[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，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；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；基于Kachanov‑Rabotnov研究的基础上，假定由新建初期开始发生虫蛀，得到虫蛀深度：式中，d₂为持续时间的虫蛀深度，D为木材无损伤的截面直径，需通过仪器现场实测得到；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，具体包括如下步骤，S21：建立考虑腐蚀影响的圆形截面木材抗力衰减模型为：式中，M_u(t)为梁抵抗弯矩、N_u(t)为柱抵抗轴力；下标m、c分别为梁和柱的代号；f_0,m、f_1,m和f_2,m分别表示无损伤、腐朽和虫蛀梁截面的抗弯强度值，f_0,c、f_1,c和f_2,c分别表示无损伤、腐朽和虫蛀柱截面的抗压强度值，f_i，x＝K_Qf_0，x，针对梁时，x取m；针对柱时，x取c；i＝0,1,2；K_Q表示强度折减系数，当无腐蚀时，K_Q＝1，当有腐蚀时，根据腐蚀等级进行取值；d_1,m和d_2,m分别表示梁截面的腐朽和虫蛀深度，d_1,c和d_2,c分别表示柱截面的腐蚀和虫蛀深度；D表示构件无损伤的截面直径；S22：在Gerhards模型中，将承载内力与抗力替换为弯矩或轴力进行计算，得到：式中S表示弯矩效应或轴力效应，R_u(t)表示抵抗弯矩或抵抗轴力；X₁、X₂为常数项，通过在不考虑截面退化的情况下连续加载直至破坏得到；α为损伤程度，0≤α≤1，当α＝0时，表示构件完好；当α＝1时，表示构件失效；t为持续时间；将考虑腐蚀的木材抗力衰减模型及有限元仿真得到的结构内力代入式(5)，通过数值积分的方式求解损伤程度α，当损伤程度α＝1时，其对应的t即为构件的剩余寿命值T_u；S23：将上述构件的剩余寿命值T_u作为样本均值，假定随机参数均服从正态分布，通过置信区间来判定结构失效的大致年限，选择0.95的置信水平，计算得置信区间：[L,U]＝[T_u‑1.96(σ/n^1/2)，T_u+1.96(σ/n^1/2)]    (6)式中，L和U分别表示区间的上限和下限，σ为样本方差，n为样本容量步骤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模型结合蒙特卡罗方法实现结构变形值的可靠度寿命预测；具体包括如下步骤：S31：引入变形值指标对结构的影响，确定变形值的功能函数：Z(t)＝[δ]‑δ(t)    (7)式中，[δ]为变形限值，能替换为梁挠度限值或柱倾斜限值；δ(t)为变形，能替换为梁挠度或柱倾斜，通过有限元仿真获取，从而建立梁挠度、柱倾斜的变形值功能函数；S32：通过蒙特卡罗方法，得到不同年限的功能函数Z(t)＜0的失效概率P_f，根据失效概率P_f推出可靠指标β，最终得到不同持续时间t的可靠指标β；对得到的不同持续时间t的可靠指标β进行数据拟合，确定Weibull模型即式(8)中的各个参数值，利用拟合所确定的Weibull模型实现结构变形值指标的剩余寿命预测，当结构破坏类型为可逆破坏时，结构的可靠指标β等于0；当结构破坏类型为不可逆破坏时，结构的可靠指标β等于1.5；β(t)对应的时间即为基于变形值的极限寿命T_d，Weibull模型如下：β(t)＝a+bexp(ct^d)    (8)式中，β(t)是与时间有关的可靠指标；a、b、c和d为待定常数；t为持续时间；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。