[发明专利]一种适用于腐蚀环境的古建筑木结构剩余寿命可靠度预测方法

说明书

本发明涉及一种适用于腐蚀环境的古建筑木结构剩余寿命可靠度预测方法，包括以下步骤：（1）分析腐蚀影响下的材料时变模型；（2）建立考虑腐蚀的抗力模型；并实现木结构承载力寿命预测，利用蒙特卡罗结合概率密度函数方法对预测结果进行修正，实现结构的剩余寿命区间预测；（3）利用有限元仿真得到考虑腐蚀的变形时变值，基于Weibull模型结合蒙特卡罗方法实现结构变形值的可靠度寿命预测；（4）决策出结构最可能发生失效的最早年限。本发明能够给出考虑腐蚀和虫蛀影响的古建木结构极限寿命的范围区间，从而做出灾害预防方案和修缮加固等决策；本发明除了考虑承载力指标实现材料层面上剩余寿命预测外，还考虑了变形值指标在构件乃至结构层面上对结构寿命预测的影响，寿命预测准则更为合理。

技术领域

本发明涉及一种适用于腐蚀环境的古建筑木结构剩余寿命可靠度预测方法，属于木结构健康监测领域的寿命预测方法。

背景技术

古建筑木结构是具有传统文化韵味的历史产物，由于木材属生物材料，而现役古建木结构长期受到自然环境破坏，包括温湿度变化和虫蛀侵蚀等外界环境破坏，导致越来越多的木结构发生不同程度的损伤。目前，基于腐蚀因素引起的构件截面强度的退化，在古建筑领域常用Gerhards累积损伤模型的时变计算方法，自Gerhards提出了木材持续强度累积损伤模型以来，李瑜、瞿伟廉等通过改进Gerhards模型将损伤指标从强度值转变成弯矩或轴力，通过建立抗力时变模型预测结构失效的时间；王阳、杨娜在此基础上利用考虑随机参数的蒙特卡罗法，得到具有一定可靠度的剩余寿命，更有效地的实现对木结构梁、柱构件承载能力的评估。但上述的预测方法，得到的仅仅是确定的寿命点时间，真实情况下的寿命难免具有一定的离散性。另一方面，既有建筑物的安全评估不仅表现在对评估结构承载能力上，还包括对结构变形能力的评估，而该领域的极限寿命研究均以达到承载力极限作为失效或者破坏准则，没有考虑木结构、构件在正常使用极限状态下达到变形极值的失效准则。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于对于腐蚀影响的古建筑木结构，提供一种综合考虑在两种极限状态下极限寿命的预测方法，该方法更为可靠地预测了古建筑木结构的剩余寿命。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种适用于腐蚀环境的古建筑木结构剩余寿命可靠度预测方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据现役结构的材料分析腐蚀影响下的材料时变模型；

步骤S2：结合材料时变模型，建立考虑腐蚀的抗力模型；基于考虑腐蚀的Gerhards模型(强度损伤累积模型)实现木结构承载力寿命预测，并利用蒙特卡罗结合概率密度函数方法对预测结果进行修正，实现结构的剩余寿命区间预测；

步骤S3：引入变形值指标对结构的影响，确定变形值的功能函数，结合材料时变模型，利用有限元仿真得到考虑腐蚀的变形时变值，基于Weibull模型(韦布尔模型)结合蒙特卡罗方法实现结构变形值的可靠度寿命预测；

步骤S4：结合两种状态下预测的失效年限进行判断，决策出结构最可能发生失效的最早年限。

进一步的，所述步骤S1中，腐蚀影响下的材料时变模型，包括腐朽作用下的材料时变模型和虫蛀下的材料时变模型：

依据已有的古旧木材进行校验，古木材在腐朽作用下的变化趋势公式如下：

d₁＝d₀(1+t/T₀)^ξ (1)

式中，d₁为持续时间的腐朽深度；d₀为现阶段的腐朽深度；t为持续时间，单位为年；T₀为历史时间，ξ为考虑变质层厚度发展的指数参数，随年代而变化，当T₀≤400a，ξ＝1；400＜T₀＜800a，ξ＝1.5，a表示年；