基于概率模型的桥墩维护成本优化研究

摘要

传统的抗震设计方法在设计时一般没有考虑氯离子腐蚀的影响，而钢筋混凝土桥梁随着服役年限增加抗震能力逐渐下降，这将导致维护成本过高。将全寿命周期理论引入到桥梁工程等基础设施的设计中是国内外科研的普遍关注课题。全寿命周期理论主要关注是结构的性能与寿命周期内的总成本协调关系。用传统的抗震设计方法的混凝土桥梁，使其后期的维护成本最小化是使结构的安全性和经济性达到优化配置的关键。
　　本文主要借助Matlab结合蒙特卡洛方法编制相关程序，考虑桥墩在服役期内的动态可靠度和状态指标以及它们与维护策略的关系。主要研究内容如下：
　　（1）基于Fick第二定律考虑氯离子的扩散模型，结合Monte-Carlo计算得出钢筋的初始劣化时间。建立了设计使用年限为100年的最大地震作用效应的概率分布模型。结合动态抗力和寿命周期内最大地震作用效应，对实例进行研究，模拟了桥墩的时变可靠度指标变化规律。
　　（2）建立含有两个均匀随机参数的高次非线性可靠度劣化模型，利用实例的可靠度指标，对比了本文模型、指数模型、线性模型与其吻合程度。引入了状态指标定量分析外观损伤情况并建立了其二次非线性模型。结合桥墩的性能劣化模型，推导出基于时间维护策略下和基于性能维护策略下任意时刻桥墩两个指标的变化公式。建立了计算维护成本相关公式。
　　（3）编制了Matlab程序用于分析单个维护活动下和组合活动下两个指标的变化规律及其相应成本。研究表明，单个维护活动下两个指标很难同时满足要求，而组合维护活动下两个指标虽然均能满足要求，但是维护成本过高。
　　（4）编制了多目标粒子群优化算法程序，对基于时间的维护策略的首次维护应用时间和后续应用时间间隔进行优化设计，最后对各组合维护活动的累积成本进行对比择优，选取累积维护成本最小的组合维护策略。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容及其整体思路

第2章 混凝土桥墩的时变可靠度

2.1前言

2.2桥墩抗力的影响因素

2.3桥墩的荷载模型

2.4桥梁结构的可靠度计算

2.5桥墩耐久性分析

2.6本章小结

第3章 基于概率的桥墩性能与维护策略关系研究

3.1前言

3.2 结构性能劣化模型

3.3桥墩的维护策略

3.4维护策略成本分析

3.5计算分析

3.6本章小结

第4章 组合维护的多目标维护优化分析

4.1前言

4.2设计变量和约束条件

4.3算法描述

4.4多目标维护的组合维护工况分析

4.5本章小结

结论

参考文献

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