摘要：按照可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)定標(biāo)分析了兩者內(nèi)在的關(guān)系，引用了外國學(xué)者描述狀態(tài)過程的非線性模型，運(yùn)用了現(xiàn)有的養(yǎng)護(hù)技術(shù)，計(jì)算了在橋梁多組合養(yǎng)護(hù)技術(shù)下退化橋梁的時(shí)變可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)，在橋梁全壽命周期養(yǎng)護(hù)中，將各種養(yǎng)護(hù)方案相結(jié)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(guān)鍵詞：可靠指標(biāo)；狀態(tài)指標(biāo)；養(yǎng)護(hù)策略；成本；退化

0 引言

一些傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)，較容易忽視環(huán)境和橋梁的協(xié)調(diào)以及自身的美學(xué)等因素，比較注重初期的設(shè)計(jì)與施工的投入，從而忽視橋梁運(yùn)營管理和養(yǎng)護(hù)維修的成本，致使橋梁在后期服役階段，可靠性指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)下降，安全性降低，得到最佳的養(yǎng)護(hù)維修方案， 橋梁工程師們需要結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有橋梁維修實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)與規(guī)律性， 又需要能夠合理安排與科學(xué)規(guī)劃維修活動的優(yōu)化管理方法。本文提出了可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)的非線性模型，及其變化規(guī)律，各種養(yǎng)護(hù)方案對于橋梁性能的影響，最終得出最優(yōu)的養(yǎng)護(hù)的策略。

1 指標(biāo)的計(jì)算原理

1.1 橋梁狀態(tài)指標(biāo)是在服役過程中所表現(xiàn)的外觀變化量，在其使用過程中，其內(nèi)在的可靠性隨著使用不斷的降低，而外觀也在發(fā)生相應(yīng)的變化，而為了能夠用數(shù)學(xué)的方法，將橋梁的外在變化用模型表達(dá)出來，Van Noortwijk用線性模型描述狀態(tài)過程，為了能反應(yīng)更復(fù)雜的狀態(tài)變化，本文建立了狀態(tài)指標(biāo)的非線性模型如下式所示：

狀態(tài)指標(biāo)變化規(guī)律分別如圖1.1所示，圖1.1中：C0為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)指標(biāo)；tCI為結(jié)構(gòu)開始劣化時(shí)間；Carget為結(jié)構(gòu)目標(biāo)狀態(tài)指標(biāo)，即當(dāng)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(guī)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(shù)模型：

用圖1.2表示該模型的變化規(guī)律：

圖1.2中：β0為結(jié)構(gòu)初始可靠指標(biāo)；tI為結(jié)構(gòu)開始劣化時(shí)間，該時(shí)間應(yīng)該區(qū)別于結(jié)構(gòu)腐蝕開始時(shí)間tI，tI≥tIβarget結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)，即當(dāng)βarget<β時(shí)，結(jié)構(gòu)需要更新；a1為可靠指標(biāo)劣化率；tR為結(jié)構(gòu)的維護(hù)時(shí)間。

可靠指標(biāo)的退化通常以橋梁的性能為基礎(chǔ)， 主要是對應(yīng)承載能力極限狀態(tài)， 對于狀態(tài)的退化更趨于外觀， 主要是對應(yīng)正常使用極限狀態(tài)， 描述由腐蝕引起的開裂。當(dāng)沒有維護(hù)作用時(shí)， 2個(gè)指標(biāo)相互獨(dú)立，如果考慮結(jié)構(gòu)維護(hù)時(shí)， 二者則是時(shí)變的性能指標(biāo)， 關(guān)系為：可靠指標(biāo)與狀態(tài)指標(biāo)可能會相互影響， 有時(shí)也可能有很少或基本沒有聯(lián)系，

2基于指標(biāo)的組合養(yǎng)護(hù)優(yōu)化

對于研究養(yǎng)護(hù)活動的簡單組合，雖然滿足狀態(tài)指標(biāo)和可靠指標(biāo)的要求，但是分布不合理，并且造成累計(jì)維護(hù)成本較高，組合的工況較多，如果對于每種工況進(jìn)行組合優(yōu)化分析，比較繁瑣，本文主要考慮基于時(shí)間的維護(hù)方法（灌漿處理）和基于性能的維護(hù)活動（小規(guī)?；炷列迯?fù)，貼鋼板或重建）進(jìn)行相互的組合優(yōu)化見表1.3。

其中：tOBJ為分析周期，CPM為預(yù)防性維護(hù)維護(hù)成本，CEM基于性能的完全維護(hù)成本，可根據(jù)文獻(xiàn)5公式計(jì)算.tPM= t（tPI，tP），tEM= t（C = Ctargetorβ=βarget），

設(shè)計(jì)變量邊界條件如下表1.4，μ（tPI.sl）為SL的第一次維護(hù)使用時(shí)間，μ（tp，SL）為 SL 的周期循環(huán)使用時(shí)間?？煽恐笜?biāo)和狀態(tài)指標(biāo)在維護(hù)活動作用下的變化可根據(jù)公式計(jì)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(yōu)化過程中，各種參數(shù)的分布如表1.5所示：

3 實(shí)橋分析

本文對實(shí)驗(yàn)橋四川省某市二橋進(jìn)行了分析整理，得到了如下表1.6；

從表1.6看出，根據(jù)壽命周期內(nèi)成本最小的原則，以及維護(hù)的目標(biāo)要求，

對于五種維護(hù)組合的比較分析可知：對于修改設(shè)計(jì)，由于由碳化腐蝕引起的結(jié)構(gòu)劣化影響較小，結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)重建和大規(guī)模的修復(fù)發(fā)生概率很低。組合維護(hù)策略C是最優(yōu)的維護(hù)組合，其成本為18.21萬元，結(jié)構(gòu)的最低可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)分別為4.49和3.98。在第2105年的可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)分別為4.49和3.98。如果橋梁工程師們將此策略應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的選擇，那么此方法必為工程師所選。

4.結(jié)論

根據(jù)可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)分析了兩者內(nèi)在的關(guān)系，引用了外國學(xué)者描述狀態(tài)過程的非線性模型，及可靠指標(biāo)反應(yīng)退化規(guī)律的非線性退化的指數(shù)模型，提出了基于可靠和狀態(tài)指標(biāo)的維護(hù)方法，文章中特別地對實(shí)驗(yàn)橋四川省某市的二橋進(jìn)行了可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了分析，并統(tǒng)計(jì)，將各種組合維護(hù)優(yōu)化方法應(yīng)用到此橋，得出實(shí)驗(yàn)橋在服役階段期的可靠指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)，及維護(hù)成本數(shù)據(jù)，對發(fā)揮橋梁的最大性能，降低后期維護(hù)成本有實(shí)際意義，這樣在進(jìn)行維護(hù)決策時(shí)，減少因時(shí)間和工程師的經(jīng)驗(yàn)等不同，產(chǎn)生的太大差異，這在一定程度上保證了優(yōu)化決策的一致性和一貫性，同時(shí)，也更全面地考慮了結(jié)構(gòu)性能，增強(qiáng)了維護(hù)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] .Peng J， Shao X. Research framework of lifetime performance based bridge design method. In： Proc of the 2nd Int Conf of Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure. Shenzhen， 2005， 1431-1434

[2] Kong J S， Frangopol D M. Prediction of reliability and cost profiles of deteriorating bridges under time-and performance-controlled maintenance.Journal of Structural Engineering， 2004， 130（12）： 1865-1874

[3] Jawad M. Life cycle cost optimization for infrastructure facilities： [PhD Dissertation]. New Jersey： State Univ. of New Jersey， 2003， 45-89 [5] Frangopol D M. Life-cycle cost analysis for bridge， Bridge Safety and Reliability.ASCE Reston：VA， 1999， 210-236

[4] Frangopol D M， Kong J S， Gharaibeh E S. Reliability-based life-cycle management of Highway bridges. Journal of Computing in Civil Engineering， 2001，15（1）： 397-410

[5] 楊偉軍， 張建仁， 梁興文. 基于動態(tài)可靠度的服役橋梁維修加固策略[ J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2002， 15（ 3）： 49-52.

[6] 秦權(quán). 基于時(shí)變可靠度的橋梁檢測與維修方案優(yōu)化[J] .公路， 2002，（ 9） ： 17- 25.

[7] 邵旭東， 彭建新， 晏班夫. 基于結(jié)構(gòu)可靠度的橋梁維護(hù)策略優(yōu)化研究. 工程力學(xué)， 2008， 25（ 9）： 149- 155.

[8] 邵旭東，彭建新，晏班夫.橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法框架性研究.公路，2006，26（1）：44-49

作者簡介：陳君（1987—），男，碩士，現(xiàn)就讀于重慶交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。