碳纖維加固橋梁結構的健康監測摘要：提出了一種針對老化橋梁的健康監測的可靠性方法。首先，根據橋梁的類型提出了臨界失效標準。然后基于這些標準定義安全界限。假定大量的失效標準是正態分布的隨機變量。基于這樣的假設，基本可靠性指標和基本失效概率為每個關鍵失效模式估計。已經發現基本失效概率值，橋梁系統失效概率值按這段時間考慮計算。最后，用系統失效概率來獲得橋梁系統的可靠性指標。系統的可靠性指數用來表達的橋梁在使用期間的狀況較為片面。選擇斯里蘭卡國家鐵路橋網絡的一座鐵路橋梁作為一個案例研究來說明該可靠度程序。對于這座橋，失效的最重要的形式是疲勞和腐蝕。應用程序的建議方法表明，橋梁在現有負載的情況下的現狀是令人滿意的。對可靠性的預測,不是為了抵御破壞，而是一種對基礎設施管理進行有效的積極的健康監測方式。關鍵字：碳纖維結構健康監測狀態評估維護可靠性指標失效概率1、介紹在當今迅速變化的世界中，人類的生活質量和國家經濟發展依賴于基礎設施的數量、質量、和有效性［1］。在世界各國，民用基礎設施通常是需要維護的，康復，或更換的⑵。特別是對基礎設施構成一個相當大的投資的高速公路和相關的地面運輸系統，直接影響到一個國家的工業產值。目前大多數橋梁養護策略基于由橋梁檢查員在不同時間間隔進行的視覺檢查⑶。由于人類檢測取決于個人檢查員，其結果存在一定程度的不確定性。因此，絕對的依賴檢驗報告是不可靠的，而且可能導致錯誤的決策和橋梁擁有者的高維護成本。基于橋梁的剩余使用壽命維護成本的優化。另一方面，橋梁的檢查員發現結構和非結構化缺陷，破壞和惡化過程的能力不應該被忽視。事實上，人類經驗應該被納入維護決策，但要有足夠的主觀的知識。只在那時,任何可接受的戰略才能成為可能。當前橋梁結構健康監測方法存在許多缺點和普遍的不確定性。對結構健康監測和橋梁維護的知識不足造成由于頻繁的維護活動,不可預見的橋梁損害,和偶然的橋梁失效引起的重大的經濟損失。這些在金融，科學和其他資源方面的損失對于任何一個國家來說都是不可接受的。涉及橋梁養護的結構壽命預測和一般健康監測的復雜性激勵研究者們制定出針對橋梁維護中的壽命預測和成本優化的通用方法。因此，任何針對健康監測和維護提出的方法應該基于現場研究的結果，這個結果能被實踐中的工程師所接受所理解。由于有許多不確定性存在于在現代程序方法中，在確定的方法中概率的方法是有利的。在這情況下，基于可靠性的方法能夠提供一個合理的方法來有效地利用稀缺資源，同時在結構的整個使用壽命中保持規定的可靠性水平［4］。2、方法2.1數學程序橋梁失效取決于許多與橋的類型相關的關鍵失效模式。對于鋼橋,疲勞是占主導地位的失效模式。但也有一個相當大的腐蝕對在鋼橋使用壽命期內產生影響。鋼筋混凝土橋梁受到彎矩和剪力的影響。因此，人們根據橋的類型提出了關鍵失效模式這個概念。這些失效模式定義了評估橋梁結構的健康狀況的數學過程。以安全保證極限Mi定義橋梁失效的第i個模式定義為：Mi=ZRt-Zs,i=11tft（1）其中ZRi是材料強度變量，ZSi是荷載變量，當ZRi>ZSi時，橋梁處在安全狀態，當ZRi<ZSi時，橋梁處于失效狀態如果獲得抗力變量和荷載變量的平均值和標準差已知，可靠指標可由下式求得：在公式（2）中pZRi和oZRi表示抗力的平均值和標準差，pZSi和oZSi表示荷載的平均值和標準差。可靠度指標是用安全極限的平均值和安全極限的標準差的離散程度來表達橋的狀態，一般來說，可靠度指標越高，橋的狀況越好，這里假設強度和荷載變量都服從正態分布。變量服從正態性的假定在保持一定精度情況下簡化了可靠度指標的計算。如果可靠度指標已知，失效概率可有下式求得：*=就-盼.…也 （3）其中①是標準正態分布的分布函數，將等式（2）帶入等式（3）可得失效概率的物理意義是表達失效概率如何關閉，因此失效概率越高暗示著失效的可能性越大。對于每一個失效模式(i=1,2,,,n),根據方程(4),基本的可靠性指數和基本的失效概率都能計算出來。下一步是計算系統的失效概率。橋實際的失效可以歸因于幾個失效模式。因此，必須建立一個系統模型。在這種情況下,它假定所有失效模式與一系列系統相聯系的。因此，系統的失效概率可以通過文獻［6刀介紹的一個簡單的界限計算出來。其中n種不相關的模式代表(5)式的下界和n中相互關聯的模式代表(5)式的上界，已知系統的失效概率以后,可以通過文獻［6刀來計算出系統的可靠度可以使用系統的可靠度指標來表達橋的現狀。在上式方程中可以計算出橋梁系統在任何時刻的可靠度指標。2.2可靠度的計算過程的圖表表示可靠性研究過程如圖1所示。在合適的時間間隔情況下，可以遵循圖1中的過程來計算系統的可靠性指標。這個值與橋梁的目標可靠性指標相比較。目標可靠性指標是橋梁失效的最低的允許值。如果指標的當前值高于目標值,不需要進行專業維護。然而，在這個階段，最好進行常規的維護。當目前的系統可靠性指標高于目標可靠性指標，應該通過專業維護來增加當前可靠度指標值使其大于目標可靠性指標。決定失效模式的類型

圖一可靠指標算法流程圖2.3目標可靠性指標目標可靠性指標的值被不同的研究者使用。美國國家協會和高速路運輸官員基于可靠性的使用的方法對鋼橋的剩余壽命進行規范管理。在本指南,考慮兩個水平的風險。強度儲備大的橋,可靠性指數取為2.0。強度儲備小的橋,可靠性指數取為3.0［5］］。在這項研究中，目標可靠性指標的值取為3.0。2.4系統可靠性指標自然狀態下，橋梁系統可靠性指標隨時間的推移而降低。然而,它在初始時期是個常數值。這一時期的長短取決于橋本身的狀況和所處的環境條件。通過適當的維護活動中,橋梁的使用壽命可以延長到遠遠超過橋的設計使用壽命。隨著時間變化和維護活動的有無系統可靠性指標的變化如圖2所示。最初，施工后可靠性指標60有一個較高值（＞6）并且時間T1內保持不變。T1之后，可靠性指數開始減少。在這期間，主要研究可靠性指標a的降低率。a的值依賴于特定的橋的退化過程。例如，位于沿海環境鋼桁架橋的a高于位于內陸鹽環境觸發鋼腐蝕的鋼橋。當可靠性指標達到目標可靠性指標（6target）時，應采取某種形式的維護措施來保證橋梁的安全。這將增加可靠性指標的數量△6。△6的存在是伴隨著一定的增加成本。因此,它通常是伴隨著維護活動對可靠性指標的增加進行必要的優化。處于大修下的基本維護活動可靠性指數增加較日常預防維護活動高。在T3時間段內可靠性指標的增長是常數。在那之后,可靠性指標再次降低以一個角度為（a-6）6取決于維護活動，稱為惡化率的降低。它在T4時期內有效果。之后，其降解率又變回a。當可靠度指標再次達到目標可靠度時，應該進行維護來提高結構的安全性。SystemreliabilityindexFTBWlt*Figure2SysLsmroliabilfLyvarialioncfalypiealbridge..3、案例研究應用作為一個案例研究,選擇鋼桁架橋，作為可靠性模型來建模。在這個案例中，疲勞和腐蝕是最主要的失效形式。當橋梁的一個構件承受循環往復荷載時，它是因疲勞而失效。一般來說,疲勞被認為是鋼橋的重要失效模式之一。如上所述，一個構件的失效可以使用如下公式來進行可靠性來建模：其中M是構件疲勞失效的安全極限，也是衡量構件失效的標準。Nf是加載在橋梁材料上的總壓力的循環次數。Nn橋梁使用到現在承受的壓力循環次數。假定這兩個變量服從正態分布曲線。當Nf>Nn,M1>0,構件處在安全區域內。如Nf<Nn,M1<0,構件處在失效區域內。根據以上求出的值，第一種模型的可靠度指標能夠通過下式求得I加=懺心 （力J（吭+或）在這里,M和0N是變量N平均值和標準差。同樣pn和。Nn是變量N平均值和標準差［6；。通過等式（8）已知可靠度指標，然后可以求出遭受疲勞荷載的構件的失效概率。失效概率由下式求出［6,7］:其中①是標準正態分布函數。腐蝕是鋼橋的另一種失效形式。對于腐蝕，可靠性模型可以基于鋼筋截面積提出如下：其中M2是當前腐蝕失效模式的安全界限，（As）current表示當時考慮的鋼筋截面面積，（As）required表示橋在負載時的鋼筋截面積。當（As）current>（As）required,M>0時，橋梁處于安全狀態下。當（As）current<（As）required,M<0時，橋梁處于失效狀態下。假設這兩個變量都服從正態分布。根據這兩個變量的平均值和標準差，腐蝕失效的可靠性指標可以表示為:

已經把變量M轉換成了標準正太分布變量，失效概率和可靠度指標的關系可以表示為：如果已經找到這兩個變量的平均值和標準差，那么腐蝕失效的概率就能計算出來。腐蝕可以計算失敗。因此，疲勞和腐蝕的可靠性指標可以用來求得系統失效概率如方程(5)和系統的可靠性指標如方程(6)。諾瓦克和斯澤斯恩［8］研究了疲勞和腐蝕模型。在疲勞方面，使用與2.1節介紹的相同的可靠性模型。對腐蝕的影響,研究了低、中、高三種腐蝕速率。他們對彎矩和剪力的影響已經被考慮進去了。然而，疲勞和腐蝕的組合效應影響沒有進行詳細研究。這座被選擇研究的橋是位于斯里蘭卡最長和最繁忙的鐵路橋梁，它橫跨緊鄰首都科倫坡的凱拉尼河的兩岸，長160米。這是一個沃倫桁架八跨橋，橋上通行雙車道類型桁架和半鐵路貨車。橋墩是由鑄鐵做的沉箱其中填充混凝土做成。這座橋是由英國工程師建于1885年，之后進行了一些修改。如圖3所示的視圖是現在這座橋的圖片。表1隨著時間的推移,橋上通行的列車數量的遞增。選中的橋由屬于不同裝置的不同形狀和截面的構件組成。對橋的結構分析,最重要的是要確定這些設置的不同，以至于在不同的構件設置下能夠很容易的解釋出橋梁在荷載作用下的反應。圖4是不同構件設置下桁架的立面圖，圖5是橋梁的平面圖，其相應的構件系列也定義了。這兩組數據給出了表1列車數量隨時間的變化表時間列車數量/天1995-現在801985-1995721975-1985641970-1975561950-1970421930-1950321910-1930241985-191020圖1所研究橋梁的照片圖4桁架構件設置編號對于疲勞和腐蝕失效在不同構件設置下的當前基本可靠度指標構件設置疲勞可靠度指標腐蝕可靠度指標第1組（主梁）9.608.00第3組（主梁）7.308.00第4組（主梁）4.337.50第8組（十字交叉梁）4.337.50第9組（鐵軌梁）4.859.00第6組（診斷張力構件）7.099.00第7組（診斷張力構件）7.129.00第8組（診斷張力構件）6.849.00第9組（診斷張力構件）6.969.00一些關于不同的構件系列和在橋中獨特的位置的信息。這些不同的構建系列中，有9中與疲勞失效相關的構件系列［9］。這些都是系列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（鐵軌梁），系列6（對角線張力構件），系列7（對角張力構件），系列8（對角張力構件）和系列9（對角張力構件）⑼。3.1結果考慮橋的如表1所示加載歷史情況下，失效的第一種模式（疲勞），當前可靠性指標已計算出并總結在表2中。同樣，在當前腐蝕的條件下，橋也被研究過。在此檢查的基礎上,各個構件的基本可靠性指標能求出并展示在表2中。運用此文所介紹的方法，系統可靠性指標能被計算出來，如表3所示。綜上所述，就可以得出結論,當前所有構件系列是安全的，因為它們的所有構件系列的可靠指標值高于目標的可靠指標值（3.0）。然而，一些構件的可靠性指標相比其他構件較低。這些成員的腐蝕程度應該給予監測和應該不斷地檢查疲勞積累。一旦這些值達到目標可靠性指標的值，用新構件代替他們的時候到了。研究成果已應用于現有的橋梁和基于結果估計壽命也達到了滿意的效果。該方法可以應用于橋的壽命估算。繪制系統可靠度指標隨著時間的變化趨勢圖能夠預測不同的構件系列的橋梁剩余使用壽命。4、結論本研究關注于如何用可靠性指標來估算鑄鐵橋梁的健康狀況。為了制定該指數，選用疲勞和腐蝕作為其關鍵的失效模式。基于這些失效模式提出了可靠度模型。使用這個指標，鑄鐵橋的失效概率能夠被求出并用于表達橋梁的現狀。選擇斯里蘭卡國家鐵路網作為一個案例進行研究。人們發現盡管腐蝕的跡象已經出現在橋中，當前橋的狀態還是令人滿意的。根據本文中所提出的理論，可以對鑄鐵橋梁進行養護和健康監測。致謝本文作者非常感謝斯里蘭卡國家自然科學基金的資金支持。研究編碼：NSF/SCH/2005/02andRG/2002/E/01.參考文獻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),35203536.Estes,A.C.andFrangopol,D.M.(2005).Loadratingversusreliabilityanalysis.JournalofStructuralEngineering,131(5),843847.Yang,J.andDewolf,J.T.(2002).Reliabilityassessmentofhighwaytrusssignsupports.JournalofStructuralEngineering,128(11),142-91438.Christensen,P.T.