桥梁维修全寿命经济分析与优化的理论框架研究

摘要

由于交通量、车辆荷载的增加和结构本身的自然老化，在我国近20年来建造的大量公路桥梁中，缺损与老化桥梁数量不断增加，亟待维修改造的桥梁数量日益增多。然而，受国家财力所限，能够投入的资金远不能满足需要。因此，如何合理分配使用有限的资金，以确保公路畅通与桥梁安全，怎样进行桥梁维修决策的经济分析与优化，是摆在我国桥梁界面前的一个非常迫切的问题。一直以来，关于桥梁维修经济分析与优化，国内外进行了不懈的探索，取得了一些成果。但是由于这方面的研究涉及桥梁工程、技术经济学、计算机技术和优化技术等多领域的知识，加上桥梁结构系统本身的复杂性以及目前对桥梁全寿命使用期内的各种不确定性影响因素缺乏全面深入的掌握，致使桥梁维修经济分析与优化的理论研究方面尚处于基础性探索阶段。在此背景下，本文就桥梁管理维修经济分析与优化的理论与方法展开研究，并初步建立了桥梁维修全寿命经济分析与优化的基本理论框架。根据文献检索，这样的框架在国内外都是首次提出的，论文所建立的模型和所提出的计算公式与分析方法比目前国外在维修分析中采用的更为简单有效。本论文所建立的这种理论框架，是一种新的探索与尝试，它将促进该方面研究的进一步发展。该理论框架具体包括以下内容和创新性成果：
　　1.针对混凝土桥梁结构，建立了多种线性或非线性的劣化模型，建立了这些模型简单统一的计算公式；结合我国实际，给出了基于桥梁可靠度或状况评估值的线性劣化模型的具体参数。桥梁的结构形式繁多，不同的结构存在不同的劣化模式。论文建立的这些劣化模型，为不同劣化模式匹配合理的劣化模型提供更大的选择余地，而准确的桥梁劣化预测模型是维修优化工作的基础。
　　2.建立了多种桥梁维修效果模型及其简单统一的指标计算公式。各种桥梁维修措施产生的维修效果是不同的，因此，建立其维修效果模型，是分析维修效果和进行维修优化的基础。本论文由于采用了所建立的生效函数法，从而使得所建立的维修效果模型既简单合理又便于进行桥梁维修全寿命经济分析与优化。
　　3.针对混凝土桥梁结构，建立了有预防维修时的桥梁劣化模型，通过建立不同维修模式与无预防维修时的不同劣化模式组合后的各种情形的指标计算公式，为桥梁维修全寿命经济分析与优化打下了基础。
　　4.提出了桥梁维修优化的经济分析方法。通过提出合理收益法，进一步给出了用于桥梁维修方案比较评价与优化的一系列经济指标；根据经济学原理，建立了桥梁维修的动态维修成本计算公式。经济学中的投资决策问题已有成熟的评价指标与评价方法。桥梁维修优化有四个主要目标：维修成本、桥梁使用寿命、桥梁状况或可靠度，这些目标会互相制约，需对其统筹兼顾。本论文运用合理收益法将桥梁使用寿命、桥梁状况和可靠度以货币收益的形式体现出来，从而使决策者得以用一种新的更加合理的方法对桥梁维修方案进行全寿命经济分析与优化，并可以移植更多的经济学概念与方法到桥梁维修优化中。
　　5.提出了桥梁维修的基本优化方法与组合优化方法。通过建立首次重大维修时间、预防维修次数和维修效果指标等的计算公式并给出其计算步骤，提出了预防维修的基本优化方法；提出了结合型和叠加型桥梁维修组合优化方法，建立了它们的指标计算公式，并结合例子计算了它们的维修效果参数，给出了两种组合优化方法的优化步骤；提出了重大维修与预防维修的组合优化方法，分别给出了它们的指标计算公式以及优化例子。通过同时考虑重大维修与预防维修，既有利于改变人们忽视预防维修的传统观念，又使论文所建立的桥梁维修全寿命经济分析与优化的理论框架更完整更实用。
　　6.基于上述成果，研究开发了桥梁维修全寿命经济分析与优化程序BMOP(Bridge Maintenance Optimization Program)，并结合实际维修措施给出了运用该程序进行桥梁维修全寿命经济分析与优化的算例，初步展现出所建理论框架的应用价值。

目录

桥梁维修全寿命经济分析与优化 的理论框架研究

A THEORETIC FRAME ON LIFE-CYCLE ECONOMIC ANALYSIS AND OPTIMIZATIONIN BRIDGE MAINTENANCE DECISION

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外桥梁管理维修经济分析与优化研究现状

1.3 桥梁维修经济分析与优化研究尚待解决的问题

1.4 本论文的主要研究内容

1.5 桥梁维修优化类型与本论文的内容组织

第2章 无预防维修时的桥梁劣化模型

2.1 概述

2.2 线性劣化模型

2.3 非线性劣化模型

2.4 本章小结

第3章 桥梁维修优化的基本概念与方法

3.1 参数定义

3.2 劣化与维修的效果叠加法

3.3 维修的概念与类型

3.4 动态维修成本

3.5 本章小结

第4章 桥梁维修措施的效果模型

4.1 单段线性维修效果模型

4.2 多段线性维修效果模型

4.3 非线性维修效果模型

4.4 线性后非线性维修效果模型

4.5 劣化延迟的维修效果模型

4.6 积极预防维修的效果模型

4.7 本章小结

第5章 有预防维修时的桥梁劣化模型

5.1 基于分段计算法的可靠度计算公式

5.2 基于生效函数法和效果叠加法的可靠度计算公式

5.3 预防维修次数与首次重大维修时间的计算方法

5.4 本章小结

第6章 预防维修基本优化

6.1 劣化模型参数取值

6.2 预防维修次数与首次重大维修时间计算步骤

6.3 关键指标确定与维修成本计算

6.4 维修效果指标计算

6.5 维修经济分析

6.6 预防维修的基本优化方法

6.7 本章小结

第7章 预防维修组合优化

7.1 结合型组合优化

7.2 叠加型组合优化

7.3 本章小结

第8章 重大维修与预防维修的组合优化

8.1 重大维修与预防维修的连接组合优化

8.2 重大维修与预防维修的叠加组合优化

8.3 本章小结

第9章 不同类型桥梁维修的优化算例

9.1 桥梁维修全寿命经济分析与优化程序BMOP

9.2 三类桥梁维修

9.3 更新类和混凝土防腐类桥梁维修的基本优化

9.4 定期更新类与混凝土防腐蚀类桥梁维修的组合优化

9.5 更新类桥梁维修与桥梁加固或重建方案的组合优化

9.6 更新类防腐类维修与桥梁加固或重建方案的组合优化

9.7 本章小结

第10章 桥梁构件维修优化算例

10.1 某海洋环境混凝土桥梁构件的防腐维修优化

10.2 某钢桥的钢梁维修优化算例

10.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历