洪涝灾害损伤结构可靠度分析

本文综合考虑了现存结构服役期间所获得的荷载信息对结构后续服役期荷载及结构抗力的修正作用,提出了现存结构服役可靠度的概念及计算模型,并对洪涝灾害损伤结构的服役可靠度进行了分析、计算。得到了一些有益的结论。     

基于贝叶斯更新和逆高斯过程的在役钢筋混凝土桥梁构件可靠度动态预测方法

在役钢筋混凝土桥梁在服役环境和车辆荷载的耦合作用下,其服役性能随时间不断退化,采用确定性的性能退化模型无法准确描述退化过程中的不确定性和时间变异性。该文采用逆高斯随机过程描述其抗力退化过程,同时采用复合泊松过程描述车辆荷载效应,建立了基于抗力-车辆荷载效应双随机过程的在役钢筋混凝土桥梁构件时变可靠度分析方法。结合检测数据,采用贝叶斯分析和期望最大化算法,对逆高斯过程抗力退化模型参数进行更新,提出了在役钢筋混凝土桥梁构件可靠度的动态预测方法。以一座钢筋混凝土T梁桥为例,采用其40年服役期的抗力退化数据,分别在四个服役时刻对逆高斯过程抗力退化模型参数进行了更新,演示了提出的可靠度动态预测方法。研究表明:逆高斯随机过程可更合理地描述钢筋混凝土桥梁构件抗力退化过程中的不确定性和时间变异性;融入桥梁服役期间检测的抗力退化信息,采用贝叶斯更新逆高斯过程抗力退化模型参数后,可更准确地预测桥梁未来的可靠度服役状况和估计桥梁的剩余使用寿命。     

基于实际运营车辆荷载效应的既有桥梁可靠度研究

基于京珠、粤赣、渝湛三条高速公路车辆荷载动态称重实测数据,采用蒙特卡罗法生成随机车流。将此随机车流加载于虚拟简支梁上,通过自编Matlab程序计算车辆荷载效应,并采用GPD分布拟合车辆荷载效应的尾部分布,结合极值理论、超越概率理论,构建了现实运营车辆荷载条件下剩余服役期内的荷载效应最大值分布函数。根据既有桥梁承载能力现状,分析了现实运营车辆荷载情况下既有桥梁结构的可靠度。得出目前既有桥梁在剩余服役期内可靠度偏低,致其安全性不足的结论。     

面向维修的机械系统可靠度预测与仿真研究

机电产品在服役期间因零件失效而产生故障,重组维修破坏了原有的系统可靠性模型,因而需要对设备可靠性问题重新进行研究和评价。基于机电系统中零件的失效时间分布密度函数,研究了在重组维护过程中机电系统服役期间零件年龄结构的分布规律,发展了机电系统可靠性数学模型。通过仿真研究,探讨了系统服役期间年龄结构、可靠度和失效率的发展规律,定量地研究了失效时间分布密度函数的参数对系统可靠度的影响。这对于评估机械系统的可靠性和全生命周期的失效率,制定合理的维修策略具有重要意义。     

对公路桥梁进行维修加固和损害的维修步骤

本文将以在对桥梁进行维修加固的实际工作情况结合多年对于桥梁维修加固的经验,对公路桥梁在维修加固过程中应该采取的步骤和对桥梁进行维修应采取的措施。     

灾后维修结构的优化设计

钢筋混凝土结构的规范设计为其灾后维修加固提供了可能性,受灾结构的可靠性度水平评估是灾后结构决策处理的理论依据。同时也为灾后结构的维修可靠度决策提供了前提条件。本文在此基础上建议了基于最佳维修可靠度水平的灾后结构加固设计方法,对恢复复灾后结构使用功能,继续股役,具有重要的科学意义和显著的经济意义。     

基于模糊可靠度的SRC框架结构优化设计研究

基于"投资-效益"准则,建立SRC框架结构的优化数学模型,优化目标包括初始造价及结构失效损失期望最小化两部分。利用加权系数调整两者重要程度。为获得结构失效损失期望值计算结构失效概率;为获得接近实际的失效概率,对SRC框架结构进行模糊可靠度分析,主要内容包括:确定SRC框架结构抗震目标性能水平量化值,建立结构模糊功能函数,提出考虑模糊性Monte Carlo法。将SRC框架结构优化过程调整为含内外两层的迭代过程,外层对优化模型进行计算,内层对结构进行模糊可靠度分析。考虑优化模型中设计变量、约束条件过多、目标函数非线性程度较高等特点,提出适用于SRC框架结构的分阶段优化计算方法。通过对一榀单跨三层SRC框架结构优化设计,表明所提优化方法可获得理想、可靠的设计效果。     

基于多目标决策的动车组部件分阶段预防性维护优化模型

对动车组部件维修周期的确定直接影响到部件运用时的可靠性及动车组的行车安全。以我国动车组检修制度为背景,选用非完美维修和更换两种不同的维修方式,并考虑到非完美维修后部件可靠度的加速衰退,建立了以维修时间和维修成本为优化目标的分阶段预防性维修模型。应用遗传算法对不同阶段内的维修间隔、维修次数和维修方式进行决策,并与等周期维修模型进行比较。研究结果表明,在满足部件可靠度要求的前提下,分阶段预防性维修模型相比于等周期维修模型能够有效缩短维修时间、降低维修成本,更具经济性。与单目标优化相比,多目标优化的联合决策可以根据检修部门的实际需要提供多种维修方案,有效协调部件的运用需求和维修需求。     

空心板桥考虑服役劣化的地震损伤破坏模式研究

为揭示服役性能劣化对装配式空心板桥抗震性能的影响,提出了空心板桥铰缝劣化和材料性能退化的动力分析方法,并结合实例,采用已有试验结果和实体数值模拟对上述分析方法进行了验证,通过非线性时程分析,研究了空心板桥考虑服役劣化的地震损伤破坏模式。研究结果表明:服役劣化导致桥梁上、下部结构相对动力特性发生改变,造成桥梁地震损伤破坏模式的改变,尤其在软土类地震中;服役劣化会增大板端位移及其残余位移,加剧支座的损伤状态,同时也会显著增大墩柱的曲率响应,甚至导致墩柱出现严重的结构性损伤;在软土类地震中,当不考虑服役劣化时,桥梁仅出现位移性震害,但考虑服役劣化后墩柱同时也严重受损。因此,在全寿命抗震设计以及抗震评估和加固中,忽略服役劣化可能导致抗震设计和加固策略失效。     

在役钢筋混凝土结构疲劳寿命预测分析

本章以结构的极限疲劳循环次数作为随机变量,基于可靠度理论提出了在役结构疲劳剩余寿命的预测方法,分析了多种工况下结构在未来服役期内的疲劳可靠性和疲劳剩余寿命。算例表明,通过对在役结构疲劳寿命及可靠性的分析,不仅可以预测在目标可靠度下的疲劳寿命,而且可以根据使用要求确定交变荷载的频率、服役时间以及相应的疲劳可靠指标,从而为结构的合理使用起到指导性作用。     

预后验决策分析用于优化混凝土桥梁检修规划

桥梁检修规划是基于桥梁可靠度退化模型、检查修理的技术和费用模型之上的一种决策方法,其目的是确定在什么时间对桥梁进行检查、修理,采用什么样的检查和修理技术最为经济。桥梁修理保证在桥梁设计使用期间内桥梁的可靠度不低于规定的限值,修理决策依据桥梁承载力退化模型和荷载模型;桥梁检查是为了进一步获得桥梁承载力和荷载的信息,从而使得修理决策依据的信息越来越充分。将预后验决策方法应用于桥梁的检修规划,确立了一种桥梁检修的规划方法。     

考虑氯离子侵蚀与混凝土碳化的公路桥梁时变可靠度分析

基于国内外对氯离子侵蚀和混凝土碳化环境下钢筋锈蚀速率的最新研究成果,建立了混凝土构件在氯离子侵蚀下考虑坑蚀和在混凝土碳化下考虑平均锈蚀的弯曲抗力退化模型,用Monte Carlo方法和统计回归法编制了退化钢筋混凝土构件及系统的时变可靠度计算程序。以北京地区一座公路桥为算例,结果表明:在氯离子侵蚀下考虑坑蚀的桥梁承载能力时变可靠度在30年左右即下降到设计目标可靠度,在混凝土碳化下考虑平均锈蚀的桥梁承载能力时变可靠度在50年左右即下降到设计目标可靠度,从而需要补强,这表明考虑主筋锈蚀后我国钢筋混凝土公路桥一般达不到100年设计使用期;对因主筋锈蚀导致混凝土保护层胀裂而言,构件达到抗裂正常使用极限状态远远早于达到承载能力极限状态,建议将混凝土保护层开裂时间作为桥梁检查/维修参考点。     

Reliability-based assessment of ageing bridges using risk ranking and life cycle cost decision analyses

Information about present and anticipated bridge reliabilities, in conjunction with decision models, provides a rational and powerful decision-making tool for the structural assessment of bridges. For assessment purposes, an updated reliability (after an inspection) may be used for comparative or relative risk purposes. This may include the prioritisation of risk management measures (risk ranking) for inspection, maintenance, repair or replacement. A life-cycle cost analysis may also be used to quantify the expected cost of a decision. The present paper will present a broad overview of the concepts, methodology and immediate applications of risk-based assessments of bridges. In particular, two practical applications of reliability-based bridge assessment are considered — risk ranking and life-cycle cost analysis.     

在氯侵蚀和混凝土碳化环境下用时变可靠度和预后验决策优化桥梁检修制度

基于作者用Monte Carlo法和回归分析法开发的计算在氯侵蚀和混凝土碳化情况下混凝土梁的抗力退化随机过程的软件,用Bayes公式和桥梁检查结果更新桥梁退化状态,考虑桥梁检修的货币收益或更一般的能反映业主的财政承受能力和风险规避心理的效益函数,用预后验决策分析法给出了桥梁检查的期望效益,并以期望效益最大来优化桥梁检修制度。用北京一座混凝土梁桥为例,考虑恒载随机变量和两个Poisson随机过程活载作用下跨中抗弯承载能力极限状态,以设计基准期内任意时段的时变结构可靠度不低于桥梁设计规范的目标可靠度为条件,对这种桥梁检修制度进行优化。结果表明:用效益函数优化时,业主的财政承受能力和风险规避心理能给出明显不同的桥梁检修制度。     

隔震建筑橡胶柔性管道易损性模型研发及应用

隔震技术是实现建筑地震韧性的有效手段,隔震层中存在大变形需求的柔性管道功能重要,但现阶段缺乏该类管道的地震易损性模型和损失后果函数,因而隔震结构的韧性评价体系还有待进一步完善。针对这一问题,以橡胶柔性管道为对象,基于前期开展的管道试验,明确了该类管道的2个关键损伤状态,建立了公称内径50 mm和100 mm的柔性管道的地震易损性模型。综合考虑各种成本,提出了修复费用后果函数,根据24个试件拆卸和安装时间数据确定了修复时间后果函数,从而建立了上述管道的损失后果函数。在此基础上,以一5层RC框架隔震结构为例,考虑公称内径和设计长度影响,设定了6种管道方案,评价了结构在设防地震与罕遇地震作用下的韧性水准。结果表明:在设防地震与罕遇地震作用下柔性管道修复费用占比最高可达88.5%和29.4%,但其修复工时对建筑修复时间的影响基本可以忽略;设防地震下加大设计长度可使管道修复费用得到有效控制,但罕遇地震下由于变形大,当管道长度小于相关规范建议值时增大管道长度也无法有效避免管道破坏,反而会导致管道修复费用增大。该研究的相关成果可为隔震建筑地震韧性设计和评价提供重要参考。     

现有混凝土桥梁的时变可靠度分析

在研究现有混凝土桥梁抗力和荷载的时变性的基础上,建立了现有桥梁的时变可靠度计算模型,并采用自适应重要抽样法计算时变可靠指标。同时,对变量进行了参数敏感性分析。研究结果对于科学、经济地制定桥梁维修计划和方案具有重要意义。     

锈蚀RC桥梁弯曲抗力时变概率模型与试验研究

在退化RC结构的时变性能评估、剩余寿命预测以及维修加固决策分析中,其抗力模型的建立至关重要。钢筋锈蚀导致钢筋的屈服强度降低、改变钢筋力学行为和影响钢筋与混凝土之间的粘结行为。钢筋腐蚀损失量影响钢筋的失效模式,即从延性破坏到脆性破坏变化。该文发展了退化RC 桥梁的概率抗力时变模型,可以定量考虑腐蚀对钢筋力学行为、倒塌机理和粘结性能的影响。建立退化结构的抗力概率模型可以抓住退化结构的退化机理、点蚀分布、结构尺寸参数、粘结行为、腐蚀扩展、钢筋失效模式和计算模型的随机性和变异性。RC 梁的加速腐蚀试验和旧桥的破坏性试验验证了该文模型的正确性和可靠性。     

Minimum lifecycle cost design under multiple hazards

Design of structures against multiple hazards has become an important consideration for many important engineering facilities such as major structures and bridges. A central issue is proper consideration of the uncertainty in the demand and capacity and the balance of reliability against costs. In this study this problem is investigated based on minimization of expected lifecycle cost. The uncertainties in the loads and resistance are modeled by random processes and random variables. Costs of construction, consequences of structural limit states including damage, revenue loss, death and injury as well as discounting cost over time are considered. The importance of various design parameters is first examined by a parametric study. The method is then applied to design of a multistory office building against winds and earthquakes in Los Angeles, Seattle, and Charleston. The sensitivity of optimal design to important but uncertain design parameters such as structural life, discount rate and death and injury cost is investigated. The question of uniform reliability against different hazard is also examined. It is found that an optimization-based design is a viable approach to design against multiple hazards. The design is highly dependent on failure consequence and moderately sensitive to assumption of structural life span and discount rate. It may or may not be sensitive to death and injury cost assumption dependent on location and hazard risk characteristics. Uniform reliability against different hazards is not required. The design is often dominated, but not controlled, by the hazard that has large uncertainty and causes large consequences.     

考虑非平稳车载过程的在役桥梁时变可靠度分析

近年来,我国有大批桥梁得以新建。与此同时,日益增加的车辆荷载使得在役桥梁面临着更大的服役风险。在已有研究中,桥梁结构的可靠度评估将车载随机过程看作平稳泊松过程,且假定荷载效应概率模型在评估期内独立同分布。历史数据表明,我国的汽车荷载存在明显的逐年增加的趋势,随时间不再服从同一分布,已有方法也不再适用。为此,该文改进了已有方法,提出了考虑非平稳车载过程的在役桥梁时变可靠度评估新方法。算例表明,改进的方法简便易行,结果准确。已有方法可看作是该文改进方法的特例。随后,利用这一方法研究了结构可靠度对车载随机过程参数的敏感性。结果表明,车载随机过程参数对结构可靠度的影响显著。在20年的评估期内,均值每年增加1.1%或标准差每年增加1.3%,都会造成结构的失效概率增大两倍。     

Preventive maintenance and replacement policies for deteriorating production systems subject to imperfect repairs

This paper presents a special case of integration of the preventive maintenance into the repair/replacement policy of a failure-prone system. The machine of the considered system exhibits increasing failure intensity and increasing repair times. To reduce the failure rate and subsequent repair times following a failure, there is an incentive to perform preventive maintenance on the machine before failure. When a failure occurs, the machine can be repaired or replaced by a new one. Thus the machine's mode at any time can be classified as either operating, in repair, in replacement or in preventive maintenance. The decision variables of the system are the repair/replacement switching age or number of failures at the time of the machine's failure and the preventive maintenance rate. The problem of determining the repair/replacement and preventive maintenance policies is formulated as a semi-Markov decision process and numerical methods are given in order to compute optimal policies which minimise the average cost incurred by preventive maintenance, repair and replacement over an infinite planning horizon. As expected, the decisions to repair or to replace the machine upon a failure are modified by performing preventive maintenance. A numerical example is given and a sensitivity analysis is performed to illustrate the proposed approach and to show the impact of various parameters on the control policies thus obtained.