CN107330234B9 - 维修状态下桥梁技术状态劣化评估方法 - Google Patents

Abstract

一种维修状态下桥梁技术状态的劣化评估方法，该方法包括以下步骤：步骤一：采集桥梁技术状态数据，确定桥梁营运K年后的技术状态；步骤二：利用步骤一采集的数据建立劣化状态模型；步骤三：确定自然状态下桥梁技术状态劣化模型，以该模型建立桥梁维修改造的劣化模型；步骤四：为了提高检测精度，引入一参数建立桥梁维修改造后的状态劣化模型；步骤五：利用步骤四建立的状态劣化模型对维修后的桥梁技术劣化情况进行模拟，得出桥梁技术状态衰减率、桥梁初始劣化时间、技术状态劣化曲线。本发明可以很好的用于自然、人为和环境因素综合作用下桥梁技术状态的劣化规律，具有较强的适用性及结果的可靠性，实现高精度的评估及预测桥梁技术状态。

Description

维修状态下桥梁技术状态劣化评估方法

技术领域

本发明属于实际营运中的桥梁结构损伤诊断领域，特别涉及维修状态下桥梁技术状态劣 化评估方法。

背景技术

桥梁是交通线的控制性节点工程，桥梁的良好运营关乎一方的交通顺畅与经济发展，桥 梁检测是桥梁运营管理的主要环节之一，桥梁技术状态评定作为桥梁检测的重要组成部分， 是桥梁运行状态养护维修的关键环节和重要依据。目前，桥梁技术状态评定理论和方法，仍 处于不断发展和完善的阶段，现行的桥梁技术状态评定方法仍存在一定的局限性，主观经验 对桥梁技术状态评定结果影响较大。对于建立完善的桥梁技术状态评定指标体系、分配合理 的指标权重、划分合理的评定等级、提出科学的综合评定方法等桥梁技术状态评定体系的研 究亟须开展，并且具有很强的理论意义与工程使用价值。因此，为了发挥桥梁的功能及延长 使用寿命，有必要及时对桥梁进行维护、维修或加固，对桥梁技术状态劣化进行评估。

然而，当桥梁营运使用一段时间后，由于桥梁结构材料老化、自然界环境的侵蚀、车辆 荷载的综合作用，桥梁的技术状态必会下降，当桥梁技术状态劣化到一定程度后，为发挥桥 梁的功能及延长桥梁的使用寿命，就有必要及时对桥梁进行维护、维修或加固。桥梁维修加 固后，其技术状态必定有一定程度的提升，桥梁技术状态等级也会相应的提高。目前的桥梁 技术状态评定方法手段还不能全面地确定桥梁技术状态劣化模型、桥梁技术状态劣化的时间、 桥梁统计使用寿命等因素。因此，基于上述因素如何建立一种简单有效的维修状态下桥梁技 术状态的劣化评估方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是为了解决桥梁技术状态评定不能全面地确定桥梁技术状态劣化模型、桥梁技术 状态劣化的时间、桥梁统计使用寿命等因素，现提供一种维修状态下桥梁技术状态的劣化评 估方法。

维修状态下桥梁技术状态劣化评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采集桥梁技术状态数据，确定桥梁营运K年后的技术状态；步骤二：利用步骤 一采集的数据建立劣化状态模型；步骤三：确定自然状态下桥梁技术状态劣化模型，以该模 型建立桥梁维修改造的劣化模型；步骤四：为了提高检测精度，引入参数建立桥梁维修改造 后的状态劣化模型；步骤五：利用步骤四建立的状态劣化模型对维修后的桥梁技术劣化情况 进行模拟，得出桥梁技术状态衰减率、桥梁初始劣化时间、技术状态劣化曲线，在桥梁相应 的寿命区间及时间节点对其进行养护、维修及加固。

步骤二所述建立劣化状态模型的方法为：

(1)首先建立指数形式变化的非线性函数表达式

α＝max{D(2)-D(1),D(3)-D(2),...,D(n-1)-D(n)}

D_c为桥梁建成时的技术状态评分；N_c表示桥梁技术状态无劣化的时间长度，以年为 单位；N_d表示同类型桥梁统计使用寿命；n表示桥梁营运使用时间，参数λ为劣化模型中 的待定系数，α为桥梁技术状态劣化平均劣化率。A与桥梁技术状态劣化平均劣化率α有关，A与α 取值关系见表1，可根据表1进行插值计算，

(2)设某桥梁建成时桥梁技术状态为D_c，该桥梁营运使用年k后桥梁技术状态变为D(k)， 建立数学模型，其中，若第k年进行了第1次维修、加固，若当年完成维修，完成后桥梁技 术状态为D₁(k)，若次年完成维修，维修后桥梁技术状态为D₁(k+1)；同理，桥梁营运使用m 年时进行了第i次维修或加固，当年完成维修，完成后桥梁技术状态为D_i(m)，次年完成维修， 维修后桥梁技术状态为D_i(m+1)，

根据以下两个原则判定桥梁技术状态：A、一般情况下，维修、加固后的桥梁技术状态 不应好于或优于建成之初的桥梁技术状态；B、在正常投入资金、常规维修或加固技术手段 情况下，维修、加固后的桥梁技术状态不应优于上次维修、加固完成后的桥梁技术状态。则 有：

D_c＞D₁(k)＞D₂(l)＞....＞D_i(m)或

D_c＞D₁(k+1)＞D₂(l+1)＞....＞D_i(m+1)； (3)

D₁(k)＝D₁(k+1)＞D(k)；

D₂(l)＝D₂(l+1)＞D(l)；

D_i(m)＝D_i(m+1)＞D(m)；

其中k、l、m均为大于1的自然整数，且满足k>l>m，

(3)桥梁历次维修改造后的桥梁技术状态D_i(m)或D_i(m+1)，应经过详细的桥梁调查、 检测后评定确定。若不考虑维修改造的具体时间效应，以年为单位，考虑改造前后技术状态 的变化量，第i次维修改造对桥梁技术状态的提升采用式(4)或式(5)ΔD_i表示，则有：

ΔD_i＝D_i(m+1)-D(m) (4)

ΔD_i＝D_i(m)-D(m) (5)

步骤三所述的确定自然状态下桥梁技术状态劣化模型，以该模型建立桥梁维修改造的劣 化模型的方法为：

步骤四所述引入参数建立桥梁技术状态劣化模型方法为：

(1)调整参数λ_n及A_n可实现所需要的桥梁技术状态劣化的衰减率α及技术状态初始劣 化时间N′_c；

(2)引入参数β_i，把

变化为

(3)变换当年完成桥梁维修改造的桥梁技术状态劣化模型，建立桥梁维修改造 后技术状态劣化模型：

步骤五：利用步骤四建立的状态劣化模型对维修后的桥梁技术劣化情况进行模拟，得出 桥梁技术状态衰减率、桥梁初始劣化时间、技术状态劣化曲线，在桥梁相应的寿命区间及时 间节点对其进行养护、维修及加固。

上述所有公式中，D_c为桥梁建成时的技术状态评分；N_c表示桥梁技术状态无劣化的 时间长度，以年为单位；N_d表示同类型桥梁统计使用寿命；n表示桥梁营运使用时间，幂 次A_i为劣化模型中的待定系数，参数λ为劣化模型中的待定系数。

附图说明

图1为本发明所述的维修状态下桥梁技术状态劣化评估方法中的流程图。

图2为

本发明实施例中某桥钢桁架铁路桥维修加固后桥梁技术状态劣化曲线图

具体实施方式

参照附图1-附图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的维修状态下桥梁技术状态的 劣化评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采集桥梁技术状态数据，确定桥梁营运K年后的技术状态；步骤二：利用步骤 一采集的数据建立劣化状态模型；步骤三：确定自然状态下桥梁技术状态劣化模型，以该模 型建立桥梁维修改造的劣化模型；步骤四：为了提高检测精度，引入一参数建立桥梁维修改 造后的状态劣化模型；步骤五：利用步骤四建立的状态劣化模型对维修后的桥梁技术劣化情 况进行模拟，得出桥梁技术状态衰减率、桥梁初始劣化时间、技术状态劣化曲线，然后在桥 梁相应的寿命区间及时间节点对其进行养护、维修及加固。

步骤二所述建立劣化状态模型的方法为：

(1)首先建立指数形式变化的非线性函数表达式

α＝max{D(2)-D(1),D(3)-D(2),...,D(n-1)-D(n)}

D_c为桥梁建成时的技术状态评分；N_c表示桥梁技术状态无劣化的时间长度，以年为 单位；N_d表示同类型桥梁统计使用寿命；n表示桥梁营运使用时间，参数λ为劣化模型中 的待定系数，α为使用时间n年期间的平均劣化率。A与桥梁技术状态劣化最大衰减率α有 关，A与α取值关系见表1，可根据表1进行插值计算。

表1桥梁统计使用寿命N_d、幂次A与桥梁技术状态劣化衰减率α关系表

(2)设某桥梁建成时桥梁技术状态为D_C，该桥梁营运使用年k后桥梁技术状态变为 D(k)，建立数学模型；若第k年进行了第1次成规模维修、加固，若当年完成维修，完成后 桥梁技术状态为，若次年完成维修D₁(k)，维修后桥梁技术状态为D₁(k+1)；同理，桥梁营运 使用m年时进行了第i次成规模的维修或加固，若当年完成维修，完成后桥梁技术状态为D_i(m)， 若次年完成维修，维修后桥梁技术状态为D_i(m+1)。

根据以下两个原则判定桥梁技术状态：

A、一般情况下，维修、加固后的桥梁技术状态不应好于或优于建成之初的桥梁技术状 态；B、在正常投入资金、常规维修或加固技术手段情况下，维修、加固后的桥梁技术状态 不应优于上次维修、加固完成后的桥梁技术状态，则有：

D_c＞D₁(k)＞D₂(l)＞....＞D_i(m)或

D_c＞D₁(k+1)＞D₂(l+1)＞....＞D_i(m+1)； (3)

D₁(k)＝D₁(k+1)＞D(k)；

D₂(l)＝D₂(l+1)＞D(l)；

D_i(m)＝D_i(m+1)＞D(m)；

其中k、l、m均为大于1的自然整数，且满足k>l>m。

(3)桥梁历次维修改造后的桥梁技术状态D_i(m)或D_i(m+1)，应经过详细的桥梁调查、 检测后评定确定。若不考虑维修改造的具体时间效应，仅以年为单位，考虑改造前后技术状 态的变化量，第i次维修改造对桥梁技术状态的提升采用ΔD_i表示，则有：

ΔD_i＝D_i(m+1)-D(m) (4)

ΔD_i＝D_i(m)-D(m) (5)

建立当年完成桥梁维修改造的桥梁技术状态劣化模型为：

上式中λ、λ₁、λ₂、…、λ_n-1、λ_n取值均大于0，一种情况下λ、λ₁、λ₂、…、λ_n-1、 λ_n取值相等或近似相等，A、A₁、A₂、…、A_n-1、A_n取值均大于0且取值相等或近似相 等。当采用有革新意义的新材料或新技术时：

(1)λ_n-1＞λ_n；

(2)当A_n-1的取值位于A-α关系

型曲线上肢时，A_n-1>A_n；

(3)当A_n-1的取值位于A-α关系

型曲线下肢时，A_n-1<A_n；

(4)当A_n-1的取值位于A-α关系

型曲线左端时，A_n-1＝A_n。

步骤四所述引入参数建立桥梁技术状态劣化模型为：

(1)调整参数λ_n及A_n可实现所需要的桥梁技术状态劣化的衰减率α及技术状态初始劣 化时间N′_c；

(2)引入参数β_i，把

变化为

(3)变换当年完成桥梁维修改造的桥梁技术状态劣化模型，建立桥梁维修改造后技术状 态劣化模型：

步骤五：利用步骤四建立的状态劣化模型对维修后的桥梁技术劣化情况进行模拟， 得出桥梁技术状态衰减率、桥梁初始劣化时间、技术状态劣化曲线，在桥梁相应的寿命 区间及时间节点对其进行养护、维修及加固。

上述所有公式中，D_c为桥梁建成时的技术状态评分；N_c表示桥梁技术状态无劣 化的时间长度，以年为单位；N_d表示同类型桥梁统计使用寿命；n表示桥梁营运使用 时间，幂次A_i为劣化模型中的待定系数，参数λ为劣化模型中的待定系数。

某桥钢桁架铁路桥建造于1936年，该桥全长为106.4m，上部结构为2×50m的钢桁 架梁，箱梁顶宽度为7m，箱梁底部宽度为8m，梁高6.5m。该桥梁经历的3次维修改造， 桥梁分别营运了31年、55年和76年进行了3次维修改造，检测评定时间分别为1967年、1991 年、2012年。利用本发明提出的式(8)模型对该桥的实际劣化模型进行拟合。取该铁路 桥的桥梁统计使用寿命设计100年，由表1取桥梁统计使用寿命N_d＝100，幂次 A＝A₁＝A₂＝A₃＝2.5，由公式(4)、(5)得桥梁技术状态变化量ΔD₁＝26.52，ΔD₂＝19.46， ΔD₃＝19.31，由公式(7)得β₁＝0.85，β₂＝0.80，β₃＝0.85，由公式(6)确定技术 状态评分结果D(1)＝Dc＝90，D(2)＝80，D(3)＝68，评定时间及评定结果如表2所示，该桥 梁技术状况劣化曲线见附图2所示，由附图2可观察到运营31年后、55年后、76年该 钢桁架铁路桥技术状态的都低于60分，由本发明提供的评估方法需要进行维修加固，技 术状态评分结果D(1)＝Dc＝90，D(2)＝80，D(3)＝68，得到桥梁技术状态劣化曲线的变化图， 该曲线接近实际桥梁技术状态的变化，为后续桥梁维修加固提供依据。

表2评定时间及技术状态评定结果

Claims (3)

1.一种维修状态下桥梁技术状态的劣化评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：采集桥梁技术状态数据，确定桥梁营运K年后的技术状态；步骤二：利用步 骤一采集的数据建立劣化状态模型；步骤三：确定自然状态下桥梁技术状态劣化模型，以 该模型建立桥梁维修改造的劣化模型；步骤四：为了提高检测精度，引入参数建立桥梁维 修改造后的状态劣化模型；步骤五：利用步骤四建立的状态劣化模型对维修后的桥梁技术 劣化情况进行模拟，得出桥梁技术状态衰减率、桥梁初始劣化时间、技术状态劣化曲线， 在桥梁相应的寿命区间及时间节点对其进行养护、维修及加固；步骤二所述建立劣化状态 模型的方法为：

首先建立指数形式变化的非线性函数表达式

α＝max{D(2)-D(1),D(3)-D(2),...,D(n-1)-D(n)}

D_c为桥梁建成时的技术状态评分；N_c表示桥梁技术状态无劣化的时间长度，以年 为单位；N_d表示同类型桥梁统计使用寿命；n表示桥梁营运使用时间，参数λ为劣化模 型中的待定系数，α为桥梁技术状态劣化平均劣化率，N表示桥梁最长使用时间年，D_N表 示桥梁使用N年时的技术状态，A与桥梁技术状态劣化平均劣化率α有关，A与α取值关 系见表1，根据表1进行插值计算，

表1 桥梁统计使用寿命N_d、幂次A与桥梁技术状态劣化平均劣化率α关系表

其次设某桥梁建成时桥梁技术状态为D_c，该桥梁营运使用年k后桥梁技术状态变为 D(k)，建立数学模型,其中，第k年进行第1次维修、加固，当年完成维修，完成后桥梁 技术状态为D₁(k)，次年完成维修，维修后桥梁技术状态为D₁(k+1)；同理，桥梁营运使用m 年时进行了第i次维修或加固，当年完成维修，完成后桥梁技术状态为D_i(m)，次年完成维 修，维修后桥梁技术状态为D_i(m+1)，

根据以下两个原则判定桥梁技术状态：A、一般情况下，维修、加固后的桥梁技术状 态不应好于或优于建成之初的桥梁技术状态；B、在正常投入资金、常规维修或加固技术 手段情况下，维修、加固后的桥梁技术状态不应优于上次维修、加固完成后的桥梁技术状 态，则有：

其中k、l、m均为大于1的自然整数，且满足k>l>m，

最后桥梁历次维修改造后的桥梁技术状态D_i(m)或D_i(m+1)，应经过详细的桥梁调查、 检测后评定确定，不考虑维修改造的具体时间效应，以年为单位，考虑改造前后技术状态 的变化量，第i次维修改造对桥梁技术状态的提升采用式(4)或式(5)表示：

ΔD_i＝D_i(m+1)-D(m) (4)

ΔD_i＝D_i(m)-D(m) (5)。

2.根据权利要求1所述的一种维修状态下桥梁技术状态的劣化评估方法，其特征在于， 步骤三所述的确定自然状态下桥梁技术状态劣化模型，以该模型建立桥梁维修改造的劣化 模型的方法为：

式(6)中，λ₁表示第一次维修后劣化模型中的待定系数，λ₂表示第二次维修后劣化模 型中的待定系数，λ_i表示第i次维修后劣化模型中的待定系数，A_i表示桥梁第i次维修后 劣化模型中幂次，A_i与桥梁技术状态劣化平均劣化率α有关，其取值见表1或其插值确定。

3.根据权利要求1所述的一种维修状态下桥梁技术状态的劣化评估方法，其特征在于， 步骤四所述引入参数建立桥梁维修改造后的状态劣化模型为：

首先调整参数λ_n及A_n实现所需要的桥梁技术状态劣化平均劣化率α及技术状态初始 劣化时间N′_c；

其次引入参数β_i，把

变化为

式(7)中，λ_i表示第i次维修后劣化模型中的待定系数，λ_n表示桥梁最近一次维修后使 用n年时的劣化模型中的待定系数，A_n表示桥梁第n次维修后劣化模型中幂次，A_n与桥 梁技术状态劣化平均劣化率α有关，其取值见表1或其插值确定；

最后变换当年完成桥梁维修改造的桥梁技术状态劣化模型，建立桥梁维修改造后技术 状态劣化模型：

式(8)中，D_c为桥梁建成时的技术状态评分；N_c表示桥梁技术状态无劣化的时间长 度，以年为单位；N_d表示同类型桥梁统计使用寿命；n表示桥梁营运使用时间，A_i表示桥 梁第i次维修后劣化模型中幂次，A_i与桥梁技术状态劣化平均劣化率α有关，其取值见表1 或其插值确定。

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