摘要：碳纤维加固桥梁结构的健康监测提出了一种针对老化桥梁的健康监测的可靠性方法。首先,根据桥梁的类型提出了临界失效标准。然后基于这些标准定义安全界限。假定大量的失效标准是正态分布的随机变量。基于这样的假设,基本可靠性指标和基本失效概率为每个关键失效模式估计。已经发现基本失效概率值,桥梁系统失效概率值按这段时间考虑计算。最后,用系统失效概率来获得桥梁系统的可靠性指标。系统的可靠性指数用来
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达的桥梁在使用期间的状况较为片面。选择斯里兰卡国家铁路桥网络的一座铁路桥梁作为一个案例研究来说明该可靠度程序。对于这座桥,失效的最重要的形式是疲劳和腐蚀。应用程序的建议方法表明,桥梁在现有负载的情况下的现状是令人满意的。对可靠性的预测,不是为了抵御破坏,而是一种对基础设施管理进行有效的积极的健康监测方式。关键字：碳纤维结构健康监测状态评估维护可靠性指标失效概率1、介绍在当今迅速变化的世界中,人类的生活质量和国家经济发展依赖于基础设施的数量、质量、和有效性［1］。在世界各国，民用基础设施通常是需要维护的,康复,或更换的［2］。特别是对基础设施构成一个相当大的投资的高速公路和相关的地面运输系统，直接影响到一个国家的工业产值。目前大多数桥梁养护策略基于由桥梁检查员在不同时间间隔进行的视觉检查［3］。由于人类检测取决于个人检查员,其结果存在一定程度的不确定性。因此,绝对的依赖检验报告是不可靠的，而且可能导致错误的决策和桥梁拥有者的高维护成本。基于桥梁的剩余使用寿命维护成本的优化。另一方面,桥梁的检查员发现结构和非结构化缺陷,破坏和恶化过程的能力不应该被忽视。事实上,人类经验应该被纳入维护决策,但要有足够的主观的知识。只在那时,任何可接受的战略才能成为可能。当前桥梁结构健康监测方法存在许多缺点和普遍的不确定性。对结构健康监测和桥梁维护的知识不足造成由于频繁的维护活动,不可预见的桥梁损害,和偶然的桥梁失效引起的重大的经济损失。这些在金融,科学和其他资源方面的损失对于任何一个国家来说都是不可接受的。涉及桥梁养护的结构寿命预测和一般健康监测的复杂性激励研究者们制定出针对桥梁维护中的寿命预测和成本优化的通用方法。因此,任何针对健康监测和维护提出的方法应该基于现场研究的结果，这个结果能被实践中的工程师所接受所理解。由于有许多不确定性存在于在现代程序方法中,在确定的方法中概率的方法是有利的。在这情况下,基于可靠性的方法能够提供一个合理的方法来有效地利用稀缺资源，同时在结构的整个使用寿命中保持规定的可靠性水平［4］。2、方法2.1数学程序桥梁失效取决于许多与桥的类型相关的关键失效模式。对于钢桥,疲劳是占主导地位的失效模式。但也有一个相当大的腐蚀对在钢桥使用寿命期内产生影响。钢筋混凝土桥梁受到弯矩和剪力的影响。因此,人们根据桥的类型提出了关键失效模式这个概念。这些失效模式定义了评估桥梁结构的健康状况的数学过程。以安全保证极限Mi定义桥梁失效的第i个模式定义为:其中ZRi是材料强度变量，ZSi是荷载变量，当ZRi>ZSi时，桥梁处在安全状态，当ZRi
流程
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图2.3目标可靠性指标目标可靠性指标的值被不同的研究者使用。美国国家协会和高速路运输官员基于可靠性的使用的方法对钢桥的剩余寿命进行规范管理。在本指南,考虑两个水平的风险强度储备大的桥,可靠性指数取为2.0。强度储备小的桥,可靠性指数取为3.0［5］］。在这项研究中,目标可靠性指标的值取为3.0。2.4系统可靠性指标自然状态下，桥梁系统可靠性指标随时间的推移而降低。然而,它在初始时期是个常数值。这一时期的长短取决于桥本身的状况和所处的环境条件。通过适当的维护活动中,桥梁的使用寿命可以延长到远远超过桥的设计使用寿命。随着时间变化和维护活动的有无系统可靠性指标的变化如图2所示。最初，施工后可靠性指标00有一个较高值（＞6）并且时间T1内保持不变。T1之后，可靠性指数开始减少。在这期间，主要研究可靠性指标a的降低率。a的值依赖于特定的桥的退化过程。例如，位于沿海环境钢桁架桥的a高于位于内陆盐环境触发钢腐蚀的钢桥。当可靠性指标达到目标可靠性指标（0target）时,应采取某种形式的维护措施来保证桥梁的安全。这将增加可靠性指标的数量△0。△0的存在是伴随着一定的增加成本。因此,它通常是伴随着维护活动对可靠性指标的增加进行必要的优化。处于大修下的基本维护活动可靠性指数增加较日常预防维护活动高。在T3时间段内可靠性指标的增长是常数。在那之后,可靠性指标再次降低以一个角度为（a-6）6取决于维护活动，称为恶化率的降低。它在T4时期内有效果。之后，其降解率又变回a。当可靠度指标再次3、案例研究应用作为一个案例研究，选择钢桁架桥，作为可靠性模型来建模。在这个案例中，疲劳和腐蚀是最主要的失效形式。当桥梁的一个构件承受循环往复荷载时，它是因疲劳而失效。一般来说,疲劳被认为是钢桥的重要失效模式之一。如上所述,一个构件的失效可以使用如下公式来进行可靠性来建模:其中M是构件疲劳失效的安全极限，也是衡量构件失效的标准。Nf是加载在桥梁材料上的1总压力的循环次数。Nn桥梁使用到现在承受的压力循环次数。假定这两个变量服从正态分布曲线。当Nf>Nn,Ml>0,构件处在安全区域内。如Nf（As）required,M>0时，桥梁处于安全状态下。当（As）current<（As）required,M<022时，桥梁处于失效状态下。假设这两个变量都服从正态分布。根据这两个变量的平均值和标准差,腐蚀失效的可靠性指标可以表示为:直[£勺£.匕71«111Inquiredirrem(H)4月j}cuTrent+%dJ)ieqiiined已经把变量M转换成了标准正太分布变量，失效概率和可靠度指标的关系可以表示为：如果已经找到这两个变量的平均值和标准差，那么腐蚀失效的概率就能计算出来。腐蚀可以计算失败。因此,疲劳和腐蚀的可靠性指标可以用来求得系统失效概率如方程(5)和系统的可靠性指标如方程(6)。诺瓦克和斯泽斯恩［8］研究了疲劳和腐蚀模型。在疲劳方面，使用与2.1节介绍的相同的可靠性模型。对腐蚀的影响,研究了低、中、高三种腐蚀速率。他们对弯矩和剪力的影响已经被考虑进去了。然而,疲劳和腐蚀的组合效应影响没有进行详细研究。这座被选择研究的桥是位于斯里兰卡最长和最繁忙的铁路桥梁，它横跨紧邻首都科伦坡的凯拉尼河的两岸，长160米。这是一个沃伦桁架八跨桥，桥上通行双车道类型桁架和半铁路货车。桥墩是由铸铁做的沉箱其中填充混凝土做成。这座桥是由英国工程师建于1885年，之后进行了一些修改。如图3所示的视图是现在这座桥的图片。表1随着时间的推移,桥上通行的列车数量的递增。选中的桥由属于不同装置的不同形状和截面的构件组成。对桥的结构分析,最重要的是要确定这些设置的不同，以至于在不同的构件设置下能够很容易的解释出桥梁在荷载作用下的反应。图4是不同构件设置下桁架的立面图，图5是桥梁的平面图，其相应的构件系列也定义了。这两组数据给出了表1列车数量随时间的变化表时间列车数量/天1995-现在801985-1995721975-1985641970-1975561950-1970421930-1950321910-1930241985-1910201SET2...SET2c.SET2SET3-SET4„SET占,、sm%昜wqX/iuK<丄J.対/举乡y迪熒」z、.SET2ySET2、s-/SET2\ySET2比5ET3\ZSET3\・/SET4SZSETA乙=SET4/\2“匸-匸:*图1所研究桥梁的照片图4桁架构件设置编号UVAChY/ZLIEi_lC.0ELBS匕j9-^VA±IVA■7-Li0BzIVA2JVAaisl：JVA—2±IVA±IVA-tITAE图5桥板编号LL3LJ52‘ELE'<3K.E135对于疲劳和腐蚀失效在不同构件设置下的当前基本可靠度指标构件设置疲劳可靠度指标腐蚀可靠度指标第1组（主梁）9.608.00第3组（主梁）7.308.00第4组（主梁）4.337.50第8组（十字交叉梁）4.337.50第9组（铁轨梁）4.859.00第6组（诊断张力构件）7.099.00第7组（诊断张力构件）7.129.00第8组（诊断张力构件）6.849.00第9组（诊断张力构件）6.969.00一些关于不同的构件系列和在桥中独特的位置的信息。这些不同的构建系列中，有9中与疲劳失效相关的构件系列［9］。这些都是系列2（主梁）,系列3（主梁）,系列4（主梁）,系列8（十字架交叉梁）,系列9（铁轨梁）,系列6（对角线张力构件）,系列7（对角张力构件）,系列8（对角张力构件）和系列9（对角张力构件）［9］。3.1结果考虑桥的如表1所示加载历史情况下,失效的第一种模式（疲劳）,当前可靠性指标已计算出并
总结
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在表2中。同样,在当前腐蚀的条件下，桥也被研究过。在此检查的基础上,各个构件的基本可靠性指标能求出并展示在表2中。运用此文所介绍的方法,系统可靠性指标能被计算出来，如表3所示。综上所述,就可以得出结论,当前所有构件系列是安全的,因为它们的所有构件系列的可靠指标值高于目标的可靠指标值（3.0）。然而,一些构件的可靠性指标相比其他构件较低。这些成员的腐蚀程度应该给予监测和应该不断地检查疲劳积累。一旦这些值达到目标可靠性指标的值，用新构件代替他们的时候到了。研究成果已应用于现有的桥梁和基于结果估计寿命也达到了满意的效果。该方法可以应用于桥的寿命估算。绘制系统可靠度指标随着时间的变化趋势图能够预测不同的构件系列的桥梁剩余使用寿命。4、结论本研究关注于如何用可靠性指标来估算铸铁桥梁的健康状况。为了制定该指数，选用疲劳和腐蚀作为其关键的失效模式。基于这些失效模式提出了可靠度模型。使用这个指标,铸铁桥的失效概率能够被求出并用于表达桥梁的现状。选择斯里兰卡国家铁路网作为一个案例进行研究。人们发现尽管腐蚀的迹象已经出现在桥中，当前桥的状态还是令人满意的。根据本文中所提出的理论,可以对铸铁桥梁进行养护和健康监测。致谢本文作者非常感谢斯里兰卡国家自然科学基金的资金支持。研究编码:NSF/SCH/2005/02andRG/2002/E/01.参考文献Kong,J.S.andFrangopol,D.M.(2004).Costreliabilityinteractioninlifecyclecostoptimizationofdeterioratingstructures.JournalofStructuralEngineering,130(11),1704-1712.Kong,J.S.andFrangopol,D.M.(2004).Predictionofreliabilityandcostprofileofdeterioratingbridgesundertimeandperformance-controlledmaintenance.JournalofStructuralEngineering,130(12),18651874.Sommer,A.,Nowak,A.S.andChristensen,P.T.(1993).Probabilitybasedbridgeinspectionstrategy.JournalofStructuralEngineering,119(12),352-3536.Estes,A.C.andFrangopol,D.M.(2005).Loadratingversusreliabilityanalysis.JournalofStructuralEngineering,131(5),843847.Yang,J.andDewolf,J.T.(2002).Reliabilityassessmentofhighwaytrusssignsupports.JournalofStructuralEngineering,128(11),14291438.Christensen,P.T.andBaker,J.(1982).StructuralReliabilityTheoryanditsApplications,Berlin,Germany:Springer-Verlag.Christensen,P.T.andMurotsu,J.(1986).ApplicationofStructuralSystemsReliabilityTheory,Berlin,Germany:Springer-Verlag.Nowak,A.S.andSzerszen,M.M.(2001).LifeCycleCostAnalysisandDesignofCivilInfrastructureSystems,pp.239-250,USA：AmericanSocietyofCivilEngineers.Ranaweera,M.P.,Aberuwan,H.,Mauroof,A.L.M.,Herath,K.R.B.,Dissanayake,P.B.R.,Siriwardane,S.A.S.C.andAdasooriya,A.M.N.D.(2002).StructuralappraisaloftherailwaybridgeatColombooverKelaniriver,EngineeringDesignCentre,UniversityofPeradeniya,Peradeniya,SriLanka.
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