基于指标的桥梁性能与最优养护策略关系分析研究

摘要：按照可靠指标和状态指标定标分析了两者内在的关系，引用了外国学者描述状态过程的非线性模型，运用了现有的养护技术，计算了在桥梁多组合养护技术下退化桥梁的时变可靠指标和状态指标，在桥梁全寿命周期养护中，将各种养护方案相结合，可以大大减少桥梁成本，提高桥梁的性能，延长桥梁的服役期。

关键词：可靠指标；状态指标；养护策略；成本；退化

0 引言

一些传统的桥梁设计，较容易忽视环境和桥梁的协调以及自身的美学等因素，比较注重初期的设计与施工的投入，从而忽视桥梁运营管理和养护维修的成本，致使桥梁在后期服役阶段，可靠性指标和状态指标下降，安全性降低，得到最佳的养护维修方案， 桥梁工程师们需要结合国内外现有桥梁维修实践的经验与规律性， 又需要能够合理安排与科学规划维修活动的优化管理方法。本文提出了可靠指标和状态指标的非线性模型，及其变化规律，各种养护方案对于桥梁性能的影响，最终得出最优的养护的策略。

1 指标的计算原理

1.1 桥梁状态指标是在服役过程中所表现的外观变化量，在其使用过程中，其内在的可靠性随着使用不断的降低，而外观也在发生相应的变化，而为了能够用数学的方法，将桥梁的外在变化用模型表达出来，Van Noortwijk用线性模型描述状态过程，为了能反应更复杂的状态变化，本文建立了状态指标的非线性模型如下式所示：

状态指标变化规律分别如图1.1所示，图1.1中：C0为结构初始状态指标；tCI为结构开始劣化时间；Carget为结构目标状态指标，即当Carget

1.2由于桥梁在退化过程中，影响因素多，线型退化模型并不能完全反映其规律，加上退化后，影响因素的非线性化，因此，需要更合理的退化模型，本研究提出了非线性退化的指数模型：

用图1.2表示该模型的变化规律：

图1.2中：β0为结构初始可靠指标；tI为结构开始劣化时间，该时间应该区别于结构腐蚀开始时间tI，tI≥tIβarget结构目标可靠指标，即当βarget

可靠指标的退化通常以桥梁的性能为基础， 主要是对应承载能力极限状态， 对于状态的退化更趋于外观， 主要是对应正常使用极限状态， 描述由腐蚀引起的开裂。当没有维护作用时， 2个指标相互独立，如果考虑结构维护时， 二者则是时变的性能指标， 关系为：可靠指标与状态指标可能会相互影响， 有时也可能有很少或基本没有联系，

2基于指标的组合养护优化

对于研究养护活动的简单组合，虽然满足状态指标和可靠指标的要求，但是分布不合理，并且造成累计维护成本较高，组合的工况较多，如果对于每种工况进行组合优化分析，比较繁琐，本文主要考虑基于时间的维护方法（灌浆处理）和基于性能的维护活动（小规模混凝土修复，贴钢板或重建）进行相互的组合优化见表1.3。

其中：tOBJ为分析周期，CPM为预防性维护维护成本，CEM基于性能的完全维护成本，可根据文献5公式计算.tPM= t（tPI，tP），tEM= t（C = Ctargetorβ=βarget），

设计变量边界条件如下表1.4，μ（tPI.sl）为SL的第一次维护使用时间，μ（tp，SL）为 SL 的周期循环使用时间。可靠指标和状态指标在维护活动作用下的变化可根据公式计算，需满足的约束条件为：1.β（t）≥βtarget；2.C（t）≥ Ctarget

其中：βyarget=3.7和Ctarget =1.0 ，在优化过程中，各种参数的分布如表1.5所示：

3 实桥分析

本文对实验桥四川省某市二桥进行了分析整理，得到了如下表1.6；

从表1.6看出，根据寿命周期内成本最小的原则，以及维护的目标要求，

对于五种维护组合的比较分析可知：对于修改设计，由于由碳化腐蚀引起的结构劣化影响较小，结构服役期内重建和大规模的修复发生概率很低。组合维护策略C是最优的维护组合，其成本为18.21万元，结构的最低可靠指标和状态指标分别为4.49和3.98。在第2105年的可靠指标和状态指标分别为4.49和3.98。如果桥梁工程师们将此策略应用到结构中，进行设计方案的选择，那么此方法必为工程师所选。

4.结论

根据可靠指标和状态指标分析了两者内在的关系，引用了外国学者描述状态过程的非线性模型，及可靠指标反应退化规律的非线性退化的指数模型，提出了基于可靠和状态指标的维护方法，文章别地对实验桥四川省某市的二桥进行了可靠指标和状态指标参数进行了分析，并统计，将各种组合维护优化方法应用到此桥，得出实验桥在服役阶段期的可靠指标和状态指标，及维护成本数据，对发挥桥梁的最大性能，降低后期维护成本有实际意义，这样在进行维护决策时，减少因时间和工程师的经验等不同，产生的太大差异，这在一定程度上保证了优化决策的一致性和一贯性，同时，也更全面地考虑了结构性能，增强了维护的可靠性。

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作者简介：陈君（1987―），男，硕士，现就读于重庆交通大学结构工程专业。