[01618121]服役钢筋混凝土桥梁抗力退化预测与提升方法

1.任务来源与背景 服役钢筋混凝土桥梁抗力退化预测与提升方法及其应用,旨在实现服役钢筋混凝土桥梁抗力预测与提升多目标优化决策,确保钢筋混凝土桥梁的服役安全。 本成果任务来源如下： （1）国家自然科学基金项目“既有RC 桥梁构件抗剪性能退化模型及可靠性研究”（编号：50878031） （2）国家自然科学基金项目“模糊及随机信息条件下既有RC 桥梁时变可靠性研究”（编号：50908023） （3）湖南省科技计划项目“科技领军人才院士代培专项”（编号：2007RS4040、2009RS3051、2010RS4047） （4）湖南省科技计划项目“桥梁结构安全控制和耐久性创新团队”（编号：2008RS4040、2009RS3067） （5）湖南省科技计划项目“混凝土桥梁组合维护多目标优化研究及其应用”（编号：2010FJ3172） （6）湖南省自然科学基金项目“不完整信息下既有RC桥梁构件抗力退化概率模型研究”（编号：11JJ5033） （7）湖南省交通厅交通科技项目“基于时变可靠度的混凝土桥梁剩余寿命评估方法研究”（编号：200736） 2.应用领域与技术原理 该项目成果主要用于服役钢筋混凝土桥梁承载力评定、抗力退化预测与提升优化决策。其内容主要包括服役钢筋混凝土桥梁抗力衰减预测、服役钢筋混凝土桥梁抗剪预测概率模型、服役钢筋混凝土拱桥抗力评估与退化预测、钢筋混凝土桥梁抗力提升多目标决策方法等多个方面。 1.不完备信息下钢筋混凝土桥梁构件弯曲抗力预测方法：首次构建了初始信息缺陷下钢筋混凝土桥梁构件弯曲抗力衰减分析方法,分析了服役期抗力、钢筋锈蚀发展和强度退化的概率特征,得到了抗力均值和标准差时变特点和截口分布类型;考虑锈蚀钢筋失效模式、锈蚀引起钢筋截面积和强度、粘结退化等的不确定性影响,提出了基于钢筋混凝土桥梁当前服役状况的构件抗力更新方法,并通过实桥及其构件实验进行了验证。 2.配斜筋钢筋混凝土桥梁构件受剪抗力预测方法：开展了配斜筋钢筋混凝土梁桥锈蚀构件抗剪承载力试验,提出了斜筋存在条件下钢筋混凝土梁抗剪承载力计算方法;揭示了斜筋锈蚀、箍筋锈蚀、主筋锈蚀对抗剪性能的影响规律;建立了考虑斜筋及箍筋锈蚀的钢筋混凝土梁抗剪承载力的计算模型;基于随机过程理论发展了能同时考虑箍筋及斜筋锈蚀的受弯构件剪切抗力退化时变概率分析方法。 3.服役钢筋混凝土拱抗力评估：分析了钢筋混凝土拱肋破坏过程中模态频率的变化规律,提出了基于模态频率变化的损伤钢筋混凝土拱肋承载力评估方法;考虑钢筋混凝土拱压、弯刚度非一致变化特性,发展了静力计算的矩阵位移法,提出了复杂失效模式下拱肋刚度识别方法,进而构建了基于刚度的承载力评估方法;提出了钢筋混凝土拱的抗力退化概率预测方法,有效解决了随机偏心距对抗力的影响问题。 4.腐蚀环境下钢筋混凝土桥梁正常使用抗力预测：建立了温度、湿度等复杂环境下钢筋初始锈蚀时间模型,结合钢筋混凝土桥梁几何参数、腐蚀参数及环境参数等不确定性分布特征,阐明了参数相关性对初始锈蚀发生概率的影响规律,提出了复杂环境下钢筋混凝土桥梁构件锈胀开裂程度预测方法。 5.钢筋混凝土桥梁抗力提升多目标决策方法：提出了预防和诊治并重的抗力提升理念,发展了正常使用和承载能力极限状态下钢筋混凝土桥梁抗力时变概率预测方法;发展了多维变量、多目标、多约束条件下的智能优化算法,提出了钢筋混凝土桥梁抗力提升优化决策方法。 3.与国内外同类技术的比较 钢筋混凝土桥梁抗力退化已引起世界的广泛关注,目前,虽然钢筋混凝土桥梁抗力衰减的相关问题已取得了一些有价值的研究成果和结论,但很多研究仍处在积累阶段,还有很多问题值得关注。 （1）目前钢筋混凝土桥梁弯曲抗力模型多基于随机信息条件建立的,有足够信息来源,而我国在上世纪五六十年代甚至更早的桥梁部分资源缺失甚至没有,如何对这部分桥梁抗力退化预测是工程师普遍关注的问题。再者,现有的钢筋混凝土桥梁抗力概率模型尚难定量考虑锈蚀钢筋截面损失对其力学性能影响,使得研究成果应用存在局限性。 （2）目前关于锈蚀钢筋混凝土梁抗剪性能及承载力计算已有了初步研究,但还不成熟,且基本上是针对房屋建筑来展开。另外,对于桥梁工程中配有斜钢筋或弯起钢筋的受弯构件抗剪承载力多数采用半理论半经验公式。再者,在斜筋和弯起钢筋存在的情况下,钢筋锈蚀锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪性能的影响目前尚未有研究报道。 （3）现有钢筋混凝土拱桥承载力评估多是基于模态,而且失效模式比较单一。另外,现有钢筋混凝土拱桥的刚度计算主要考虑拱肋抗压、抗弯变化一致特点。再者,现有钢筋混凝土拱的抗力预测方法对偏心荷载的随机分布特性考虑甚少。这导致钢筋混凝土拱抗力衰减预测研究成果的应用性大打折扣。 （4）目前氯盐环境或大气环境（碳化）下钢筋混凝土桥梁的初锈时间模型主要基于Fick第二定律,多只考虑单一的腐蚀因素,而实际桥梁结构所处环境非常复杂,现有的初锈时间模型难以模拟实际环境。另外,初锈时间模型中扩散系数是定值,与实际劣化过程不符。再者,目前在初锈发生概率分析中多基于随机参数完全相关特性,检测和试验表明,随机参数的相关程度不一,针对随机参数的相关性对初锈发生概率的影响的报道甚少。 （5）钢筋混凝土桥梁维修加固优化决策多单一目标进行,而桥梁管理人员希望在最小的投入中获取最高的回报,多目标决策的研究较少。另外,现有优化搜索技术主要针对连续型的确定性变量,而且约束条件较少,使得桥梁抗力提升多目标优化决策的实施存在一定难度。 针对上述问题,本项目主要工作是：（1）考虑锈蚀钢筋失效模式、锈蚀引起钢筋截面积和强度、粘结退化等的不确定性影响,构建了初始信息缺陷下钢筋混凝土桥梁构件弯曲抗力衰减分析方法;（2）提出了斜筋存在条件下钢筋混凝土梁抗剪承载力计算方法,基于随机过程理论发展了能同时考虑箍筋及斜筋锈蚀的受弯构件剪切抗力退化时变概率分析方法;（3）考虑钢筋混凝土拱压、弯刚度非一致变化特性,提出了复杂失效模式下拱肋刚度识别方法,进而提出了钢筋混凝土拱的抗力退化概率预测方法;（4）建立了温度、湿度等复杂环境下钢筋初始锈蚀时间模型,阐明了参数相关性对初始锈蚀发生概率的影响规律;（5）发展了多维变量、多目标、多约束条件下的智能优化算法,提出了钢筋混凝土桥梁抗力提升优化决策方法。 4.成果的创造性、先进性 1.构建了一种不完备信息下钢筋混凝土桥梁构件弯曲抗力衰减分析方法,得到了服役期抗力、钢筋锈蚀发展和强度退化的概率特征。 2.考虑锈蚀钢筋失效模式、粘结退化等的不确定性影响,提出了一种基于钢筋混凝土桥梁当前服役状况的构件抗力更新方法。 3.开展了配斜筋钢筋混凝土梁桥锈蚀构件抗剪承载力试验,揭示了斜筋锈蚀、箍筋锈蚀、主筋锈蚀对抗剪性能的影响规律。 4.建立了一种考虑斜筋及箍筋锈蚀的钢筋混凝土梁抗剪承载力的计算模型,提出了一种剪切抗力退化时变概率分析方法。 5.考虑钢筋混凝土拱压、弯刚度非一致变化特性,提出了一种复杂失效模式下拱肋刚度识别方法,进而构建了一种基于刚度的承载力评估方法。 6.基于偏心距随机特性,提出了一种钢筋混凝土拱的抗力退化概率预测方法。 7.建立了一种温度、湿度等复杂环境下钢筋初始锈蚀时间模型,阐明了参数相关性对初始锈蚀发生概率的影响规律,提出了一种复杂环境下钢筋混凝土桥梁构件锈胀开裂程度预测方法。 8.基于预防和诊治并重的抗力提升理念,提出了一种正常使用和承载能力极限状态下钢筋混凝土桥梁抗力时变概率预测方法。 9.提出了一种多维变量、多目标、多约束条件下的抗力提升智能优化算法,提出了一种钢筋混凝土桥梁抗力提升优化决策方法。 5.技术的成熟度及适用范围 项目经过多年的研究和积累,项目大多数成果已以论文发表,已获得了两项实用新型专利授权,并在多座实桥中得到了应用,技术已基本成熟。项目成果适用于服役钢筋混凝土桥梁抗力预测和提升决策。 本项目适用于钢筋混凝土承载力评定、抗力预测和提升多目标决策。在我国通车公路中,现有各式各样的桥梁共68万余座,其中钢筋混凝土桥梁占60%以上。这些桥梁由于材料的自然老化、车辆荷载的不断增加、日益恶化的环境影响以及养护维修缺乏,不可避免地出现各种损伤,导致抗力衰减,服役安全隐患较大,因此,本项目具有广阔的市场应用前景。 6.应用情况 本项目研究成果已在宁乡黄泥塘桥、东务山大桥、袁家河大桥、姜公巧以及广佛高速公路上的横沙小桥、大亨中桥、雅瑶小桥、泌冲立交桥等10多座梁桥和拱桥的耐久性评估、抗力预测和提升决策中应用,为交通主管部门节约开支4000万元以上,产生了良好的经济和社会效益。