一种空间预应力索杆体系整体安全性评价方法

摘要

本发明涉及一种空间预应力索杆体系整体安全性评价方法，是根据空间预应力索杆系的索力和拉索腐蚀程度检测结果，建立空间预应力索杆系的数值分析模型；在断索分析的基础上，确定各索段的权重系数；建立拉索腐蚀程度的隶属度函数，计算得出空间预应力索杆系考虑腐蚀的单因素评判矩阵；构建拉索索系的安全评语集；建立索系安全性的模糊综合评判模型，根据拉索的权重系数和腐蚀程度对索系安全性进行评价。避免了以往评价体系或评价方法中的主观性；同时，可根据本发明所提出方法进行换索顺序的确定，避免以往换索施工过程中的盲目性。

说明书

技术领域

本发明涉及空间预应力索杆体系整体安全性评价方法，属于工程结构安全鉴定与评价技术领域。

背景技术

近年来，关于空间预应力索系中拉索在使用过程中发生腐蚀的案例屡屡被报道，由于拉索防护层在大气环境中发生了老化、损伤和破坏，导致水与空气中的一些腐蚀性介质进入到防护层里与钢丝接触，进而发生电化学反应，加速索内钢丝的腐蚀速率，促使拉索的腐蚀。同时，拉索处在高强应力状态下、承受各种荷载，导致拉索同时承受应力腐蚀和疲劳腐蚀。高应力状态下的拉索被腐蚀到一定程度时有可能发生破断，甚至导致整个结构体系的垮塌。

由于空间预应力钢结构在建筑领域的应用时间还不足20年，针对其本身的安全评价方法体系暂未见报道。目前，针对拉索索系的安全评估方法是以斜拉桥为研究对象，但由于斜拉桥桥塔存在绝对刚度较大、桥面结构相对刚度较弱，布置形式单一的问题，且其常用的模糊综合评判法、层次分析法及模糊层次分析法、变权综合法等在拉索权重确定过程中具有较强的主观性，上述方法对空间预应力索杆体系整体安全评价并不适用。

发明内容

为了解决如何基于腐蚀和索力检测结果进行预应力索杆系定量化安全评价的关键技术难题，本发明的目的是提供一种空间预应力索杆系整体安全性评价方法，基于空间预应力索杆系的索力和腐蚀性检测结果，通过断索分析定量确定各拉索权重，避免了拉索权重确定过程中的主观性；同时，根据最大隶属度判定准则，构建空间预应力索杆系整体安全性评价集，依据各索段权重和腐蚀程度，评判预应力索杆系的整体安全等级。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

在空间预应力索杆系拉索索力和腐蚀程度检测的基础上，建立空间预应力索杆系的数值模型，进行空间预应力索杆系的断索分析；根据断索分析的结果，进行空间预应力索杆系中各根拉索的权重定量化确定；建立拉索腐蚀程度的隶属函数，并构建空间预应力索杆系的安全评价集，在此基础上，依据最大隶属度准则，根据腐蚀程度和拉索权重系数，最终确定空间预应力索杆系的整体安全等级。

空间预应力索杆系整体安全性评价方法，具体步骤如下：

(1)进行空间预应力索杆系拉索索力和腐蚀程度检测，并对关键节点空间位置进行定位；

(2)建立空间预应力索杆系的数值分析模型，进行考虑腐蚀程度的断索分析：

①建立结构的数值分析模型，进行模态分析。计算结束后，提取两阶主要振型的固有频率，求解瑞利阻尼常数。

②根据空间预应力索杆系中各段拉索的索力测试结果施加初应变，对整个模型施加质量阻尼系数，定义时间步、时间步长来确定结构的初始状态，对模型进行第2次计算。

③以模型的第2次计算为基础进行重启动，设置要断裂的拉索单元“死”的时刻，重新定义时间步和时间步长，对模型中的每根拉索依次进行断索分析。

(3)在断索分析的基础上，基于层次分析法，对考虑腐蚀程度的拉索权重进行定量化分析、确定。

①空间预应力索杆系中有n根拉索在初始状态下的索力值为F_i(i＝1,2,···,n)。

②根据断索分析的结果可得，当其中一根拉索断裂后，在断索瞬间其余拉索的索力会强烈振动直到结构达到新的平衡状态，提取各拉索索力的在断索过程的最大值为F_ij(j＝1,2,·.·,n)。

③设η为拉索索力的最大变化幅度，即表示拉索j断裂后拉索i在振动过程中的最大变化幅度，表示拉索i断裂后拉索j在振动过程中的最大变化幅度；

④根据η_i与η_j的大小判别拉索i与拉索j的相对重要程度，构建拉索权重定量化计算的判断矩阵，进行一致性检验后，确定各拉索索段的权重。

(4)建立拉索腐蚀程度判别的隶属函数，根据拉索腐蚀程度的检测结果，判定每根拉索腐蚀的隶属度。

(5)将空间预应力索杆系的安全评价等级划分为四个，即拉索索系评语集为：V＝{安全，次安全，不安全，危险}。

(6)将步骤(3)分析得出的拉索权重系数矩阵与步骤(4)得出的拉索腐蚀程度隶属度矩阵相乘，得出模糊综合评判向量B。

(7)根据最大隶属度准则，基于步骤(6)分析得出的综合评判向量B，进行空间预应力索系整体安全性评价。

本发明有以下积极的效果：对于服役多年的空间预应力索杆系，在其拉索腐蚀程度、索力全面检测的基础上，能够依据本发明所提出的方法定量判断结构整体的安全等级，避免了以往评价体系或评价方法中的主观性；同时，可根据本发明所提出方法进行换索顺序的确定，避免以往换索施工过程中的盲目性。

附图说明

图1是空间预应力索杆安全评价方法流程图；

图2是空间预应力索杆系断索分析流程图；

图3是实施例1所述的分析模型几何布置图；

图4是实施例1的拉索S5-2断裂其余各索段的索力变化曲线，其中，(a)S5-1、(b)S4-1、(c)S3-3、(d)S3-2、(e)S3-1、(f)S2-1、(g)S2-2。

图5是拉索腐蚀程度的隶属函数图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是空间预应力索杆安全评价方法流程图，参照图1所示，空间预应力索杆系整体安全性评价方法，具体步骤如下：

(1)进行空间预应力索杆系拉索索力和腐蚀程度检测，并对关键节点空间位置进行定位。

(2)建立空间预应力索杆系的数值分析模型，考虑腐蚀程度的断索分析：

①建立结构的数值分析模型，进行模态分析，计算结束后，提取两阶主要振型的固有频率，求解瑞利阻尼常数；

②根据空间预应力索杆系中各段拉索的索力测试结果施加初应变，对整个模型施加质量阻尼系数，定义时间步、时间步长来确定结构的初始状态，对模型进行第2次计算；

③以模型的第2次计算为基础进行重启动，设置要断裂的拉索单元“死”的时刻，重新定义时间步和时间步长，对模型中的每根拉索依次进行断索分析。

(3)在断索分析的基础上，基于层次分析法，对考虑腐蚀程度的拉索权重进行定量化分析、确定：

①空间预应力索杆系中有n根拉索在初始状态下的索力值为F_i(i＝1,2,···,n)；

②根据断索分析的结果可得，当其中一根拉索断裂后，在断索瞬间其余拉索的索力会强烈振动直到结构达到新的平衡状态，提取各拉索索力的在断索过程的最大值为F_ij(j＝1,2,···,n)；

③设η为拉索索力的最大变化幅度，即表示拉索j断裂后，拉索i在振动过程中的最大变化幅度，表示拉索i断裂后，拉索j在振动过程中的最大变化幅度；

④根据η_i与η_j的大小判别拉索i与拉索j的相对重要程度，构建拉索权重定量化计算的判断矩阵，进行一致性检验后，确定各拉索索段的权重。

(4)建立拉索腐蚀程度判别的隶属函数，根据拉索腐蚀程度的检测结果，判定每根拉索腐蚀的隶属度。

(5)将空间预应力索杆系的安全评价等级划分为四个，即拉索索系评语集为：V＝{安全，次安全，不安全，危险}。

(6)将步骤(3)分析得出的拉索权重系数矩阵与步骤(4)得出的拉索腐蚀程度隶属度矩阵相乘，得出模糊综合评判向量B(B＝WR)。

(7)根据最大隶属度准则，基于步骤(6)分析得出的综合评判向量B，进行空间预应力索系整体安全性评价。

实施例1

以浙江大学体育馆屋盖钢结构的桅杆斜拉索网系统为例，仅考虑拉索索系中拉索断裂对其他拉索索力的影响，由于桅杆斜拉索网系统是单独张拉成形的并通过中间吊索与下部钢屋盖结构连接，因此，仅建立桅杆斜拉索网系统这一部分模型。选取4根桅杆中的一根及其与之相连的索作为研究对象，即仅考虑拉索S5-2、S5-1、S4-1、S3-3、S3-2、S3-1、S2-1、S2-2，而不考虑其他三根桅杆和与之相连接的拉索。拉索依次断裂顺序为S5-2、S5-1、S4-1、S3-3、S3-2、S3-1、S2-1、S2-2，见图2所示。

(1)给定拉索腐蚀程度和拉索索力：

表1.拉索腐蚀程度(％)

拉索编号 S5-2 S5-1 S4-1 S3-3 S3-2 S3-1 S2-1 S2-2 腐蚀程度 40.74％ 4.88％ 7.88％ 7.09％ 32.79％ 37.89％ 35.30％ 41.17％

表2.拉索索力(kN)

索编号 S5-2 S5-1 S4-1 S3-3 S3-2 S3-1 S2-1 S2-2 索力值 1154.75 667.29 324.23 250.06 322.35 412.84 1117.42 1691.94

拉索腐蚀程度的隶属函数如下所示：

${\mu }_s\left(\rho \right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0<\rho \le 10\\ -\frac{1}{5}\rho +3& 10<\rho <15\\ 0& \rho >15\end{array}\right)$

${\mu }_s\left(\rho \right)=\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{5}\rho -2& 10<\rho \le 15\\ 1& 15<\rho <25\\ -\frac{1}{5}\rho +6& 25\le \rho <30\end{array}\right)$

${\mu }_s\left(\rho \right)=\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{5}\rho -5& 25<\rho \le 30\\ 1& 30<\rho <35\\ -\frac{1}{5}\rho +8& 35\le \rho <40\end{array}\right)$

${\mu }_B\left(\rho \right)=\left(\begin{array}{cc}0& \rho <35\\ \frac{1}{5}\rho -7& 35<\rho <40\\ 1& \rho \ge 40\end{array}\right)$

(2)根据拉索腐蚀程度的隶属函数，计算上述腐蚀程度下的单因素评判矩阵R。

$R=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0.422& 0.578\\ 0& 0& 0.940& 0.060\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

(3)进行断索瞬态动力分析，提取各索段在断索分析过程中的最大索力Fij，结果见表3。

表3.断索过程中其余各索段的最大索力(kN)

(4)计算各拉索的权重系数，构建权重向量w

根据表2和表3，分别计算断索后拉索的最大变化幅度，经两两比较构造判断矩阵A：

$A=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 2& 3& 2& 2& 1/2& 1/2& 1/9\\ 1/2& 1& 3& 1/2& 1/2& 1/2& 1& 1/9\\ 1/3& 1/3& 1& 2& 1/3& 1/2& 1& 1/9\\ 1/2& 2& 1/2& 1& 1/3& 1/3& 1& 1/9\\ 1/2& 2& 3& 3& 1& 1& 1/2& 1/9\\ 2& 2& 2& 3& 1& 1& 1/2& 1/9\\ 2& 2& 1& 1& 2& 2& 1& 1/9\\ 9& 9& 9& 9& 9& 9& 9& 1\end{array}\right)$

对判断矩阵A进行一致性检验，可知矩阵A的最大特征值λ_max＝8.9174，CR＝0.0929<0.10，说明A满足一致性检验，求得A的归一化后的特征向量。

求得各索段的权重向量为：

w＝[0.0809，0.0545，0.0452，0.0473，0.0793，0.0856，0.0824，0.5248]

(5)构建空间预应力索杆系安全评价集

安全评估和可靠性鉴定中均采用了评价等级来评判对象的安全性或可靠性。本发明借鉴《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292-1999)对评定构件的安全性等级划分，将拉索索系的安全评价等级划分为四个，如表4所示，即拉索索系评语集为：V＝{安全，次安全，不安全，危险}。

表4.拉索索系安全等级划分

等级 A B C D 状态描述 安全 次安全 不安全 危险

(6)计算模糊综合评判向量B＝w·R

$\left(\begin{array}{c}B=[0.0809,0.0545,0.0452,0.0473,0.0793,0.0856,0.0824,0.5248]·\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0.422& 0.578\\ 0& 0& 0.940& 0.060\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ =[0.147,0,0.0193,0.660]\end{array}\right)$

(7)空间预应力索杆系安全等级评定

由最大隶属度法可知，模糊综合评判向量B中最大数值0.660，则上述给定腐蚀程度的空间预应力索杆系安全综合评判结果为D级，即处于危险状态。

上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。