基于动态蒙特卡罗法的在役钢管混凝土拱桥可靠度评估 (2012年)

基于时变可靠度理论，考虑桥梁结构的中介状态，结合现行规范给出了钢管混凝土拱桥三级工作模式的具体确定方法，建立了可靠度与三级工作模式的直接关系。引入状态变量，通过可变时间增量法推导了动态蒙特卡罗法失效概率与损伤概率的基本公式。算例以一座运营了10年，主跨83．6 m的钢管混凝土拱桥为对象，根据实桥试验数据，用动态蒙特卡罗法评估了该结构的可靠度。算例桥在第10年时，损伤可靠度与失效可靠度均大于规范规定的目标可靠度，结构处于完好工作状态，这一结论与实际情况相符。 ### 基于动态蒙特卡罗法的在役钢管混凝土拱桥可靠度评估 #### 概述 本文探讨了一种新的评估在役大跨度钢管混凝土拱桥可靠度的方法，该方法基于时变可靠度理论，并引入了“安全-中介-失效”三级工作模式的概念。此外，还利用了动态蒙特卡罗法来模拟结构的行为，以评估其可靠性。这种方法不仅考虑了桥梁随时间变化的状态，而且还考虑了结构损伤的情况。 #### 三级工作模式及其应用 传统的结构可靠度评估方法主要基于“有效-失效”的二元工作模式，但这种模式忽略了结构从完好到完全失效之间的过渡状态。为此，本文采用王光远院士提出的“安全-中介-失效”三级工作模式。在这种模式下，结构在出现一定程度的损伤后仍能保持一定的功能，直到最终完全失效。这种模式更符合实际桥梁的服役情况。 针对钢管混凝土拱桥，本文结合现行规范给出了具体的三级工作模式确定方法，并建立了可靠度与这三级工作模式之间的直接关系。这有助于更准确地评估桥梁的实际工作状态，从而指导维修和加固工作。 #### 动态蒙特卡罗法的应用 动态蒙特卡罗法是一种有效的随机模拟技术，用于解决高度非线性问题，特别是在处理复杂结构系统的可靠度评估时。这种方法不需要预先知道功能函数的确切表达式，而是通过随机抽样和有限元分析来获取结构响应的概率分布。 为了应用动态蒙特卡罗法评估钢管混凝土拱桥的可靠度，首先需要通过层次分析法确定影响可靠度的主要因素。这些因素包括车道荷载、温度效应、人行活载、钢管弹性模量、混凝土强度、拱肋截面损失、基础冲刷等。然后，对这些因素的时变性进行分析，建立相应的时变概率模型。利用动态蒙特卡罗法模拟这些因素的影响，以评估桥梁的可靠度。 #### 算例分析 文章中的算例是一座运营了10年的钢管混凝土拱桥，主跨长度为83.6米。根据实桥试验数据，采用动态蒙特卡罗法对该结构进行了可靠度评估。结果显示，在第10年时，该桥的损伤可靠度和失效可靠度均高于规范规定的最低目标可靠度，这意味着桥梁处于良好的工作状态，与实际情况相符。 #### 结论 本文提出的方法为评估在役钢管混凝土拱桥的可靠度提供了一种新的思路。通过引入三级工作模式并结合动态蒙特卡罗法，可以更准确地评估桥梁随时间变化的可靠度，这对于桥梁的维护管理和决策支持具有重要的实际意义。此外，这种方法也为其他类型桥梁的可靠度评估提供了参考。 #### 关键词解析 - **钢管混凝土拱桥**：一种结合了钢管和混凝土两种材料优点的大跨度桥梁形式。 - **三级工作模式**：王光远院士提出的“安全-中介-失效”模式，用于描述结构从完好到完全失效的过程。 - **时变可靠度**：考虑了结构随着时间变化而发生变化的可靠度评估方法。 - **动态蒙特卡罗法**：一种通过随机抽样和有限元分析来评估结构可靠度的计算方法。 本文提供了一种综合考虑结构时变性和损伤状态的新方法，对于提高钢管混凝土拱桥的安全管理和维护水平具有重要意义。