,i(r)；

S6：将f_R(r)、F_Q,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到经历过第i次荷载后抗力大于r的概率更新为F_R,n-timesⁿ(r)：

由此得到此时的抗力概率分布，并到得可靠度-荷载曲线关系；

S7：综合对未来外荷载的估计以及步骤S6的结果，建立结构可靠度-时间曲线；同时计算既有结构的目标可靠度指标，判定结构可靠度指标小于目标可靠度指标的时刻为失效，进而预测结构经历荷载步i后剩余使用寿命；

S8：测量结构变形值，更新步骤S3的结构刚度退化情况；

S9：重复步骤S5、S6、S7、S8，不断更新剩余使用寿命的预测结果，最后以各控制截面的寿命最短值作为整个结构的剩余使用寿命。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可以较好地考虑不确定性和性能劣化影响下的土木工程结构可靠度演化过程并预测结构的剩余使用寿命，其优点在于：1)可以考虑结构参数不确定性以及刚度退化情况，结合实测信息实时更新结构可靠度模型；2)通过计算结构随时间和外荷载变化的可靠度，得到可靠度随时间的演化曲线，进而结合该曲线和结构某一时间的可靠度指标来估计结构剩余寿命，即把结构寿命预测看作是动态的演变过程。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明的一种土木工程结构可靠度演化及剩余寿命预测方法，首先，根据数值分析或力学知识判断结构可能的控制截面；其次，通过初始设计信息的统计结果假设各参数所服从分布，并由此计算结构抗力及荷载所服从的概率分布；再次，计算荷载、收缩及徐变影响下的刚度衰减系数D(i)；进一步，更新结构抗力分布函数，由此得到此时的抗力概率分布，并到得可靠度-荷载曲线关系；而后，建立可靠度-时间曲线，预测结构经历荷载步i后结构剩余使用寿命；最后，结合实测信息不断更新剩余寿命预测结果，并以各控制截面的寿命最短值作为整个结构的剩余使用寿命；该方法具体实现步骤如下，

S1：分析判断结构可能出现的控制截面；

S2：根据初始设计信息的统计结果，假设各结构参数的概率分布函数；

S3：将结构抗力看成是各初始参数的函数，建立抗力统计量，得到抗力的概率分布密度函数f_R(r)；

S4：计算刚度衰减系数D(i)；

a)通过初始设计信息及调研情况预测结构未来可能承受的外荷载，得到外荷载-时间曲线；

b)计算结构在不同荷载作用下的刚度，结合a)得到荷载影响下的刚度-时间曲线；

c)利用经验公式计算结构收缩及徐变影响下的变形-时间曲线，推导出徐变、收缩、及荷载共同影响下截面刚度-时间曲线；将t时刻的刚度记为B(t)；

d)考虑到结构控制截面的刚度衰减，将控制截面的刚度表达为式(1)

B(t)＝B₀·D(t) (1)

其中，B₀为初始时刻控制截面的刚度，B(t)为外荷载F(t)作用时刻控制截面的刚度，D(t)为t时刻控制截面刚度衰减系数，即t时刻结构抗力与初始抗力之比；

最后将第i次荷载作用时刻t的刚度衰减系数D(t)记为D(i)；

S5：考虑包括结构参数、测量噪声的不确定性因素，将实测数据看作随机变量，得到外荷载的概率分布密度函数F_Q,i(r)；

S6：将f_R(r)、F_Q,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到经历过第i次荷载后抗力大于r的概率更新为F_R,n-timesⁿ(r)：

由此得到此时的抗力概率分布，并到得可靠度-荷载曲线关系；

S7：综合对未来外荷载的估计以及步骤S6的结果，建立结构可靠度-时间曲线；同时计算既有结构的目标可靠度指标，判定结构可靠度指标小于目标可靠度指标的时刻为失效，进而预测结构经历荷载步i后剩余使用寿命；

S8：测量结构变形值，更新步骤S3的结构刚度退化情况；

S9：重复步骤S5、S6、S7、S8，不断更新剩余使用寿命的预测结果，最后以各控制截面的寿命最短值作为整个结构的剩余使用寿命。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明的技术方案如图1所示。

本发明将结构寿命预测模拟成一个不断更新的过程，技术实施过程阐述如下：

步骤1：分析判断结构可能出现的控制截面，比如受力最不利截面；

步骤2：根据初始设计信息的统计结果，假设各结构参数的概率分布函数；

步骤3：将结构抗力看成是各初始参数的函数，建立抗力统计量，得到抗力的概率分布密度函数f_R(r)；

步骤4：计算刚度衰减系数D(i)；

a)通过初始设计信息及调研情况预测结构未来可能承受的外荷载，得到外荷载-时间曲线；

b)计算结构在不同荷载作用下的刚度，结合a)得到荷载影响下的刚度-时间曲线；

c)利用经验公式计算结构收缩及徐变影响下的变形-时间曲线，推导出徐变、收缩、及荷载共同影响下截面刚度-时间曲线；将t时刻的刚度记为B(t)；

d)考虑到结构控制截面的刚度衰减，将控制截面的刚度表达为式(1)

B(t)＝B₀·D(t) (1)

其中，B₀为初始时刻控制截面的刚度，B(t)为外荷载F(t)作用时刻控制截面的刚度，D(t)为t时刻控制截面刚度衰减系数，即t时刻结构抗力与初始抗力之比。

最后将第i次荷载作用时刻t的刚度衰减系数D(t)记为D(i)，用于步骤6。

步骤5：考虑结构参数、测量噪声等不确定性因素，将实测数据看作随机变量，得到外荷载的概率分布密度函数F_Q,i(r)；

步骤6：将f_R(r)、F_Q,i(r)、D(i)代入公式(2)，得到经历过第i次荷载后抗力大于r的概率更新为F_R,n-timesⁿ(r)：

由此得到此时的抗力概率分布，并到得可靠度-荷载曲线关系；

步骤7：综合对未来外荷载的估计以及步骤6的结果，建立结构可靠度-时间曲线。同时计算既有结构的目标可靠度指标，判定结构可靠度指标小于目标可靠度指标的时刻为失效，进而预测结构经历荷载步i后剩余使用寿命；

步骤8：测量结构变形值，更新步骤3的结构刚度退化情况；

步骤9：重复步骤5、6、7、8，不断更新剩余使用寿命的预测结果，最后以各控制截面的寿命最短值作为整个结构的剩余使用寿命。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。