一种近断层服役简支桥梁抗震风险评估与养护决策方法与流程

本发明涉及桥梁工程抗震性能评估、服役桥梁全寿命周期风险评估及桥梁养护决策，具体涉及一种近断层服役简支桥梁抗震风险评估与养护决策方法。

背景技术：

1、速度脉冲、长周期效应和强方向性特征的近断层地震动作用。近断层脉冲型地震动易使桥梁墩柱、支座和基础等关键构件产生较大的动力响应和残余变形，进而提高桥梁损伤、失效甚至倒塌的风险。

2、现有桥梁抗震评估方法通常基于桥梁初始结构参数建立有限元模型或简化分析模型，并结合规范反应谱、选定地震波或增量动力分析方法计算桥梁地震响应，再根据最大位移、最大漂移比、残余漂移比或构件内力等指标判断损伤状态。该类方法能够在一定程度上反映桥梁抗震性能，但多数方法默认桥梁材料性能、构件刚度和边界条件在服役过程中保持不变，难以反映氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、混凝土强度退化、支座老化及基础状态变化等因素引起的抗震性能衰减。

3、此外，现有近断层桥梁抗震分析多侧重地震动输入特征，缺少将近断层地震动与桥梁服役退化状态耦合分析的完整流程；现有易损性分析也多采用单一损伤指标，难以同时反映地震过程中的最大变形损伤和震后残余变形损伤，可能导致桥梁损伤概率及养护需求判断不够准确。

4、在桥梁养护管理方面，现有方法多依据定期检测结果、构件病害等级或经验性维修标准确定养护措施，抗震风险评估结果与养护、加固、运营管控或复评决策之间缺少定量关联，难以直接服务于近断层服役桥梁的全寿命周期管理。

5、综上，现有技术存在难以动态反映桥梁实际服役状态、难以耦合考虑服役退化与近断层地震动作用、单一损伤指标评估精度不足以及风险评估结果难以转化为养护决策等问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种近断层服役简支桥梁抗震风险评估与养护决策方法，解决针对近断层区域服役简支桥梁在长期服役过程中受环境侵蚀、材料退化、支座老化、基础状态变化及近断层脉冲型地震动共同影响时，现有抗震评估方法难以动态反映桥梁当前服役状态、难以耦合考虑服役退化与近断层地震动作用、难以同时评价地震过程最大变形损伤和震后残余变形损伤、且评估结果难以直接转化为养护决策的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种近断层服役简支桥梁抗震风险评估与养护决策方法，包括以下步骤：

4、获取目标简支桥梁的服役状态数据；

5、基于所述服役状态数据构建所述目标简支桥梁的服役状态特征向量，并根据所述服役状态特征向量识别当前退化阶段；

6、基于所述当前退化阶段和所述服役状态特征向量，反演桥墩、支座和基础的等效力学参数，形成结构状态参数集；

7、将所述结构状态参数集写入桥梁抗震分析模型或其代理模型，得到与当前服役状态匹配的状态更新模型；

8、构建近断层地震动输入样本并输入至所述状态更新模型，提取结构在地震作用下的位移响应指标；

9、基于所述位移响应指标建立联合超越概率模型，计算所述目标简支桥梁在各损伤状态下的抗震风险概率；

10、根据所述抗震风险概率输出桥梁全寿命风险等级及对应的处置策略。

11、在一些可选的实施例中，所述服役状态数据包括环境作用数据、材料退化数据、结构变形数据、支座状态数据、基础状态数据以及历史检测或维修数据中的一种或多种。

12、在一些可选的实施例中，服役状态特征向量通过下式构建：

13、；

14、其中，为桥梁服役年限，为环境侵蚀等级或氯离子侵蚀指标，为钢筋锈蚀率，为钢筋时变剩余截面面积，为钢筋时变屈服强度，为混凝土时变抗压强度，为桥墩变形或裂缝状态指标，为支座等效刚度或支座状态指标，为基础等效约束刚度或基础状态指标，为历史维修状态指标。

15、在一些可选的实施例中，反演等效力学参数包括：

16、根据钢筋初始直径、锈蚀深度或锈蚀率，确定钢筋剩余有效直径和剩余截面面积，以及钢筋当前屈服强度、极限强度和延性退化参数；

17、根据氯离子侵蚀、保护层开裂、约束区损伤及服役年限，确定保护层混凝土和核心区混凝土的当前抗压强度、峰值应变、极限应变及约束效应参数；

18、根据支座类型、剪切变形、老化开裂、滑移或脱空情况，反演支座水平刚度、竖向刚度、等效阻尼、滑移摩擦参数或限位状态参数；

19、根据基础沉降、桩土相互作用状态、冲刷深度、土体刚度退化或检测反演结果，确定基础等效约束刚度、桩土相互作用弹簧参数或边界约束参数。

20、在一些可选的实施例中，采用检测数据校准或模型修正方法反演等效力学参数。

21、在一些可选的实施例中，所述结构状态参数集钢筋剩余截面面积、钢筋屈服强度、混凝土抗压强度、混凝土本构参数、桥墩截面刚度、支座等效刚度、支座阻尼参数、基础等效刚度和桩土相互作用参数中的一种或多种。

22、在一些可选的实施例中，所述桥梁抗震分析模型为非线性有限元数值模型或简化动力计算模型，所述代理模型为概率代理模型或机器学习代理模型。

23、在一些可选的实施例中，

24、采用非线性有限元数值模型时，将主梁、桥墩、支座、基础及桩土相互作用分别进行建模；

25、采用代理模型时，利用有限元计算结果、历史检测数据或动力响应样本训练代理模型，使其建立服役状态特征向量、近断层地震动参数与桥梁动力响应之间的映射关系，从而快速预测不同服役状态下桥梁的抗震响应。

26、在一些可选的实施例中，构建所述近断层地震动输入样本包括：

27、确定目标桥梁所在桥址的断层距、断层类型、场地类别、设计地震分组、目标反应谱及桥梁结构自振周期；

28、从实测近断层地震动数据库中选取满足断层距、场地条件和反应谱匹配要求的近断层脉冲型地震动，或者基于目标反应谱和脉冲参数生成人工近断层地震动；

29、对于选取或生成的近断层地震动，根据峰值地面加速度、峰值地面速度、速度脉冲幅值、脉冲周期或谱加速度进行调幅，形成不同强度水平下的近断层地震动输入样本组。

30、在一些可选的实施例中，建立所述联合超越概率模型并计算抗震风险概率包括：

31、设定各损伤状态对应的各位移响应指标阈值；

32、基于各强度水平下的位移响应样本，构建以地震动强度为条件变量的多维联合概率分布模型；

33、定义由各位移响应指标阈值共同界定的损伤超越判定域，样本响应落入该域时即判定达到相应损伤状态；

34、计算给定地震动强度下达到或超越各损伤状态的条件概率，作为抗震风险概率。

35、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

36、本发明通过引入服役状态数据构建特征向量并识别退化阶段，反演桥墩、支座和基础的时变等效力学参数以更新抗震分析模型，使评估模型从静态初始设计状态转变为动态反映当前真实服役状态；在此基础上，进一步将更新后的状态模型与近断层地震动输入样本相耦合，填补了现有近断层桥梁抗震分析中侧重地震动输入特征、缺少与服役退化状态系统耦合的技术空白；同时，针对现有易损性分析多采用单一损伤指标而难以兼顾最大变形损伤与震后残余变形损伤的不足，本方案通过提取最大漂移比mdr和残余漂移比rdr并建立联合超越概率模型，使近断层脉冲型地震动特有的大位移冲击、大残余位移双重破坏效应在损伤概率评估中得到完整反映；最终，通过将风险概率输出为风险等级并映射至养护、加固、运营管控或复评决策，建立了抗震风险评估结果与全寿命周期管理措施之间的定量关联，从而系统性地解决了背景技术中所指出的评估基准静态化、服役退化与地震动分析割裂、单一指标精度不足以及评估与决策脱节等多重技术问题，实现了近断层服役简支桥梁从状态感知、风险推演到管理决策的全链条技术闭环。