基于指標的橋梁性能與最優養護策略關系分析研究

摘要：按照可靠指標和狀態指標定標分析了兩者內在的關系，引用了外國學者描述狀態過程的非線性模型，運用了現有的養護技術，計算了在橋梁多組合養護技術下退化橋梁的時變可靠指標和狀態指標，在橋梁全壽命周期養護中，將各種養護方案相結合，可以大大減少橋梁成本，提高橋梁的性能，延長橋梁的服役期。

關鍵詞：可靠指標；狀態指標；養護策略；成本；退化

0 引言

一些傳統的橋梁設計，較容易忽視環境和橋梁的協調以及自身的美學等因素，比較注重初期的設計與施工的投入，從而忽視橋梁運營管理和養護維修的成本，致使橋梁在后期服役階段，可靠性指標和狀態指標下降，安全性降低，得到最佳的養護維修方案， 橋梁工程師們需要結合國內外現有橋梁維修實踐的經驗與規律性， 又需要能夠合理安排與科學規劃維修活動的優化管理方法。本文提出了可靠指標和狀態指標的非線性模型，及其變化規律，各種養護方案對于橋梁性能的影響，最終得出最優的養護的策略。

1 指標的計算原理

1.1 橋梁狀態指標是在服役過程中所表現的外觀變化量，在其使用過程中，其內在的可靠性隨著使用不斷的降低，而外觀也在發生相應的變化，而為了能夠用數學的方法，將橋梁的外在變化用模型表達出來，Van Noortwijk用線性模型描述狀態過程，為了能反應更復雜的狀態變化，本文建立了狀態指標的非線性模型如下式所示：

狀態指標變化規律分別如圖1.1所示，圖1.1中：C0為結構初始狀態指標；tCI為結構開始劣化時間；Carget為結構目標狀態指標，即當Carget

1.2由于橋梁在退化過程中，影響因素多，線型退化模型并不能完全反映其規律，加上退化后，影響因素的非線性化，因此，需要更合理的退化模型，本研究提出了非線性退化的指數模型：

用圖1.2表示該模型的變化規律：

圖1.2中：β0為結構初始可靠指標；tI為結構開始劣化時間，該時間應該區別于結構腐蝕開始時間tI，tI≥tIβarget結構目標可靠指標，即當βarget<β時，結構需要更新；a1為可靠指標劣化率；tR為結構的維護時間。

可靠指標的退化通常以橋梁的性能為基礎， 主要是對應承載能力極限狀態， 對于狀態的退化更趨于外觀， 主要是對應正常使用極限狀態， 描述由腐蝕引起的開裂。當沒有維護作用時， 2個指標相互獨立，如果考慮結構維護時， 二者則是時變的性能指標， 關系為：可靠指標與狀態指標可能會相互影響， 有時也可能有很少或基本沒有聯系，

2基于指標的組合養護優化

對于研究養護活動的簡單組合，雖然滿足狀態指標和可靠指標的要求，但是分布不合理，并且造成累計維護成本較高，組合的工況較多，如果對于每種工況進行組合優化分析，比較繁瑣，本文主要考慮基于時間的維護方法（灌漿處理）和基于性能的維護活動（小規模混凝土修復，貼鋼板或重建）進行相互的組合優化見表1.3。

其中：tOBJ為分析周期，CPM為預防性維護維護成本，CEM基于性能的完全維護成本，可根據文獻5公式計算.tPM= t（tPI，tP），tEM= t（C = Ctargetorβ=βarget），

設計變量邊界條件如下表1.4，μ（tPI.sl）為SL的第一次維護使用時間，μ（tp，SL）為 SL 的周期循環使用時間。可靠指標和狀態指標在維護活動作用下的變化可根據公式計算，需滿足的約束條件為：1.β（t）≥βtarget；2.C（t）≥ Ctarget

其中：βyarget=3.7和Ctarget =1.0 ，在優化過程中，各種參數的分布如表1.5所示：

3 實橋分析

本文對實驗橋四川省某市二橋進行了分析整理，得到了如下表1.6；

從表1.6看出，根據壽命周期內成本最小的原則，以及維護的目標要求，

對于五種維護組合的比較分析可知：對于修改設計，由于由碳化腐蝕引起的結構劣化影響較小，結構服役期內重建和大規模的修復發生概率很低。組合維護策略C是最優的維護組合，其成本為18.21萬元，結構的最低可靠指標和狀態指標分別為4.49和3.98。在第2105年的可靠指標和狀態指標分別為4.49和3.98。如果橋梁工程師們將此策略應用到結構中，進行設計方案的選擇，那么此方法必為工程師所選。

4.結論

根據可靠指標和狀態指標分析了兩者內在的關系，引用了外國學者描述狀態過程的非線性模型，及可靠指標反應退化規律的非線性退化的指數模型，提出了基于可靠和狀態指標的維護方法，文章中特別地對實驗橋四川省某市的二橋進行了可靠指標和狀態指標參數進行了分析，并統計，將各種組合維護優化方法應用到此橋，得出實驗橋在服役階段期的可靠指標和狀態指標，及維護成本數據，對發揮橋梁的最大性能，降低后期維護成本有實際意義，這樣在進行維護決策時，減少因時間和工程師的經驗等不同，產生的太大差異，這在一定程度上保證了優化決策的一致性和一貫性，同時，也更全面地考慮了結構性能，增強了維護的可靠性。

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作者簡介：陳君（1987—），男，碩士，現就讀于重慶交通大學結構工程專業。