[發(fā)明專利]一種適用于腐蝕環(huán)境的古建筑木結(jié)構(gòu)剩余壽命可靠度預(yù)測方法

有效

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• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107229806B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜紹飛;李倪蕾;唐偉杰;麻勝蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

1.一種適用于腐蝕環(huán)境的古建筑木結(jié)構(gòu)剩余壽命可靠度預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：根據(jù)現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的材料分析腐蝕影響下的材料時變模型；

腐蝕影響下的材料時變模型，包括腐朽作用下的材料時變模型和蟲蛀下的材料時變模型：

依據(jù)已有的古舊木材進(jìn)行校驗，古木材在腐朽作用下的變化趨勢公式如下：

d₁＝d₀(1+t/T₀)^ξ (1)

式中，d₁為持續(xù)時間的腐朽深度；d₀為現(xiàn)階段的腐朽深度；t為持續(xù)時間，單位為年；T₀為歷史時間，ξ為考慮變質(zhì)層厚度發(fā)展的指數(shù)參數(shù)，隨年代而變化，當(dāng)T₀≤400a，ξ＝1；400＜T₀＜800a，ξ＝1.5，a表示年；

基于Kachanov-Rabotnov研究的基礎(chǔ)上，假定由新建初期開始發(fā)生蟲蛀，得到蟲蛀深度：

式中，d₂為持續(xù)時間的蟲蛀深度，D為木材無損傷的截面直徑，需通過儀器現(xiàn)場實測得到；

步驟S2：結(jié)合材料時變模型，建立考慮腐蝕的抗力模型；基于考慮腐蝕的Gerhards模型實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)承載力壽命預(yù)測，并利用蒙特卡羅結(jié)合概率密度函數(shù)方法對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剩余壽命區(qū)間預(yù)測，具體包括如下步驟，

S21：建立考慮腐蝕影響的圓形截面木材抗力衰減模型為：

式中，M_u(t)為梁抵抗彎矩、N_u(t)為柱抵抗軸力；下標(biāo)m、c分別為梁和柱的代號；f_0,m、f_1,m和f_2,m分別表示無損傷、腐朽和蟲蛀梁截面的抗彎強度值，f_0,c、f_1,c和f_2,c分別表示無損傷、腐朽和蟲蛀柱截面的抗壓強度值，f_i，x＝K_Qf_0，x，針對梁時，x取m；針對柱時，x取c；i＝0,1,2；K_Q表示強度折減系數(shù)，當(dāng)無腐蝕時，K_Q＝1，當(dāng)有腐蝕時，根據(jù)腐蝕等級進(jìn)行取值；d_1,m和d_2,m分別表示梁截面的腐朽和蟲蛀深度，d_1,c和d_2,c分別表示柱截面的腐蝕和蟲蛀深度；D表示構(gòu)件無損傷的截面直徑；

S22：在Gerhards模型中，將承載內(nèi)力與抗力替換為彎矩或軸力進(jìn)行計算，得到：

式中S表示彎矩效應(yīng)或軸力效應(yīng)，R_u(t)表示抵抗彎矩或抵抗軸力；X₁、X₂為常數(shù)項，通過在不考慮截面退化的情況下連續(xù)加載直至破壞得到；α為損傷程度，0≤α≤1，當(dāng)α＝0時，表示構(gòu)件完好；當(dāng)α＝1時，表示構(gòu)件失效；t為持續(xù)時間；

將考慮腐蝕的木材抗力衰減模型及有限元仿真得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力代入式(5)，通過數(shù)值積分的方式求解損傷程度α，當(dāng)損傷程度α＝1時，其對應(yīng)的t即為構(gòu)件的剩余壽命值T_u；

S23：將上述構(gòu)件的剩余壽命值T_u作為樣本均值，假定隨機參數(shù)均服從正態(tài)分布，通過置信區(qū)間來判定結(jié)構(gòu)失效的大致年限，選擇0.95的置信水平，計算得置信區(qū)間：

[L,U]＝[T_u-1.96(σ/n^1/2)，T_u+1.96(σ/n^1/2)] (6)

式中，L和U分別表示區(qū)間的上限和下限，σ為樣本方差，n為樣本容量

步驟S3：引入變形值指標(biāo)對結(jié)構(gòu)的影響，確定變形值的功能函數(shù)，結(jié)合材料時變模型，利用有限元仿真得到考慮腐蝕的變形時變值，基于Weibull模型結(jié)合蒙特卡羅方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形值的可靠度壽命預(yù)測；具體包括如下步驟：

S31：引入變形值指標(biāo)對結(jié)構(gòu)的影響，確定變形值的功能函數(shù)：

Z(t)＝[δ]-δ(t) (7)

式中，[δ]為變形限值，能替換為梁撓度限值或柱傾斜限值；δ(t)為變形，能替換為梁撓度或柱傾斜，通過有限元仿真獲取，從而建立梁撓度、柱傾斜的變形值功能函數(shù)；

S32：通過蒙特卡羅方法，得到不同年限的功能函數(shù)Z(t)＜0的失效概率P_f，根據(jù)失效概率P_f推出可靠指標(biāo)β，最終得到不同持續(xù)時間t的可靠指標(biāo)β；

對得到的不同持續(xù)時間t的可靠指標(biāo)β進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，確定Weibull模型即式(8)中的各個參數(shù)值，利用擬合所確定的Weibull模型實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形值指標(biāo)的剩余壽命預(yù)測，當(dāng)結(jié)構(gòu)破壞類型為可逆破壞時，結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β等于0；當(dāng)結(jié)構(gòu)破壞類型為不可逆破壞時，結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β等于1.5；β(t)對應(yīng)的時間即為基于變形值的極限壽命T_d，Weibull模型如下：

β(t)＝a+bexp(ct^d) (8)

式中，β(t)是與時間有關(guān)的可靠指標(biāo)；a、b、c和d為待定常數(shù)；t為持續(xù)時間；

步驟S4：結(jié)合兩種狀態(tài)下預(yù)測的失效年限進(jìn)行判斷，決策出結(jié)構(gòu)最可能發(fā)生失效的最早年限。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于腐蝕環(huán)境的古建筑木結(jié)構(gòu)剩余壽命可靠度預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟S4中，結(jié)合兩種狀態(tài)下預(yù)測的失效年限進(jìn)行判斷，將壽命T＝min{T_u-1.96(σ/n^1/2)，T_d}作為結(jié)構(gòu)的最終剩余壽命，決策出結(jié)構(gòu)最可能發(fā)生失效的最早年限。