CN109101734A - 一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法 - Google Patents

一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，包括以下步骤S1收集连续刚构桥梁下挠事件数据；S2对连续刚构下挠事件基于事故树进行反演研究，得出下挠风险场景；S3以每年挠跨比作为分类指标，进行聚类分析，分为平稳劣化、较快劣化、快速劣化、极快劣化四种类型；S4计算各下挠类型的每年挠跨比的均值和标准差；S5得出挠跨比随桥龄的演化规律；S6根据每年挠跨比的聚类分析和其随桥龄的演化规律建立各类下挠模型；进行假设检验，得出各类下挠模型的分布类型满足正态分布；S7建立下挠风险发生概率模型和风险损失概率模型；S8得出需要预测的连续刚构桥符合的下挠风险发生概率模型和风险损失概率模型，计算各种风险损失的人员死亡数量和经济损失。

Description

一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法
技术领域
本发明涉及桥梁技术领域，特别涉及一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法。
背景技术
目前，很多学者针对连续刚构桥梁下挠问题进行了相关研究，王培金等探讨了大跨径预应力连续刚构桥长期挠度的挠度预测方法；赵煜等分析了基于裂缝统计的预应力梁桥刚度折减方法和结构评价方法；许震等对连续刚构桥下挠影响参数进行了分析计算；吴小平等从分析结构曲率k推导截面M－K关系的角度，分析梁式桥长期挠度；贺栓海等认为，通过实际结构损伤的计算模型对比结构下挠实测值得到的“长期挠度系数修正参数”可作为结构长期挠度的预测计算方法；鄢霞等利用风险矩阵法，借助对21位专家的问卷调查估测出了连续刚构桥梁下挠的风险等级。
可以看出，目前的连续刚构桥梁下挠风险评估主要有两种方法：
1、基于有限元计算进行下挠量预测，是基于定量方法的计算结果对某一下挠量的超越概率进行定性估计，无法精确得到失效概率，且缺乏对风险损失的估计，工作量较大；
2、利用专家经验法，进行下挠风险评估，缺乏与实际工程下挠风险概率的对应关系，且受专家经验水平的影响非常大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有连续刚构桥梁下挠风险评估方法要么无法精确得到失效概率且缺乏对风险损失的估计以及工作量较大、要么缺乏与实际工程下挠风险概率的对应关系且受专家经验水平的影响非常大的上述不足，提供一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，包括以下步骤：
S1、收集连续刚构桥梁下挠事件的统计数据与案例数据；
S2、对有详细资料的连续刚构下挠事件基于事故树进行反演研究，得出连续刚构下挠的风险场景；
S3、以每年挠跨比作为分类指标，进行聚类分析，将每年挠跨比的模型分为平稳劣化、较快劣化、快速劣化、极快劣化四种类型；
S4、计算各下挠类型的每年挠跨比的均值和标准差；
S5、对下挠观测数据超过十年的桥梁，计算前五年平均每年挠跨比和五年后平均每年挠跨比，得出挠跨比随桥龄的演化规律；
S6、根据每年挠跨比的聚类分析和其随桥龄的演化规律，建立连续刚构下挠风险场景的各类下挠模型：Ⅳ型(前五年为极快劣化，五年后快速劣化)、Ⅲ型(前五年为快速劣化，五年后较快劣化)、Ⅱ型(前五年为较快劣化，五年后平稳劣化)、Ⅰ型(基本一直保持平稳劣化)，进行假设检验，得出各类下挠模型的分布类型满足正态分布；
S7、建立下挠风险发生概率模型和风险损失概率模型，利用正态分布函数即可计算需要预测的桥梁下一年下挠量/跨径超过L/600(严重下挠)的概率和下一年下挠量/跨径超过L/300(桥梁倒塌)的概率；
S8、基于风险场景中风险源集及其层次结构，建立可扩展的风险评估指标体系，得出需要预测的连续刚构桥符合的下挠风险发生概率模型和风险损失概率模型，从而计算桥梁从当前状态的挠跨比发展为严重下挠的概率和从当前状态的挠跨比发展为桥梁倒塌的概率，并判断下挠损失模型，计算各种风险损失的人员死亡数量和经济损失，用以定量预测连续刚构桥梁下挠风险。
采用本发明所述的一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，基于事故反演和统计理论，解决了目前桥梁工程下挠风险评估使用的方法主观性较强或工作量过大的问题，和当前方法相比评估工作量较小，准确度较高，达到了可操作性与针对性的平衡，适用于大批连续刚构桥梁的下挠风险评估，能够提高连续刚构桥梁下挠安全风险管理水平，减小下挠风险事件下人员伤亡和财产损失，提高对连续刚构下挠风险事件的预控能力和应急响应水平。
优选地，所述步骤S2中，根据连续刚构桥梁下挠事件信息基于事故树进行反演研究绘制风险场景图。
优选地，所述步骤S7中，采用数学软件计算桥梁下一年下挠量/跨径超过L/600的概率和下一年下挠量/跨径超过L/300的概率。
优选地，所述数学软件包括Matlab或SPSS。
优选地，所述步骤S8包括以下步骤：
S81、对需要预测的桥梁当前技术状况评估；
S82、对风险场景中连续刚构桥梁下挠的风险源进行检查，并根据检查结果建立下挠发生概率风险评估指标体系和下挠损失风险评估指标体系；
S83、对所述风险评估指标体系进行拓展；
S84、建立风险评估指标体系的评价标准，得出需要预测的桥梁的下挠模型，从而计算从当前状态的挠跨比发展为严重下挠的概率和从当前状态的挠跨比发展为桥梁倒塌的概率；
S85、计算各种风险损失的人员死亡数量和经济损失，用以定量预测连续刚构桥梁下挠坍塌风险。
优选地，所述步骤S82中，所述风险源包括变形增加的风险源和桥梁垮塌的风险源。
优选地，所述步骤S83包括以下步骤：
S831、将需要预测的桥梁的独有风险源加入风险场景作为新增风险源，并根据风险源集的层次逻辑结构判断其属于影响风险发生概率的风险源集还是影响风险损失概率的风险源集；
S832、判断所述新增风险源对风险发生或风险损失的影响大小；
S833、为所述新增风险源选择有效、可靠、可测的评价指标，与识别出的既有所述风险源共同构成评估指标体系。
优选地，所述步骤S8中，根据计算的各种风险损失的人员伤亡和经济损失，将其坐标点绘制在可接受风险ALARP图中，从而评估该风险的可接受程度。
优选地，所述可接受风险ALARP图包括在役桥梁缺陷致可接受社会风险ALARP图和在役桥梁可接受财产损失风险ALARP图。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
运用本发明所述的一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，基于事故反演和统计理论，解决了目前桥梁工程下挠风险评估使用的方法主观性较强或工作量过大的问题，和当前方法相比评估工作量较小，准确度较高，达到了可操作性与针对性的平衡，适用于大批连续刚构桥梁的下挠风险评估，能够提高连续刚构桥梁下挠安全风险管理水平，减小下挠风险事件下人员伤亡和财产损失，提高对连续刚构下挠风险事件的预控能力和应急响应水平。
附图说明
图1为本发明所述的一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法的流程示意图；
图2为实施例中的连续刚构桥梁下挠风险场景图；
图3为实施例中的在役桥梁缺陷致可接受社会风险ALARP图；
图4为实施例中的在役桥梁缺陷致可接受财产损失风险ALARP图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
如图1-4所示，本发明所述的一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，包括以下步骤：
S1、收集连续刚构桥梁下挠事件的统计数据与案例数据，通过对历年国检报告、下挠相关文献、参研单位参与的加固设计报告等的统计分析，收集了国内外72座连续刚构桥梁共121次下挠观测数据；
S2、对有详细资料的连续刚构下挠事件基于事故树进行反演研究，绘制连续刚构桥梁下挠的风险场景图，如图2所示；
S3、对72座桥梁的121条下挠数据进行相关性分析；
针对这121次观测数据，分别计算桥梁每年下挠量(cm/a)、累计总下挠量(cm)和每年下挠/跨径(cm/m)，分析其与主跨跨径、总跨数、线形测量时桥龄、据上次测量年限、竣工年份、测量年份等影响因素的相关关系，如表1所示；
表1、下挠量相关性分析
可见，每年下挠量与竣工年份、据上次测量年限相关性极低，与总跨数、测量年份相关性较低，与线性测量时桥龄具有一定相关性，与主跨跨径相关性大，总下挠值与总跨数、测量年份相关性极低，与竣工年份、据上次测量年限、线形测量时桥龄具有一定相关性，与主跨跨径相关性大，每年下挠/跨径与总跨数、竣工年份、测量年份、主跨跨径相关性极低，与据上次测量年限、线形测量时桥龄有一定相关性，需研究挠跨比随桥龄变化规律；
得知主跨径是与每年下挠量相关性较高的参数，其次为桥龄，因此以每年挠跨比作为分类指标，进行聚类分析，将每年挠跨比的模型分为中小跨径上拱、平稳劣化、较快劣化、快速劣化、极快劣化五种类型，其中中小跨径上拱不是下挠风险关注的类型；
S4、计算各下挠类型的每年挠跨比的均值和标准差；
S5、对下挠观测数据超过十年的桥梁，计算前五年平均每年挠跨比和五年后平均每年挠跨比，得出挠跨比随桥龄的演化规律；
表2、下挠初期与后期每年挠跨比(cm/m)比较
通过表2数据得出后期下挠速度约为前期下挠的50％左右；
S6、根据每年挠跨比的聚类分析和其随桥龄的演化规律，建立连续刚构下挠风险场景的各类下挠模型：
Ⅳ型，前五年为极快劣化，年均挠跨比0.000628，五年后快速劣化，年均挠跨比0.000271，五年后下挠速度为之前的43％，在这72座连续刚构桥梁数据库中，占总数的5.88％；
Ⅲ型，前五年为快速劣化，年均挠跨比0.000271，五年后较快劣化，年均挠跨比0.000169，五年后下挠速度为之前的62％，在这72座连续刚构桥梁数据库中，占总数的8.82％；
Ⅱ型，前五年为较快劣化，年均挠跨比0.000169，五年后平稳劣化，年均挠跨比0.00094，五年后下挠速度为之前的56％，在这72座连续刚构桥梁数据库中，占总数的42.65％；
Ⅰ型，基本一直保持平稳劣化，年均挠跨比0.00005，在这72座连续刚构桥梁数据库中，占总数的35.29％；
进行假设检验，得出各类下挠模型的分布类型满足正态分布，当样本量无穷大时，各类下挠模型的分布类型更将无限接近正态分布；
S7、计算各下挠量/跨径模型的均值和标准差如表3所示；
表3、各下挠量/跨径模型的均值和标准差
建立风险发生概率模型，计算需要预测的桥梁下一年下挠量/跨径超过L/600(严重下挠)的概率和下一年下挠量/跨径超过L/300(桥梁倒塌)的概率；
L/600的下挠量/跨径超越概率按照式1在Matlab中计算：
式1、p1＝1-normcdf((1/600-f1)，μ，σ)
L/300的下挠量/跨径超越概率按照式2在Matlab中计算：
式2、p2＝1-normcdf((1/300-f1)，μ，σ)
其中，p1为下一年下挠量/跨径超过L/600的概率，p2为下一年下挠量/跨径超过L/300的概率，f1为当前下挠量/跨径，μ，σ分别为所使用下挠量/跨径模型的每年下挠量/跨径均值和标准差，按上述表3取值；
建立风险损失概率模型；下挠失效的形式可能包括严重下挠、桥梁倒塌等。其中I型、Ⅱ型的桥梁倒塌概率可忽略，Ⅲ型、Ⅳ型的桥梁倒塌概率值借助有限元计算当前挠跨比和技术状况之下的桥梁倒塌概率得到，因而所述风险损失概率模型为如表4所示的下挠失效损失概率模型；
表4下挠失效损失概率模型
各等级下挠事件概率 I型 Ⅱ型 Ⅲ型 Ⅳ型
严重下挠 1 1 高 较高
桥梁倒塌 0 0 低 较低
S8、根据连续刚构桥梁倒塌和拆除案例，估算桥梁极限状态时挠跨比；
全世界连续刚构桥因下挠而垮塌的案例仅Koror Babeldaob桥一例，其坍塌前挠跨比约为1/201，在这国内外72座连续刚构桥梁共121次下挠观测数据中，挠跨比较大的如表5所示；
表5、严重下挠连续刚构桥梁
挠跨比大于L/600即超过规范要求，可认为达到了使用极限状态；全世界连续刚构确定由下挠过大导致的倒塌仅Koror Babeldaob桥一座，其倒塌时的挠跨比约为1/200；由表4中其他未倒塌连续刚构桥可以看出，挠跨比小于L/300并不一定意味倒塌，但达到L/300意味着极为严重的下挠，其承载能力已大幅下降存疑，必须尽快拆除重建处理；
S9、对需要预测的桥梁当前技术状况评估；
《公路桥涵养护规范》中，砖、石、混凝土上部结构评定标准规定，四类构件“结构存在明显的永久变形，变形小于或等于规范值”，五类构件“结构永久变形大于规范值”。《公路桥梁技术状况评定标准》中对跨中挠度的标度规定如下表6所示；
表6、跨中挠度
由上述可知，定义严重下挠为挠跨比为1/600，根据定检报告计算挠跨比，即可评估出当前下挠量位于无下挠、无明显变形、明显下挠、显著下挠和严重下挠中的哪个阶段；
S10、对风险场景中连续刚构桥梁下挠的风险源进行检查，并根据检查结果建立风险评估指标体系，所述风险源包括如表7所示的变形增加的风险源和如表9所示的桥梁垮塌的风险源；
表7、变形增加的风险源分析
根据表7，制定如表8所示的桥梁严重下挠发生的风险评估指标体系；
表8、严重下挠发生的风险评估指标体系
对桥梁垮塌的风险源分析如表9所示；
表9、桥梁垮塌的风险源分析
根据表9，制定如表10所示的下挠损失的风险评估指标体系；
表10、下挠损失的风险评估指标体系
S11、将需要预测的桥梁的独有风险源加入风险场景作为新增风险源，并根据风险源集的层次逻辑结构判断其属于影响风险发生概率的风险源集还是影响风险损失概率的风险源集；
S12、判断所述新增风险源对风险发生或风险损失的影响大小；
S13、为所述新增风险源选择有效、可靠、可测的评价指标，与识别出的既有所述风险源共同构成评估指标体系；
S14、建立如表11所示的风险评估指标体系的评价标准，得出严重下挠发生概率的类型，并根据表3和式1、式2得出需要预测的桥梁经过所述风险评估指标体系评估后从当前状态的挠跨比发展为严重下挠的概率和从当前状态的挠跨比发展为桥梁倒塌的概率，得出严重下挠损失概率类型，并根据表4得出下挠失效损失概率；
表11、风险评估指标体系的评价标准
S15、计算各种风险损失的人员死亡数量和经济损失，其中经济损失考虑结构损伤和通行受阻损失，桥梁严重下挠不产生生命损失，仅有经济损失，桥梁垮塌有生命损失和经济损失；
1)生命损失计算
生命损失计算公式(单位：人)
生命损失＝影响系数×日交通量×每车平均人次×桥梁长度/设计车速/24
其中，影响系数无单位，日交通量单位为辆，每车平均人次单位为(人/车)，桥梁长度单位为公里，设计车速为(公里/每小时)；
2)结构损伤计算
方法为根据相似工程费用进行估算；
3)通行受阻损失计算
下挠加固或拆除重建工程可能对交通造成一定影响，将损失过桥费。假设在影响通车的时间内，占总量之比为r的车辆选择绕行，则通行受阻损失Ctl计算公式为：
Ctl＝t×r×TOLL×ADT
其中t为影响通车的时间(单位为日)，TOLL为过桥费收取标准(单位为元/车.公里)，ADT为日均交通量(单位为辆)，r为绕行比例(封闭交通时为100％)；
S16、根据计算的各种风险损失的人员伤亡和经济损失，将其坐标点绘制在可接受风险ALARP图中，从而评估该风险的可接受程度，所述可接受风险ALARP图包括如图3所示的在役桥梁缺陷致可接受社会风险ALARP图和如图4所示的在役桥梁缺陷致可接受财产损失风险ALARP图。
运用本发明所述的一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，基于事故反演和统计理论，解决了目前桥梁工程下挠风险评估使用的方法主观性较强或工作量过大的问题，和当前方法相比评估工作量较小，准确度较高，达到了可操作性与针对性的平衡，适用于大批连续刚构桥梁的下挠风险评估，能够提高连续刚构桥梁下挠安全风险管理水平，减小下挠风险事件下人员伤亡和财产损失，提高对连续刚构下挠风险事件的预控能力和应急响应水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、收集连续刚构桥梁下挠事件的统计数据与案例数据；
S2、对有详细资料的连续刚构下挠事件基于事故树进行反演研究，得出连续刚构下挠的风险场景；
S3、以每年挠跨比作为分类指标，进行聚类分析，将每年挠跨比的模型分为平稳劣化、较快劣化、快速劣化、极快劣化四种类型；
S4、计算各下挠类型的每年挠跨比的均值和标准差；
S5、对下挠观测数据超过十年的桥梁，计算前五年平均每年挠跨比和五年后平均每年挠跨比，得出挠跨比随桥龄的演化规律；
S6、根据每年挠跨比的聚类分析和其随桥龄的演化规律，建立连续刚构下挠风险场景的各类下挠模型：Ⅳ型、Ⅲ型、Ⅱ型、Ⅰ型，进行假设检验，得出各类下挠模型的分布类型满足正态分布；
S7、建立下挠风险发生概率模型和风险损失概率模型，利用正态分布函数即可计算需要预测的桥梁下一年下挠量/跨径超过L/600的概率和下一年下挠量/跨径超过L/300的概率；
S8、基于风险场景中风险源集及其层次结构，建立可扩展的风险评估指标体系，得出需要预测的连续刚构桥符合的下挠风险发生概率模型和风险损失概率模型，从而计算桥梁从当前状态的挠跨比发展为严重下挠的概率和从当前状态的挠跨比发展为桥梁倒塌的概率，并判断下挠损失模型，计算各种风险损失的人员死亡数量和经济损失，用以定量预测连续刚构桥梁下挠风险。
2.根据权利要求1所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据连续刚构桥梁下挠事件信息基于事故树进行反演研究绘制风险场景图。
3.根据权利要求1所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述步骤S7中，采用数学软件计算桥梁下一年下挠量/跨径超过L/600的概率和下一年下挠量/跨径超过L/300的概率。
4.根据权利要求3所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述数学软件包括Matlab或SPSS。
5.根据权利要求1所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述步骤S8包括以下步骤：
S81、对需要预测的桥梁当前技术状况评估；
S82、对风险场景中连续刚构桥梁下挠的风险源进行检查，并根据检查结果建立风险评估指标体系；
S83、对所述风险评估指标体系进行拓展；
S84、建立风险评估指标体系的评价标准，得出需要预测的桥梁的下挠模型，从而计算从当前状态的挠跨比发展为严重下挠的概率和从当前状态的挠跨比发展为桥梁倒塌的概率；
S85、计算各种风险损失的人员死亡数量和经济损失，用以定量预测连续刚构桥梁下挠坍塌风险。
6.根据权利要求5所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述步骤S82中，所述风险源包括变形增加的风险源和桥梁垮塌的风险源。
7.根据权利要求5所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述步骤S83包括以下步骤：
S831、将需要预测的桥梁的独有风险源加入风险场景作为新增风险源，并根据风险源集的层次逻辑结构判断其属于影响风险发生概率的风险源集还是影响风险损失概率的风险源集；
S832、判断所述新增风险源对风险发生或风险损失的影响大小；
S833、为所述新增风险源选择有效、可靠、可测的评价指标，与识别出的既有所述风险源共同构成评估指标体系。
8.根据权利要求1-7任一项所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述步骤S8中，根据计算的各种风险损失的人员伤亡和经济损失，将其坐标点绘制在可接受风险ALARP图中，从而评估该风险的可接受程度。
9.根据权利要求8所述的连续刚构桥梁下挠风险的预测方法，其特征在于，所述可接受风险ALARP图包括在役桥梁缺陷致可接受社会风险ALARP图和在役桥梁可接受财产损失风险ALARP图。
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