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原文传递桥梁管理系统中安全性评估与维护决策分析的方法探讨

论文题名：	桥梁管理系统中安全性评估与维护决策分析的方法探讨
关键词：	桥梁管理系统;安全性评估;维护决策;车辆荷载;决策分析方法;评估方法;裂缝;运行状态;承载率;模型;统计量;荷载效应;桥梁安全性;目标;服役桥梁;概率;性能;寿命周期成本分析方法;总长度;管理者
摘要：	近期频繁发生的桥梁垮塌事件，引起了人们对于旧桥安全性的极大关注，国内的桥梁管理在安全性评估与维护决策方面的水平亟待提高。本文的研究工作主要针对安全性评估，尝试改善其准确性、降低其复杂性。同时亦考虑改进桥梁的维护决策分析方法以便其更好地服务于管理决策。本文分三篇，第一篇研究服役桥梁承受车辆荷载的安全性评估；第二篇研究基于裂缝统计量的性能评估方法；第三篇研究桥梁维护决策分析方法。在近期发生的垮桥事件中，有不少是重载车辆直接压垮的，其它事件中也存在重载车辆造成桥梁损伤的痕迹。目前的旧桥评估方法对此束手无策，因此对车辆荷载作用下的桥梁安全性进行分析刻不容缓。本文采用全概率方法分析桥梁的安全性，其中关键在于对车辆荷载及其效应的概率分析。首先推导得到多模态变量的极值分析方法，进而采用阈值模型估计车辆荷载及其效应的截口分布，采用点过程模型估计车辆荷载效应的最大值分布，结合对抗力的概率估计，得到对旧桥安全性的概率评估结果。按照车辆运行状态分三类情况对桥梁安全性进行评估，即稀疏运行状态、正常运行状态及拥堵状态，三类状态分别建立不同的模型进行荷载效应的分析。对于服役桥梁的准确评估应该按照正常运行状态分析，根据其实际的车流密度大小来估计可能发生的荷载效应的极值；同时将稀疏运行状态及拥堵状态两种极端状况从正常运行状态中分离出来，用于满足不同的分析需求。对各种状态下桥梁安全性分析的结果表明，在目前的车辆荷载作用下，按照规范中设计荷载设计的桥梁面临显著的失效风险，即使在车流量不大的情况下，桥梁的安全性也不满足规范的要求，而如果在夜间意外发生拥堵，则桥梁将以较大的概率发生失效。由此证明，考虑实际车辆荷载对桥梁进行安全性评估得到的结果比设计的目标安全性低，因此，服役桥梁的安全性评估必须置于对实际车辆荷载的准确评估的基础上。旧桥的安全性评估并非定期实施，仅在有迹象表明安全性降低的情况下才被执行，这是导致近年来桥梁事故多发的原因之一。而目前使用的承载能力评估方法费用大、周期长，不可能频繁实施，因此研究替代方法极为必要。由于在桥梁的法定例行检查中记录了大量裂缝数据，考虑到结构开裂与承载之间的必然联系，因此本文尝试通过裂缝对结构性能进行评估。首先定义承载率指标为“结构服役期间所经历之荷载效应与抗力比值的最不利状态”，其次考虑三种裂缝统计量，即总长度、最大宽度及总面积，提出根据裂缝统计量通过回归模型推断承载率的评估方法。有限元分析表明，无论是加载状态下的裂缝，或卸载后的残余裂缝，其统计量均与承载率有密切关系。进一步，采用有限元模拟试验分析了各种因素对于这一关系的影响。最后针对一批混凝土简支T梁构件，根据其裂缝及承载率数据，建立了承载率与裂缝总长度之间的回归模型。根据所得模型的拟合效果可知，裂缝总长度完全可以反映承载率的变化，是对承载率进行估计的合适的裂缝统计量。但是，在建立更准确的模型之前，需要大幅提高裂缝及承载率的样本数据的质量。目前被广为接受的寿命周期成本分析方法是桥梁维护决策分析的主要方法，但是一些因素不适合或难以用货币来衡量，况且这种僵硬的决策方法完全不顾及管理者本身的愿望或目的，因此需要改进或提出新的替代方法。一些研究人员将各种性能列为目标与成本共同优化，本文则采用能够综合反映各种性能及其退化率的“寿命”指标作为其中一个优化目标，进一步根据不确定决策理论，建立了成本寿命双目标不确定优化模型。通过设置寿命目标，可以在不同的性能(如安全性、适用性等)之间取得平衡，而且这种模型给管理者提供了按照自己对不同目标的偏好来调整决策的机会。这种更具弹性的决策模型显然有利于管理者在更高的层次上对资源进行规划。最后针对一批钢筋混凝土构件，分析了硅烷处理的最优策略，以及重建策略中触发维修行为的最优安全阂值。算例分析的结果表明所提方法是可行的。
作者：	杜江
专业：	结构工程
导师：	韩大建
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文