郭建斌,肖 劍,聞源長

(河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

受運(yùn)行環(huán)境影響,水工鋼閘門常會(huì)出現(xiàn)腐蝕問題.目前水利、電力等行業(yè)一直按SL 105—1995《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》和GB8923—1988《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》等規(guī)程規(guī)范進(jìn)行鋼閘門腐蝕檢測(cè)與等級(jí)評(píng)估.這種評(píng)估方法考慮的因素比較單一,雖然一定程度上能滿足腐蝕檢測(cè)與安全評(píng)估的需要,但總體效果不太理想.因?yàn)樗や撻l門的腐蝕性狀屬于模糊評(píng)估與定量化識(shí)別的范疇,所以對(duì)其進(jìn)行評(píng)估時(shí)必須考慮多種因素的影響.

近年來,馬宗晉等[1-3]基于模糊識(shí)別理論,提出了關(guān)于自然災(zāi)害影響程度的災(zāi)度概念及其災(zāi)度等級(jí)識(shí)別的方法,通過災(zāi)度等級(jí)識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)了各種工程災(zāi)度影響程度的定量化和準(zhǔn)確性識(shí)別.工程應(yīng)用結(jié)果[4-6]表明,這一方法可以有效地綜合各種復(fù)雜的確定或不確定影響因素,較好地滿足工程評(píng)估定量化和準(zhǔn)確性的需要.本文通過引入災(zāi)度模糊評(píng)估等級(jí)識(shí)別技術(shù),構(gòu)建鋼閘門腐蝕性狀災(zāi)度等級(jí)的隸屬度函數(shù),并按照最大隸屬度原則對(duì)水工鋼閘門腐蝕性狀進(jìn)行了模糊評(píng)估和定量化度量.

1 金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的災(zāi)度等級(jí)識(shí)別方法

1.1 災(zāi)度等級(jí)識(shí)別方法

災(zāi)度等級(jí)識(shí)別方法首先按單一因素進(jìn)行分項(xiàng)評(píng)判,通過隸屬度函數(shù)綜合所有因素的相關(guān)性影響后求得各分項(xiàng)隸屬度,并按最大隸屬度原則確定最大隸屬度以及所屬等級(jí),最終實(shí)現(xiàn)工程受災(zāi)程度的等級(jí)評(píng)判與識(shí)別.其數(shù)學(xué)過程表述為:對(duì)于所研究的評(píng)判論域X(內(nèi)有評(píng)判分類元素xi),通過m項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)u1,u2,…,um,按隸屬度函數(shù)可以確定分項(xiàng)評(píng)判的隸屬度模式A1,A2,…,An,從而形成模糊評(píng)價(jià)集{A1,A2,…,An∈F(u1?u2?…?um)},然后得到各項(xiàng)評(píng)判分類元素的隸屬度,最終可以按最大隸屬度原則確定xi∈X的等級(jí)評(píng)判分類.其中最大隸屬度

式中:μAS(xi)——xi的n個(gè)隸屬度模式的最大隸屬度;μAi(xi)——xi的Ai隸屬度模式的隸屬度;AS——按最大隸屬度原則確定的xi的隸屬度模式.

1.2 隸屬度函數(shù)的建立

金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕評(píng)估是多因素的綜合性評(píng)估,識(shí)別方法中的隸屬度函數(shù)必須能夠正確反映現(xiàn)行等級(jí)評(píng)估水準(zhǔn)和應(yīng)用方便的原則.基于這一原則,離散型影響因素的隸屬度函數(shù)采用專家評(píng)定法直接確定,連續(xù)型影響因素的隸屬度函數(shù)采用正態(tài)型、戒上型、戒下型和降半型等公式法確定.結(jié)合工程中腐蝕影響因素的數(shù)據(jù)分布特征,腐蝕連續(xù)型影響因素的隸屬度函數(shù)選用降半梯形分布類型,如式(2)～(4)所示.

1.3 腐蝕性狀的災(zāi)度等級(jí)

1.3.1 腐蝕主要評(píng)估指標(biāo)

考慮到鋼閘門腐蝕特點(diǎn)[7]和相關(guān)數(shù)據(jù)獲取難易程度,并兼顧行業(yè)規(guī)范[8-9],以結(jié)構(gòu)安全影響為主要衡量標(biāo)準(zhǔn),將腐蝕率、腐蝕外觀、腐蝕速率、腐蝕分布和防腐涂層受蝕率5類指標(biāo)作為腐蝕評(píng)估的主要指標(biāo)(表1).這5類指標(biāo)主要從結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的損害程度、管理水平、時(shí)變影響、應(yīng)力集中影響和潛在危害等方面,表征腐蝕病害對(duì)構(gòu)件抗力的影響.

表1 主要評(píng)估指標(biāo)的定義和表征內(nèi)容Table 1 Definition and depiction of main assessment indices

1.3.2 腐蝕性狀的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將鋼閘門的腐蝕性狀劃分為5個(gè)等級(jí)(Ⅰ級(jí)～Ⅴ級(jí)),以實(shí)現(xiàn)評(píng)估目標(biāo)的定量化模式識(shí)別[9].

結(jié)合工程中腐蝕病害呈現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)特性[10],對(duì)各單一評(píng)估指標(biāo)分別給出與5個(gè)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn),見表2.表2中腐蝕外觀(u2)指標(biāo)是模糊評(píng)價(jià)內(nèi)容,主要通過目測(cè)評(píng)估確定.若構(gòu)件局部出現(xiàn)少量銹斑或銹跡,則u2賦值為1;若構(gòu)件涂層少量剝落,出現(xiàn)少量離散的較深銹坑,則 u2賦值為2;若構(gòu)件涂層大面積剝落,出現(xiàn)密集成片的銹坑群,則u2賦值為3;若構(gòu)件較深銹坑密集成片,局部出現(xiàn)很深銹坑,則 u2賦值為4;若構(gòu)件深銹坑密布,銹皮成片泛起,則 u2賦值為5.

1.3.3 災(zāi)度等級(jí)的評(píng)估與識(shí)別

腐蝕性狀等級(jí)量化結(jié)果作為金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀評(píng)估的目標(biāo)模糊集合{Ⅰ級(jí),Ⅱ級(jí),Ⅲ級(jí),Ⅳ級(jí),Ⅴ級(jí)}.對(duì)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的單一指標(biāo)按等級(jí)劃分評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),是為了建立災(zāi)害損失等級(jí)模糊集隸屬度函數(shù),并使金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)歸一化.可以按最大隸屬度原則通過模糊綜合評(píng)估,實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的模糊定量化評(píng)估和識(shí)別.

表2 單一評(píng)估指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table2 Standards of single assessment factor

1.3.3.1 模糊隸屬度矩陣

對(duì)于一個(gè)確定的識(shí)別樣本,按表2確定樣本的各評(píng)判因子,并結(jié)合式(2)～(4)分別代入相應(yīng)的等級(jí)隸屬度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可獲得該樣本的模糊評(píng)估矩陣 R m×n,見式(5).所得計(jì)算值即為該等級(jí)下隸屬度矩陣中該單一指標(biāo)的對(duì)應(yīng)值;同一等級(jí)對(duì)應(yīng)矩陣中的各列.

式中:u1,u2,…,um——單一樣本中的各評(píng)估指標(biāo),這里取m=5;v1,v2,…,vn——腐蝕病害的等級(jí),這里取n=5.

1.3.3.2 權(quán)重系數(shù)的確定

權(quán)重系數(shù)反映了各單一評(píng)估指標(biāo)對(duì)隸屬度的影響權(quán)重,計(jì)算方法很多,有AHP法、專家經(jīng)驗(yàn)判斷法和綜合賦權(quán)法等,一般按影響指標(biāo)的數(shù)量取平均值作為等權(quán)重[11].考慮到相關(guān)因素對(duì)腐蝕性狀的影響及其統(tǒng)計(jì)特性,本文采用專家經(jīng)驗(yàn)判斷法來確定權(quán)重系數(shù),但去除了專家判斷的離異值,最終確定的評(píng)估指標(biāo)權(quán)向量W=(0.3,0.1,0.3,0.2,0.1).

1.3.3.3 腐蝕性狀的等級(jí)識(shí)別

利用式(6)識(shí)別金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕性狀,得到腐蝕病害等級(jí)的識(shí)別矩陣B,并根據(jù)最大隸屬度原則按式(1)求得所屬目標(biāo)評(píng)估模式等級(jí),從而確定出金屬結(jié)構(gòu)腐蝕等級(jí),以明確其安全性狀.

2 工程應(yīng)用

南京某節(jié)制閘門,盡管采取了相關(guān)防腐措施,但閘門主橫梁等主要受力構(gòu)件經(jīng)過長期運(yùn)行仍存在較嚴(yán)重的腐蝕問題.按照表2的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),通過現(xiàn)場(chǎng)腐蝕檢測(cè)進(jìn)行了單一影響指標(biāo)的評(píng)估,獲得了相關(guān)檢測(cè)結(jié)果:u1=6%,u2=3,u3=0.024mm/a,u4=70%,u5=30%.

按式(5)建立模糊評(píng)估指標(biāo)矩陣R主橫梁,即

按式(6)計(jì)算獲得腐蝕病害等級(jí)的識(shí)別矩陣,即

由此可知,綜合多因素的該閘門主橫梁腐蝕性狀的最大隸屬度指數(shù)為0.88,根據(jù)最大隸屬度原則可以確定,主橫梁呈現(xiàn)Ⅲ級(jí)腐蝕性狀.

結(jié)構(gòu)構(gòu)件受腐蝕影響主要表現(xiàn)為有效承載截面減薄和受載應(yīng)力集中.文獻(xiàn)[12]鋼閘門常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力受腐蝕性狀影響呈現(xiàn)二次拋物下降的特點(diǎn),其中Ⅲ級(jí)腐蝕性狀造成的抗力折減20%.若考慮主橫梁對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響以及該工程的重要程度,應(yīng)對(duì)該閘門重新進(jìn)行安全復(fù)核,以明確其安全性狀,必要時(shí)應(yīng)對(duì)主橫梁等受力構(gòu)件采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施,才能有效確保工程安全可靠地運(yùn)行.

3 結(jié) 語

a.本文引入災(zāi)度識(shí)別的模糊評(píng)估思想,以最大隸屬度為原則,按降半梯形分布構(gòu)建腐蝕等級(jí)隸屬度函數(shù),并根據(jù)隸屬度大小識(shí)別鋼閘門結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的等級(jí)歸屬.這為鋼閘門腐蝕性狀的定量化評(píng)估提供了有效的識(shí)別方法,可以較好地解決評(píng)估過程的模糊性和不確定問題,避免腐蝕等級(jí)評(píng)定過程的絕對(duì)性和片面性,確保鋼閘門腐蝕評(píng)估的客觀性.

b.腐蝕問題是影響鋼閘門結(jié)構(gòu)承載能力的重要影響因素之一,通過腐蝕性狀的模糊定量評(píng)估與識(shí)別,可以明確和預(yù)警水工鋼閘門的在役安全性狀.工程應(yīng)用結(jié)果表明,模糊綜合評(píng)估克服了描述性評(píng)估含糊不清的缺陷,為鋼閘門安全復(fù)核等研究提供了重要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),較好地滿足了工程安全評(píng)估的定量化要求.

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