大跨径斜拉桥拉索状况评定方法及装置与流程

本发明涉及桥梁评估、养护和管理领域，特别涉及一种大跨径斜拉桥拉索状况评定方法及装置。

背景技术：

由于大跨径斜拉桥设计阶段的计算与实际的差异，施工期间技术、方法、质量上的问题，建成通车后在运营期发生材料缺陷，环境腐蚀，车辆超载以及养护管理不到位的因素，已建成的大跨径斜拉桥拉索构件在使用过程中逐渐出现了各类病害，且在行车荷载的反复循环作用下，其疲劳性能也逐渐衰减，导致拉索总体性能退化。这些病害的出现不仅影响了斜拉桥整体的安全运营，同时也降低了斜拉桥主体结构的安全储备。为了确保桥梁的结构安全和运营安全，研究更加科学合理的斜拉索技术状况评定方法是十分必要的。

桥梁构件的技术状况评定是桥梁养护管理研究方向的一个重要分支，其评估结果将会为下一阶段的全桥维修及养护决策提供依据。作为斜拉桥养护工作的重点，对于结构和力学行为更为复杂的大跨径斜拉桥斜拉索构件来说，现行行业规范及方法尚难以完全、准确地评估其状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术，提供一种基于半概率和半状态的大跨斜拉桥拉索构件状况评定方法，根据斜拉索不同病害特点，分别采用基于概率和状态的方法进行评估，之后融合概率评估和状态评估结果，获得基于斜拉索的半概率半状态的评估结果。该评估方法能够有效提高大跨径斜拉桥拉索构件评估的全面性和准确性，指导养护管理决策。

实现本发明目的的技术解决方案为：大跨径斜拉桥拉索构件状况评定方法，所述方法包括以下步骤：

对斜拉索构件进行病害特征分析；

针对斜拉索疲劳特征，采用基于概率的评估方法进行评估；针对其他特征，采用基于状态的评估方法进行评估；

融合两种评估结果获得斜拉索状况评定结果。

进一步地，所述基于状态的评估方法的评估公式为：

当x＝1时，u1＝dpcable1

当x≥2时，其中j＝x,x取2,3,···,k

当dpcablej＝100时，mcicable＝0

式中，mcicable为斜拉索构件的评分值；k为构件出现的底层评价指标类型数量；u、x、y为引入的中间变量；dpcablej为斜拉索构件的第j个检测评价指标的扣分值，扣分值按照从大到小的顺序排列。

进一步地，所述基于概率的评估方法包括以下步骤：

步骤3-1，构建斜拉索疲劳评估指标，具体包括：

(1)构建斜拉索极限状态方程为：

g(dc,c)＝dc-d(n)＝0

式中，dc为斜拉索临界损伤值，视为随机变量；d(n)为斜拉索累积疲劳损伤值，属于随机值，随疲劳加载循环次数n单调增加；c为斜拉索材料性能参数；

(2)结合斜拉索疲劳强度曲线方程和miner线性累积损伤准则描述斜拉索累积疲劳损伤d(n)为：

式中，m、c为材料性能参数，δσi为斜拉索第i次随机应力历程的应力幅；δσe为斜拉索变幅或随机应力的等效应力幅，ni为斜拉索第i次随机应力历程的作用次数；q为应力历程数；n为斜拉索的疲劳作用总次数，n为疲劳加载循环次数；

(3)根据上述斜拉索极限状态方程和疲劳损伤d(n)，构建疲劳可靠度指标β为：

其中，

μlnc＝μlnn+mlnδσ0

σlnc＝σlnn

式中，μz、σz分别为斜拉索构件功能函数z的平均值和标准差；μlndc、σlndc分别为斜拉索材料累计损伤对数的平均值和标准差；μlnc、σlnc分别为斜拉索材料性能参数c对数的平均值和标准差；δσ0为与平均疲劳寿命对应的应力幅值；

步骤3-2，获取斜拉索疲劳参数，计算疲劳可靠度指标β值；

所述斜拉索疲劳参数包括斜拉索材料性能参数m、c、μn、δn，斜拉索的等效应力幅δσe及等效疲劳次数n；所述m、c为与斜拉索材料有关的常数，μn、δn分别为斜拉索平均疲劳寿命的均值、标准差；其中，等效应力幅δσe及疲劳加载循环次数n的计算公式为：

步骤3-3，利用标准正态累积分布函数计算斜拉索疲劳可靠概率p(n)：

进一步地，所述融合两种评估结果获得斜拉索状况评定结果，所用公式为：

mci＝a1×mcicable+a2×p(n)×100

式中，mci为融合后的评定结果，a1、a2分别为基于状态的评估方法的评估结果、基于概率的评估方法的评估结果的权重值，a1+a2＝1。

大跨径斜拉桥拉索构件状况评定装置，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于运行所述程序；

其中，所述程序在所述处理器中运行时，用于执行以下步骤：

对斜拉索构件病害进行特征分析；

针对斜拉索疲劳特征，采用基于概率的评估方法进行评估；针对其他特征，采用基于状态的评估方法进行评估；

融合两种评估结果获得斜拉索状况评定结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过概率方法，以疲劳可靠概率的形式将斜拉索疲劳性能这一难以直接检测的病害引入斜拉索技术状况评估体系中，并与规范方法进行融合得到半状态半概率的综合评定分数，实现斜拉索状态的完整评估；2)本方法能够有效提高大跨径斜拉桥拉索构件评估工作的全面性和准确性，指导养护管理决策。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中大跨径斜拉桥拉索构件状况评定方法流程图。

图2为一个实施例中大跨径斜拉桥拉索索力监测数据预处理图，其中图(a)为索力传感器典型的一小时采样数据，图(b)为对图(a)滤波降噪后的数据。

图3为一个实施例中大跨径斜拉桥索力长期监测信号小波分解图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明的技术思路为：首先进行斜拉索实际结构的病害检测，根据对病害进行特征分析将其分为两类：对于基于既有检测技术已经能够完全掌握的病害而言，直接根据病害检测结果，采用基于状态的评估方法，对于不确定性较高的疲劳性能，利用概率方法对其进行评估；然后，根据两种不同的评估对策，基于状态的评估方法按照规范进行标度；基于概率的疲劳评估方法，采用可靠度进行标度；对两种方法的评估结果转化到同一尺度融合，得到构件综合评估结果。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种大跨径斜拉桥拉索构件状况评定方法，该方法包括以下步骤：

对斜拉索构件进行病害特征分析；

针对斜拉索疲劳特征，采用基于概率的评估方法进行评估；针对其他特征，采用基于状态的评估方法进行评估；

这里，其他特征包括：斜拉索锈蚀、断丝、滑移变位、涂层损坏、护套内材料老化变质、锚固区损坏、拉索线形异常、斜拉索护套病害等等。

融合两种评估结果获得斜拉索状况评定结果。

进一步地，在其中一个实施例中，所述基于状态的评估根据现有规范《公路桥梁技术状况评定标准》(jtg/th21-2011)进行评估，评估公式为：

当x＝1时，u1＝dpcable1

当x≥2时，其中j＝x,x取2,3,···,k

当dpcablej＝100时，mcicable＝0

式中，mcicable为斜拉索构件的评分值；k为构件出现的底层评价指标类型数量；u、x、y为引入的中间变量；dpcablej为斜拉索构件的第j个检测评价指标的扣分值，扣分值按照从大到小的顺序排列。

进一步地，在其中一个实施例中，所述基于概率的评估方法包括以下步骤：

步骤3-1，构建斜拉索疲劳评估指标，具体包括：

(1)构建斜拉索极限状态方程为：

g(dc,c)＝dc-d(n)＝0

式中，dc为斜拉索临界损伤值，视为随机变量；d(n)为斜拉索累积疲劳损伤值，属于随机值，随疲劳加载循环次数n单调增加；c为斜拉索材料性能参数；

(2)结合斜拉索疲劳强度曲线方程和miner线性累积损伤准则描述斜拉索累积疲劳损伤d(n)为：

式中，m、c为材料性能参数，δσi为斜拉索第i次随机应力历程的应力幅；δσe为斜拉索变幅或随机应力的等效应力幅，ni为斜拉索第i次随机应力历程的作用次数；q为应力历程数；n为斜拉索的疲劳作用总次数，n为疲劳加载循环次数；

(3)根据上述斜拉索极限状态方程和疲劳损伤d(n)，构建疲劳可靠度指标β为：

其中，

μlnc＝μlnn+mlnδσ0

σlnc＝σlnn

式中，μz、σz分别为斜拉索构件功能函数z的平均值和标准差；μlndc、σlndc分别为斜拉索材料累计损伤对数的平均值和标准差；μlnc、σlnc分别为斜拉索材料性能参数c对数的平均值和标准差；δσ0为与平均疲劳寿命对应的应力幅值；

步骤3-2，获取斜拉索疲劳参数，计算疲劳可靠度指标β值；

所述斜拉索疲劳参数包括斜拉索材料性能参数m、c、μn、δn，斜拉索的等效应力幅δσe及等效疲劳次数n；所述m、c为与斜拉索材料有关的常数，μn、δn分别为斜拉索平均疲劳寿命的均值、标准差；

其中，斜拉索材料性能参数m、c、μn、δn可以通过实际斜拉索使用的钢丝或钢绞线性能实验获得。

对于斜拉索等效疲劳次数n和等效应力幅δσe，既有大跨度斜拉桥大多安装了长期监测系统，可以得到实时的斜拉索索力，这些索力信息中反映了桥梁温度、车辆荷载以及风的耦合作用环境的影响，不仅包含了低频结构响应(静态效应)，还涵盖了风、车、桥耦合振动引起的动态结构响应。利用中值滤波方法对索力监测数据进行降噪，消除噪声的影响。

由于索力监测数据中信号的频率差异显著，可以用小波分析的方法对监测数据做多层的小波分解，获得的高频部分作为车辆荷载效应成分。优选地，选取daube-chies(db12)小波函数进行分析。

基于长期监测数据的索力结果，选用雨流计数法，综合考虑斜拉索出厂时的疲劳性能参数，采用滤波、分离和动态参数识别方法，结合车辆荷载的长期趋势分析，对待评估的斜拉索进行等效疲劳次数n、等效应力幅δσe计算：

步骤3-3，根据前述步骤的计算结果，综合考虑疲劳线性累计损伤理论miner准则，利用标准正态累积分布函数计算斜拉索疲劳可靠概率p(n)：

进一步地，在其中一个实施例中，所述融合两种评估结果获得斜拉索状况评定结果mci，所用公式为：

mci＝a1×mcicable+a2×p(n)×100

式中，a1、a2分别为基于状态的评估方法的评估结果、基于概率的评估方法的评估结果的权重值，a1+a2＝1。

进一步优选地，在其中一个实施例中，所述a1＝a2。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明的大跨径斜拉桥拉索构件状况评定方法进行进一步说明，具体包括以下内容：

某2005年建成的大跨径斜拉桥已经服役超过十年，对其进行跨中位置sjx21编号斜拉索的半状态半概率评定，包括：

步骤1，通过实地调研，对斜拉索构件病害进行特征分析，对于基于既有检测技术已经能够完全掌握的病害直接根据病害检测结果，采用基于状态的评估方法；对于不确定性较高的疲劳问题，利用概率方法对其进行评估；

步骤2，根据现有规范《公路桥梁技术状况评定标准》(jtg/th21-2011)进行基于状态的评估，其既有检测技术已经能够完全掌握的斜拉索病害检测及评估结果得到斜拉索系统评定为mcicable＝78.2分。

步骤3，对于不确定性高的斜拉索疲劳问题，根据其影响因素，计算其保持性能概率，从概率论角度进行研究，具体步骤如下：

步骤3-1，建立复杂荷载下斜拉索疲劳评估指标：

采用威布尔分布随机变量来表示拉索的疲劳寿命，进而表述斜拉索疲劳破坏规律，其概率密度函数即疲劳可靠度指标β为：

步骤3-2，获取斜拉索疲劳参数：

基于现有的斜拉索疲劳试验结果，m＝3.645、μn＝1.128×10⁸、δn＝3.058；

由此计算出钢丝斜拉索μlnc＝42.591，σlnc＝1.529。

该示例中的大跨度斜拉桥安装了长期监测系统，可以得到实时斜拉索索力，这些索力信息中反映了桥梁温度、车辆荷载以及风的耦合作用环境的影响。

采用中值滤波的方法进行降噪，图2为采用窗宽为3的中值滤波后的数据，表明滤波后的信号基本消除了噪声的影响；采用daube-chies(db12)小波函数对监测数据进行12层分解，得到图3所示的高、低频信号。根据长期监测数据计算一次循环下最不利斜拉索活载疲劳应力幅值：δσe＝28.63mpa。

根据上述所有斜拉索疲劳参数求得斜拉索疲劳可靠度指标为9.08；

步骤3-3、根据前述计算结果，综合考虑疲劳线性累计损伤理论miner准则，计算斜拉索疲劳可靠度概率p(n)为0.999，说明该斜拉索构件疲劳指标较好，不存在严重的疲劳问题。

步骤4，融合两种评估结果获得斜拉索状况评定结果：

mci＝0.5×mcicable+0.5×p(n)×100＝89.05分

由上可以看出，本发明评估方法能够有效提高大跨径斜拉桥拉索评估的全面性和准确性，指导养护管理决策。

在一个实施例中，提供了一种大跨径斜拉桥拉索构件状况评定装置，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于运行所述程序；

其中，所述程序在所述处理器中运行时，用于执行以下步骤：

对斜拉索构件病害进行特征分析；

针对斜拉索疲劳特征，采用基于概率的评估方法进行评估；针对其他特征，采用基于状态的评估方法进行评估；

融合两种评估结果获得斜拉索状况评定结果。

在一个实施例中，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，在说书程序指令被计算机或处理器运行时使得所述计算机或处理器执行本发明实施例的大跨径斜拉桥拉索构件状况评定方法的相应步骤。所述存储介质例如可以包括智能电话的存储卡、平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器、可擦除可编程只读存储器、便携式紧致盘只读存储器、usb存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。