健康状态评估（共7篇）
健康状态评估 篇1
引言
桥梁是交通运输中的一个重要环节, 它的使用安全直接影响到人民群众的生命和财产安全。桥梁健康监测是通过对桥梁实时的无损监测或定期的无损检测, 发现桥梁结构细微损伤的特征信息, 从而对桥梁结构的使用状态、安全状态进行智能评价, 发出预警信号, 为桥梁的维修、养护和科学决策提供依据和指导。
目前, 桥梁结构损伤识别的研究尚处于基础性的探索阶段, 已有的研究和应用成果大致包括试验模态分析、模型修正与系统识别、动力指纹、神经网络及统计分析等方法。根据以上介绍的有关桥梁结构损伤识别的方法, 为了实现对小沟特大桥健康状态的基本评估, 我们采用了基于准静态识别的统计对比诊断法。
1 桥梁概况
小沟特大桥位于新广武至原平高速公路上, 为左右分离桥梁结构。左幅桥桥梁全长820 m, 桥跨组成为: (55 m+5×100 m+55 m) (主桥) + (7×30 m) (引桥) ;右幅桥桥梁全长850 m, 桥跨组成为:30 m (引桥) + (55 m+5×100 m+55 m) (主桥) + (7×30 m) (引桥) 。主桥上部采用刚构-连续组合结构体系, 单箱单室变截面箱梁, 主桥下部结构采用钢筋混凝土薄壁空心墩, 钻孔灌注桩基础。设计荷载为汽车-超20, 挂车-120。
针对小沟特大桥桥梁结构的特点, 开展了包括挠度、应变、温度、振动、汽车轴重等5个方面的实时在线监测。应力采用的是光纤光栅混凝土表面应变传感器FBGS323R20, 挠度采用的是液体连通管光电式挠度传感器, 振动采用的是891-4型拾振器, 温度采用的是温度传感器DS18B20, 轴重采用的是Roadtrax BL压电薄膜交通传感器。目前以上各系统运行正常。
2 准静态识别统计方法
所谓基于准静态识别统计对比诊断桥梁结构整体性能的评估方法, 其核心思想是:以过桥车辆荷载作为准静态荷载, 监测车辆荷载所引起的桥梁结构各种响应变化, 同时监测车辆的速度、轴重、轴距及环境温度等, 根据监测数据 (包括汽车过桥时桥梁结构的各种响应及其对应的汽车速度、轴重、环境温度等;桥上无车时桥梁结构的各种响应及其对应的环境温度) , 统计对比分析桥梁结构的各种响应随车辆荷载和环境温度等变化而变化的规律。通过对比分析, 进行桥梁结构健康状况的诊断和评估, 从而实现对桥梁结构整体性能和行车安全的预报预测。
3 评估系统的实现
3.1 数据采集
(1) 实时显示、采集车辆通过桥上测区时, 汽车的过桥时间、车速、轴数、轴距。
(2) 实时显示、采集桥梁结构各被测物理量 (应变、竖向挠度、振动等) 的时程曲线、最大值和超限报警等。
(3) 汽车通过测试区时, 当车重或挠度超过规定的阈值时, 则将数据记录入库保存。用户可以通过数据查询系统对库存数据进行数据分析、对比、数据处理等工作, 还可查询每次车辆过桥时的各种被测量的历史数据、时程曲线等。
3.2 监测数据预处理
每次采样结束后, 系统立即对该次采样的数据进行必要的分析和处理, 每24 h系统进行一次全面的数据分析和预处理。数据处理的内容和方法既可预先设定, 也可以在监测过程中通过Internet远程设置。
监测系统中的全部测点所监测的每一次过桥的完整数据, 均送入计算机进行预处理, 以便确定各测次的数据是否应该保存。为了压缩或减少数据库的库存数据量, 监测数据入库之后必须进行预处理。对原始数据流的预处理原则是:
(1) 尽可能多地保存对结构健康评估有用的原始数据。
(2) 删除无用的或对结构健康评估意义不大的原始数据, 以最大限度地压缩或减少库存数据量。
(3) 保存所有测次各个测点原始数据的统计特征数。原始数据的统计特征数主要包括:汽车上桥的时间、汽车过桥的平均速度、轴数、轴距及当时的环境温度;各测点量值变化时程曲线的最大值、最小值;各振动测点时程曲线中出现各级振幅值的次数。
3.3 数据处理与统计分析
(1) 每天对当天的测试数据全部保存, 每24 h将当天采集到的全部测试数据进行一次系统地处理。①统计出当天各测次中各振动测点数据的特征数, 即桥梁跨中振幅的最大值、出现最大振幅时对应的时间、强振频率值;当天各测次中各挠度测点的最大挠度值;当天各测次中各应变测点的最大应变值以及对应的汽车轴重、速度、当时的环境温度等。②绘出当天各测次中的绝对最大振幅值、最大挠度值、最大梁端位移值、最大应变值的二维分布图 (其中X:不同测次;Y:绝对最大振幅值等) , 并找出图中绝对最大值及其对应的测次 (包含汽车速度和轴重) 和测点位置。
(2) 每月对当月中每天保留的原始数据继续保留, 月初集中处理一次上月保留的原始数据。①统计出当月保留的原始数据中每天各测点出现的最大振幅值、最大挠度值、最大梁端位移值和最大应变值, 并找出这些最大值中的绝对最大值及其对应的各测次和测点位置。②绘出当月每天的绝对最大振幅值、最大挠度值、最大梁端位移值、最大应变值的二维分布图 (其中X:不同日期;Y:绝对最大振幅值等) , 并找出图中的绝对最大值及其对应的日期 (含温度环境) 和测点位置。③绘出当月每天桥上无车 (环境温度最高或最低时) 的自振频率值、跨中挠度值、应变值的二维分布图 (其中X:不同温度值;Y:跨中挠度值等) , 并找出图中有关量值的最大值及其对应的环境温度值和测点位置。
(3) 每年绘出该年度每天的绝对最大振幅值、最大挠度值、最大梁端位移值、最大应变值的二维分布图 (X:不同日期或不同温度值;Y:绝对最大振幅值) , 并找出图中的绝对最大值及其对应的日期 (或温度值) 和测点位置。同时绘出该年度每天桥上无车 (环境温度最高或最低时) 的自振频率值、跨中挠度值、应变值的二维分布图 (其中X:不同温度值;Y:跨中挠度值等) , 并找出图中有关量值的最大值及其对应的环境温度值和测点位置。
4 系统评估
在小沟特大桥监测过程中, 我们采用监测系统定期自动或手动进行桥梁结构健康状况的评估分析。每半年监测系统自动进行一次评估分析工作, 具体如下:
4.1 统计分析
监测系统自动记录结构在恒载 (即桥上无车时) 作用下或桥上过车时, 桥梁结构主要被测参量 (如桥梁跨中挠度、结构自振频率、振幅等) 随时间和环境温度而变化的情况, 给出主要被测参量随时间和环境温度的变化曲线。
4.2 对比分析
(1) 恒载作用下桥梁结构主要被测参量的当前值与以往相同环境温度条件下的参考值的分析对比功能。当环境温度发生变化时, 监测系统自动从数据库中查找出以往监测到的相同环境温度条件下结构主要被测参量的参考值, 并与当前的数值进行实时比较, 一旦发现桥上无车时某参量的数值发生突变 (即某参量的当前值大于以往相同条件下参考值的1.2倍) 时系统自动报警, 发出警示信号, 以提醒维修管理部门的注意, 并查明该参量发生突变的原因。
(2) 活载作用下桥梁结构主要被测参量的当前值与以往相同环境温度条件下的参考值的分析对比功能。分析对比桥上过车时, 当前桥梁结构的主要被测参量 (如桥梁跨中挠度、结构自振频率、振幅等) 随时间和环境温度而变化的曲线, 与以往相同时段或环境温度条件下同一被测参量的变化规律, 一旦发现异常 (但未超出限制) , 及时提醒维修管理部门的注意并查明原因。
4.3 定期评估
定期自动或手动进行桥梁结构健康状况的分析评估。在监测过程中, 每年监测系统自动进行一次数据处理与分析评估工作。
5 结语
小沟特大桥健康监测系统安装运行以来, 实施了对大桥结构各参数的实时监测控制, 实现了对桥梁结构健康状态的安全评估, 为今后该项工作的深入研究打下了基础。
摘要：桥梁健康监测的目的是利用桥梁现场的无损测试信息和桥梁的特型分析, 以识别桥梁健康状态的变化, 为桥梁结构的维修养护和管理提供科学依据。采用基于准静态识别的统计对比诊断法, 对某特大桥的健康状态进行了评估。
关键词：桥梁,健康监测,健康状态,评估系统,准静态识别
建筑物健康状态评估研究现状分析 篇2
建筑物的耐久性———建筑物结构在材料内部因素、自然环境与使用环境的共同作用下, 在设计时要求:在目标使用时间内, 不必要花费大量的资金来加固处理使其保持安全、使用功能及外观要求等能力。即指在正常过程 (设计、施工、使用及维护) 的条件下, 并于规定时间内, 即使构件的性能可以随时间逐渐的劣化但结构仍满足达到其预定功能之能力。
而建筑耐久性是建筑物健康状况评估的重要因素, 很大程度上影响着评估的结果。随着建筑物使用年限的增加和自然灾害的增多, 建筑物健康状况的评估变得尤为重要。从相关调查可知, 在建筑物的全生命周期的成本角度来看, 运营成本占据相当大比例[1]。对建筑物进行健康诊断、对建筑物的维护及维修是在建筑物运营中最重要的一部分工作[2]。由2004年的调查可知, 建筑物使用在20年~30年间的房屋占我国的总体房屋41%。按照我国的建筑物设计基准中的使用年限来看, 我国现今绝大部分的房屋已经进入了“中老年”。如何对这些建筑进行正确的评估, 并且提出合理的的维修建议, 将成为减少维修成本的关键, 并拥有良好的经济效益和社会效益。
1 建筑物健康状态评估的现状和发展
早在20世纪40年代, 建筑物的评估鉴定技术已经在世界各地逐步发展, 由“国际建筑研究和信息委员会”组织设立的“建筑物维修改造委员会”, 主要进行建筑物的维修改造相关的研究与调查, 并通过信息交流以组织编制相关标准规范。比如美国的《房屋检测手册》, 日本的《土木建筑物更换标准》和《建筑区分等级法》, 瑞典的《住宅更新法》和前苏联的《居住和公用建筑物定期检查标准》等。
而在我国在经历1976年唐山地震和2008年汶川地震后, 全国各大研究机构和高校对建筑物健康状态评估的相关课题做了大量研究。在结构安全性鉴定和加固技术, 剩余寿命评估和耐久性的鉴定方面已经获得了不少成就, 标准化的鉴定和加固技术是现今的发展方向。我国现今的相关鉴定评定标准主要有《民用建筑可靠性鉴定标准》《危险房屋鉴定标准》《工业厂房建筑可靠性鉴定标准》《房屋完损等级评价标准》《钢结构检查评定和加固技术规范》等。通过实行这些标准规范, 对建筑物进行科学的评估和后期的加固。建筑物的寿命得到了延长, 取得了一定的成就。
2 建筑物健康状态评估的步骤
张昌栋, 杨武[3]提出了建筑物健康状态评估的程序:1) 确定需要评估的建筑物, 如使用年限达到一定程度或经历自然灾害建筑物有所损害等, 并填写申请表。2) 确定是否需要现场检测。3) 若必要则进行现场检测, 若无需直接进行健康评估。4) 研究和提出维修方案, 交相应单位批准。5) 进行维修施工, 施工完后对施工质量进行检测。他们表明通过建立建筑物信息库, 在各个工程后对信息库进行完善, 以便以后科学的进行评估, 形成一个工程和数据库的良性循环, 相互补充。
3 建筑物主要的健康问题
3.1 混凝土的碳化
混凝土的碳化, 是指由于空气中二氧化碳气体渗透进混凝土内部, 当其与混凝土中的碱性物质发生化学反应而后生成碳酸盐与水, 并使混凝土的碱度降低的整个过程, 是混凝土受到的某种化学腐蚀, 也可称为中性化。碳化是评价建筑物耐久性的重要指标, 混凝土的碳化使混凝土表面形成沿钢筋走向的裂缝, 裂缝加速钢筋的锈蚀。
朱思[4]在研究中表明:混凝土碳化的速度和二氧化碳扩散速度、可碳化物质含量和碳化的反应速率紧密相关。因此可知碳化的影响因素主要是材料因素、环境因素与施工因素。另外环境因素的主要影响因素又为相对湿度、温度、应力与二氧化碳浓度。而材料受水灰比、水泥的用量标号、外加剂的使用的影响。施工主要受施工质量养护等影响。
3.2 钢筋的腐蚀
岸谷孝一[5]在研究中表明钢筋混凝土中的钢筋腐蚀与建筑物的耐久性密切相关, 引起钢筋腐蚀主要原因有化学腐蚀, 物理腐蚀和电化学腐蚀。。
造成混凝土中钢筋腐蚀的原因主要有三个方面:化学方面、物理方面和电化学方面。具体来说, 化学方面就是空气中的二氧化碳易使混凝土发生碳化以及存在某些侵蚀性化学物质, 如Cl-, SO4-2等;物理方面则是能使混凝土产生裂缝等的外力或冻融作用;以及混凝土中的钢筋由于通直流电等产生的电化学方面的原因。从另一方面来看, 钢筋腐蚀的主要影响因素有:
1) 氧气、二氧化碳和盐类等侵入水的成分以及混凝土的透气性、透水性。
2) SO2与Cl-浓度、温度及湿度变化等混凝土的周围环境。
3) 混凝土自身各种性质。
a.水泥种类及水灰比、骨料种类及其粒径、材料种类及配合比、外加剂等;
b.捣实的程度:主要指混凝土空隙等;
c.保护层的厚度:包括湿度梯度等;
d.混凝土的养护方法:以蒸汽养护为主, 同时注重混凝土龄期的变化;
e.裂缝的位置及大小。
4) 钢筋的各种性质。
主要指材料性质、静应力大小、表面的状态及加工。
混凝土和钢筋的破坏是密切相关的, 它们对建筑物的耐久性起决定性的作用, 建筑物评估主要解决的问题是对混凝土和钢筋进行评估, 并作出防治和加固措施。
4 建筑物健康状态评估的方法
吴波[6]作出归纳, 建筑物健康状态评估的方法主要是利用各种评估的方法来评估要研究的特定对象的特点。建筑物健康状态评估的方法主要有模型法、模糊评判法、层次分析法、人工神经网络法、灰色理论、基于贝叶斯网络的方法以及可拓理论等。
1) 模型法。模型法主要是利用针对研究对象建立的数学与物理模型来进行评估的方法。其优点是可靠度高, 但也存在劣势, 如建模过程相对复杂、模型验证困难和需随时针对评估对象的变化情况进行模型修正。比如运用有限元分析软件, 建立模型, 对建筑物进行受力分析, 做不同健康等级加固后的受力对比, 选择较优的方案。
2) 层次分析法。层次分析法由美国运筹学家Thomas L Satty在20世纪70年代提出, 是一种将半定性和半定量的问题转换成定量计算的有效的决策方法。思维方式的改变是其的本质, 即把某个复杂的问题表达成有序阶梯层次的结构, 且利用确定同一层次的各评估指标初始权重这一方法使定性因素能定量化。该方法降低了主观造成的影响, 让评估更具科学效力。
3) 模糊评判法。与传统的评估方法相比, 在解决对象为“亦此亦彼”的特性时, 模糊评判法往往起着更好的作用。通过建立评估指标因素集U (U1~Un) 和合理评判集V (V1~Vm) , 然后通过评判和其他方法获得模糊评语矩阵R (m×n) , 并且利用合适的模糊算子进行模糊变换运算。
4) 人工神经网络法。人工神经网络法是在物理机制上模拟人脑信息处理机制的信息系统, 可以基于层次分析方法评估模型为目标, 研究结合人工神经网络和模糊理论, 建立基于信息输入的模糊神经网络, 推理评估建筑物。利用网络中的专家知识和经验, 从而有效的进行状态评估。
5) 基于贝叶斯网络的方法。贝叶斯网络由Pearl在1986年为解决不定性与不完整性的问题而提出的, 是一种新的不确定知识的表达模型[6]与概率网络, 也称作信度网络。其基础为贝叶斯公式与概率推理, 并在此基础上建立的数学模型和图形化网络。其优势主要表现为能方便地处理关于不完整数据的问题、能便于实现理论知识与数据信息的融合, 且在解决复杂设备的不确定性与关联性而产生的故障上十分明显。故在很多领域应用广泛, 也是现今最有效理论模型之一。
6) 灰色理论。灰色理论是由我国华中科技大学的邓聚龙教授于1982年所提出。该理论是对于系统思想的进一步深化、发展, 也引起了国际的极大重视并将此写进世界名人录。在当今的科学发展下, 灰色理论及其方法正广泛应用于各种学科和领域的研究中, 并获得了可喜成果。此理论的提出也为工程界的诸多问题带来了新的解决方法。
7) 可拓理论。可拓理论是基于可拓学, 可拓学是我国学者蔡文在1983年创立的。即通过形式化的模型来探索事物拓展的可能性与研究创新的方法规律等, 也是从定性和定量两个方面来分析问题, 由可拓学形成了物元理论, 可拓集合理论和可拓逻辑为支柱的可拓理论框架。
5 结语
通过对以上的论述, 可以总结出以下结论及建议:
1) 通过以上学者和相关科研单位的研究, 建筑物健康状态评估拥有较为完善的标准和规范。也有比较完善的方法和正规的流程, 相关理论比较成熟。
2) 在整体可靠性和耐久性分析方面还在发展阶段, 还不够成熟。
3) 建筑物信息库还不够完善, 在建筑物信息库的运行和管理方面还可以做出更大的突破。因此建立完善的建筑物信息库, 完备建筑物评估系统将成为将来建筑物评估重要的发展之一。
摘要：分析了国内外对建筑物状况评估的研究成果, 介绍了建筑物健康状态评估的步骤, 总结了模型法、层次分析法、模糊评价法、人工神经网络法等各种评估方法的优缺点, 提出发展方向。
关键词：建筑物,健康状况,耐久性,评估
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[5]岸谷孝一.钢筋混凝土建筑物中钢筋的腐蚀问题[J].水利水运工程学报, 1975 (21) :79-80.
健康状态评估 篇3
温控系统是飞机发动机关键系统之一。主要是由防喘调节器、温度控制放大器和温度限制器、燃油流量调节器等部件组成, 其主要功能是防止超温和喘振等。由于温控系统部件之间相互关联多, 控制关系复杂, 导致了部队对发动机温控系统的故障机理诊断不准确, 从而严重的阻碍了部队战斗力生成。而贝叶斯网络恰好具有处理各种复杂信息的能力, 本文则是根据发动机温控系统功能、结构和故障等信息, 同时融合系统外部运作环境和专家经验, 构建出了温控系统健康评估模型。
1 温控系统健康评估模型
温控系统性能指标和外在影响指标包括7个一级指标, 8个二级指标和它们分别对应的专家评估 (本文采用三位专家的意见) , 根据上述重要指标构建温控系统健康状态评估的贝叶斯网络模型, 如图 (a) 所示。本文所使用的是美国匹兹堡大学研究的GeNIe软件, 通过程序自动生成DSL格式的贝叶斯网络文件。
2 贝叶斯网络中各节点的条件概率
在对温控系统健康状态进行评估时, 我们将目标值设为其发生故障的概率P, 则根据各个指标的关系, 便可以确定在此贝叶斯网络中各个节点的条件概率表。
从上图已知, 对应贝叶斯网络中“noisy-or门”关系的发动机转速、失速警告、T6温度、防喘警告、管理维护、运行、维护这7个1级指标, 即:若这其中某些指标导致故障的概率很低, 但其它指标很高, 则这个温控系统的健康状态水平也不会很高。另外, 由于一些无法预料的因素, 即便是这7个一级指标中没有一个发生故障, 此温控系统还是有可能发生故障, 这种状况便可用贝叶斯网络的“带leak的noisy-or门”来表示, 同时贝叶斯网络中的条件概率表可将其表达出来。在上面给出的模型所有2级指标间的逻辑关系也可用“带leak的noisy-or门”来表达, 同时也可用贝叶斯网络中的条件概率表表达出来。所以图 (a) 贝叶斯网络模型中的每一个非根节点的条件概率表可用此方法得出。而类似于机务能力指标这种根节点的条件概率, 我们关注的是计算后的的值而非是其初始值。这些指标我们可以假设其在温控系统中是等概率事件, 即取它们的初始值为0.5。
3 模型节点条件概率的更新
专家E2根据自己的经验及判断对于机务能力与温控系统故障的关系定出了以下准则:
当用“好”“中”“差”做为评估机务能力的指标时, 温控系统出现故障的概率分别为0.1, 0.2, 0.5,
同理, 根据式 (1) 便可以计算出指标S1落入各准则时温控系统故障时的概率分别为:
4 结束语
健康状态评估不仅关系到系统的正常运行, 而且对部队的快速反应能力、出动强度和持续战斗能力起着决定性的作用。通过对温控系统的工作状态进行评估, 可使我们充分了解系统性能, 便于有针对性地采取维修措施及时解决系统问题, 对维修保障人员及时高效的排除故障, 防止危害性事故发生, 提高维修保障能力具有重要意义。
摘要：本文根据某型发动机温控系统结构功能特点及外界影响因素, 利用贝叶斯网络建模方法, 建立了温控系统健康评估模型。利用温控系统可靠性信息、故障信息及专家经验等信息, 确定了系统诊断模型的条件概率分布, 并融合某团飞机发动机温控系统故障信息以及多位专家经验对评估模型的条件概率进行了更新, 进而利用贝叶斯网络确定了其边缘概率。
关键词：温控系统,专家经验,贝叶斯网络
参考文献
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健康状态评估 篇4
电力变压器是电力系统中最重要和最昂贵的电气设备之一,提高电力变压器,特别是大型电力变压器运行的可靠性,无论对整个电网的安全可靠运行,还是降低电网运行成本都具有十分重要的意义。除了在变压器设计制造过程中提高其可靠性外,更关键的是要在变压器的运行过程中提高其维护与检修水平。而制定变压器运维检修计划的关键是对设备的运行状态有准确的评估。然而由于变压器是一个复杂系统,其老化、故障机理复杂且具有不确定性,如变压器运行工况、历史运行记录不同,同类型变压器的状态就可能不相同;相同工况下不同类型变压器的状态也可能不同。因此,变压器状态评估是一项复杂而艰巨的工作。
电力变压器状态评估是状态检修的基础。对运行中的电力变压器健康状态进行有效的评估是国内外研究的热点问题之一,评估的关键是根据预防性试验得到的非破坏性指标量及在线检测指标量建立合理的状态评估模型,从而判断变压器的运行状态。目前,国内外学者在该领域已有较多的研究,主要是使用人工智能方法实现综合评估变压器运行状态的目的,常见的有物元理论、模糊综合评判、贝叶斯网络、灰靶理论等方法[1,2,3,4,5,6]。现有的方法在很大程度上推进了设备状态评估的研究,但也存在考虑的影响因素不够全面、对专家知识依赖程度较高的问题。此外,健康指数理论[7]在变压器状态评估方面的应用也较多,其基于设备老化原理,提出设备健康水平与设备服役年龄之间的经验公式,并做了如下假设:
a.假设设备初始投运时健康状态良好,对应的健康指数为初始设定值;
b.假设设备达到设计寿命时老化严重,故障率极高,对应的健康指数为故障状态设定值。
根据上述假设,可以确定在初始运行时间和设计寿命时对应的健康指数,结合经验公式,即可得到任意服役时间下对应的健康指数,进而对设备进行状态评估。然而,在实际运行当中,许多变压器运行时间远远超过了其设计寿命,且依旧保持着良好的运行状态。因此假设b并不一定成立,存在改进的空间。
因此,通过对现有的健康指数理论和绝缘寿命计算方法进行延伸和拓展,本文提出了一种考虑绝缘剩余寿命的油浸式变压器健康状态评估方法,利用变压器负荷记录和环境温度数据计算得到设备热点温度,并采用基于热点温度的绝缘寿命计算模型得到设备的绝缘剩余寿命。根据分级评估思想将与变压器运行状态强相关的状态量进行分级,结合健康指数理论得到不同层级对应的健康指数修正因子,由此得到反映变压器的综合运行状态的设备剩余寿命及健康指数值,以此指导检修计划的制定。
1 变压器剩余绝缘寿命评估模型
油浸式变压器的绝缘寿命很大程度上取决于其绕组所处的温度,根据设备的运行负载、环境温度及设计参数等计算绕组热点温升,得到阶段寿命损失率,从而完成变压器绝缘剩余寿命的评估。其中绝缘剩余寿命是指考虑损耗之后,油浸绝缘材料的预期剩余使用年限。
IEC60076-7导则[8]中给出了热点温度的计算公式:
其中,ΘHST为热点温度;Θa为环境温度;ΔΘTO为顶层油温升;ΔΘw为热点温度相对于顶层油温的温度差。
为了描述热点温度对设备绝缘寿命的影响,采用Arrhenius模型进行分析:
其中,L(ΘHST)为量化的绝缘寿命值;ΘHST为由式(1)计算得到的热点温度(单位为K);a和b为常数。在式(2)的基础上,IEEE Std C57.91—1995导则[9]给出了在额定负载和参考温度下的变压器绝缘寿命老化因子的定义:
因此,对应的绝缘寿命损耗Tl为:
其中,Δti为时间间隔;Fins,i为时间间隔Δti下对应的绝缘寿命老化因子。
假定变压器预期的绝缘寿命为Ta(本文参考设备设计使用寿命将其取为30 a),可由式(5)计算得绝缘剩余寿命Tb。
考虑到进行绝缘寿命评估时变压器已经服役了Tsuv时间,则实际绝缘寿命Tins为:
其中,Tins为从设备投运开始绝缘材料的预期使用寿命,其作为寿命的特征参数应用于健康指数模型,用于评估变压器的健康状态,并计算设备剩余寿命。
2 变压器健康指数评估模型
2.1 健康指数的定义
健康指数(HI)在现有的运行状态下,完成规定功能的能力的量化表征。其与设备的老化程度密切相关,因此随着服役时间的增长其大小会不断发生变化。
本文采用的是英国EA公司所提出的健康指数计算公式[10],其在英国的所有电力公司以及澳大利亚、加拿大、美国等地区得到了相当成功的应用,具有实际指导意义。计算公式为:
其中,Ht为当前或未来某年的健康指数;H0为设备的初始健康指数,由设备的原始信息确定,包括原始技术规格、生产厂家、运行经验等;Tt为进行健康指数Ht评估时对应的年份;T0为设备初始投运时对应的年份;B为老化系数。
健康指数的取值范围为[0,10],其数值越低,表明设备状况越好、故障风险越小。Q/GDW169—2008《油浸式变压器(电抗器)状态评价导则》[11]中将变压器的状态评估结果划分为正常状态、注意状态、异常状态和严重状态4种情况,对应采用定期检修与异常状态检修相结合的检修策略。本文中为了实现对特别健康的设备实现免检修目标,将文献[10]中给出的评价结果细化为5个部分,健康指数与设备故障风险之间的定性关系如表1所示。
当健康指数处于[0,1.5]时,表明设备的性能优秀,老化程度非常低;当健康指数处于(1.5,4]时,表明设备存在早期的正常老化现象,性能良好;当健康指数处于(4,5.5]时,设备已有明显的老化,属于正常的老化现象,该阶段下,设备故障率有上升趋势;当健康指数处于(5.5,7]时,设备存在严重的老化,老化程度已超出正常阈值,故障率明显上升,应采取及时检修维护或替换充油设备措施,保证设备运行的可靠性;当健康指数处于(7,10]时,设备已经接近报废,故障率非常高,必须更换设备。
2.2 变压器健康状态评估信息分类
在服役期间内,变压器内部各个器件都在缓慢地发生老化,无法直接观察、计量设备的老化程度,但是可以通过设备的外部特征、试验监测和日常数据记录来间接地了解设备的状态。从变压器的设计规划、投产运行、例行试验和定期检修等数据记录中所获得的信息可以划分为3类:基础信息、运行环境信息和试验信息。
基础信息即为变压器自身的固有参数。运行环境信息可以分为两部分:一是通过日常数据记录、在线监测装置等方式获得的,另一部分是根据历史运行检修情况得到的各种故障信息。试验信息具体包括油简化试验信息(酸度、击穿电压、微水、介质损耗)、油色谱试验信息、糠醛试验信息。
2.3 基于健康指数的变压器分级评估模型
本文将基于健康指数的变压器评估模型分为以下3级:基础级、试验级和修正级。三者之间的相互关系如图1所示。
通过前2级评估获取设备的综合健康指数,再利用第三级评估对其进行修正,得到最终的状态评估结果。
2.3.1 第一级评估模型
第一级为基础级,主要目的是完成第一级健康指数H1的计算。本级计算只考虑变压器最重要的状态量信息,例如生产厂商、型号规格、设计寿命、服役年龄、绝缘寿命评估、负荷水平和运行环境等。
根据式(1)可推导得:
令Tend=Tt-T0为变压器的预期运行年限。假设变压器投运Tend之后,其故障风险非常高,临近寿命的终结,需要更换设备,此时的健康指数将达到7。同时,假设变压器开始投运时健康指数H0=0.5,则有:
厂商在对变压器进行设计时,已经确定了其设计寿命Tdes,但考虑到设备在运行过程中,负荷水平及运行环境会影响老化进程,在变压器维护检修得当、运行环境良好的情况下,其实际的服役年龄可以超过出厂设计使用寿命Tdes,因此可以提前Tset对预期使用年限进行调整(本文取为5 a),结合前文所提绝缘剩余寿命计算方法,修正预期使用年限Tend。
(1)当服役年龄Tsuv<Tdes-Tset时:
其中,KL为负荷水平修正因子;KT为运行环境修正因子。
(2)当服役年龄Tsuv>Tdes-Tset时:
负荷修正因子KL与变压器的负荷水平相关,表2给出了两者之间的对应关系[12],其中负荷率β的计算公式为:
其中,为变压器运行过程中平均负荷大小;SN为额定容量。
环境修正因子KT的大小与设备安装地所处的地理环境相关,根据温度、设备表面污损情况等对运行环境进行评级,进而得到运行环境修正因子KT,具体对应关系如表3所示[12]。
因此,第一级健康指数计算结果为:
其中,t=T1-T0为设备从投运开始到进行健康评估时经历的时间。通过第一级评估,可以获得充油设备的第一级健康指数,其数值大小位于[0,10]之间,反映了设备的基本参数、运行环境、负荷水平对寿命的影响。
2.3.2 第二级评估模型
第二级评估主要利用试验数据(油简化试验、油色谱试验、糠醛试验)完成设备老化进程的状态评估。由于不同试验的不同参数指标对设备老化进程的影响程度各不相同,因此需要合理地确定各试验指标的权重系数,本文采用改进层次分析法[13]得到的各指标权重系数如表4所示。
实验中各测试项目对应的等级划分如表5、6所示。
相应地可以得到:
μL/L
设备的聚合度(DP)与糠醛含量(FFA)之间的关系满足如下的经验公式[12]:
考虑材料全新状态,聚合度DP=1 000,此时FFA≈0.01。由于设备刚投运,相应的健康指数为0.1。考虑绝缘材料已经发生严重的老化,DP=250,此时FFA≈5。由于设备老化严重,此时对应的健康指数为7,需要立即更换。因此可以得到:
根据前2级的评估结果H1、H2a、H2b、H2c,可以确定综合健康指数Hcom:
其中,fcom为常数,其取值与H1、H2a、H2b、H2c的大小相关。
2.3.3 第三级评估模型
第三级为修正级,主要目的是结合设备的运行环境信息(包括负荷水平、环境情况、历史故障检修情况等),修正前2级得到的评估结果。其中健康状态修正因子可以分为两大类:基于运行状况数据的修正和基于故障检修记录的修正。
以现有的Q/GDW169—2008《油浸式变压器(电抗器)状态评价导则》为基础,结合输变电站的在线监测系统的情况,从导则的评分项目中选取部分对评估模型进行修正,通过采用主成分分析法[14,15,16]、模糊综合评判法[17,18],对各修正项目的影响权重进行确定,进而得到对应的修正系数。
(1)修正项目:设备投运时间T(单位为a)。
当0≤T≤5 a时,K11=1;当5 a<T≤10 a时,K11=1.01;当10 a<T≤20 a时,K11=1.02;当20 a<T≤30 a时,K11=1.05;当T>30 a时,K11=1.09。
(2)修正项目:铁芯接地电流I(单位为A)。
当I=0时,K12=1;当0<I≤0.1 A时,K12=1.05;当0.1 A<I≤0.3 A时,K12=1.1;当I>0.3 A时,K12=1.2。
(3)修正项目:变压器外观等级L。
选取变压器本体、冷却系统、分接开关、非电量4个组件中外观等级最高的一个进行修正。K21=0.9+0.1 L,其中L取值为1、2、…、5(等级1表明外观状况最佳,无损坏)。
(4)修正项目:套管可靠等级R。
套管可靠性等级R取值在1~5之间。当R=1时,KR=0.9;当R=2时,KR=1;当R=3时,KR=1.1;当R=4时,KR=1.2;当R=5时,KR=1.4。对于三相变压器而言,考虑高、中、低侧套管具有不同的可靠性等级,此时,若max(KRh、KRm、KRl)>1,K22=KRh+KRm+KRl;若max(KRh、KRm、KRl)≤1,K22=min(KRh,KRm,KRl)。
(5)修正项目:冷却方式。
油浸自冷ONAN及油浸风冷ONAF,K23=1;强迫油循环冷却OF,K23=0.96;强迫导向油循环冷却OD,K23=0.95。
(6)修正项目:家族缺陷。
如果同系列设备从未发生过问题,则K24=0.96;如果同系列设备发生过少数缺陷,但并未危及运行,则K24=1;如果同系列设备发生重复故障,存在安全隐患,则K24=1.04。
(7)修正项目:近五年故障、缺陷次数n。
当n=0时,K25=0.96;当n=1时,K25=1;当n为2、3、4时,K25=1.04;当n为5、6、…、10时,K25=1.2;当n>10时,K25=1.4。
(8)修正项目:近区短路。
若发生过近区短路,则K26=1.04;若未发生过近区短路,则K26=1。
(9)修正项目:局部放电。
若存在局部放电现象,则K27=1.2;若不存在局部放电现象,则K27=1。
其中若某一项指标缺省,则该项对应的修正系数为1。
综合修正因子Kcom即为:
通过第三级评估,可以得到最终的变压器健康指数:
设备剩余寿命评估是根据变压器当前健康指数,代入到式(7)中,推算出当健康指数Ht=7时,设备报废所需要的时间。假设基于前文所述的3级评估模型得到的设备当前健康指数为H,剩余寿命为TL,则有:
因此,健康指数H与设备剩余寿命TL之间的对应规则为:
本文所提出的方法对绝缘寿命的计算是依据油浸式绝缘材料的老化特性实现的,因此对油浸式电力变压器、油浸式电抗器等油纸绝缘设备具有通用性。同时所采用的健康指数评估模型是具有通用性的,并非针对某一类设备。通过根据设备特点对模型中的状态量及其上下限阈值进行相应修改即可扩展应用于其他设备的状态评估。
3 算例分析
某变电站1982年投运的电压等级为500 k V、单相容量为250 MV·A、工作地点为室外的变压器(型号ODFPSE-250000/500),设计使用寿命为30 a,设备年平均负荷率为75%,当地年最高气温为35.2℃,同系列产品未发现家族缺陷,变压器采用强迫导向油循环冷却,测量得到的铁芯接地电流为0.03 A,巡检记录中变压器外观(包括设备本体、冷却系统、分接开关等部件)状况良好,并且不存在近区短路和严重局部放电现象,近五年没有发生严重缺陷或者故障,根据预防性试验中套管主绝缘电阻、末屏电阻、套管电容量和套管介损正切值等数据确定套管的可靠性等级为1。本文算例中将针对1998年9月12日和2008年6月2日的2组数据进行分析。其中,油简化试验数据记录、油色谱记录分别如表7及表8所示。
(1)首先针对1998年的数据进行分析,从投运以来,设备总计运行时间为146832 h,利用历史环境温度、历史负荷水平和历史顶层油温数据,得到全年热点温度数值。通过式(3)得到变压器绝缘寿命老化因子Fins,代入式(4),可以计算得到绝缘寿命损耗Tl为14914.8 h,因此绝缘剩余寿命Tb为247885.2 h(约为28.29 a),由式(6)可得实际绝缘寿命Tins约为44.3 a。
μL/L
根据设备的负荷水平及安装地的环境等级,由表2及表3可得对应的修正因子KT=1、KL=1.25。由于此时服役年龄Tsuv<Tdes-5,采用式(10)得到预期运行年限Tend为24 a,再代入式(9),计算老化系数B=0.11,完成第一级评估H1=2.904 4;根据各试验数据确定各试验项目所处等级,结合权重系数,得到。根据式(18),得到第二级健康指数Hcom=2.468 7;根据设备冷却方式、家族缺陷情况、近五年故障缺陷次数等信息完成修正系数的确定Kcom=0.94,因此最终健康指数即为H=KcomHcom=2.320 7。根据表1可知,此时设备健康状态较好,存在早期正常老化现象,设备性能良好,故障率较低,健康指数和故障率在一段时间内变化不大。将其代入式(22)得到此时设备剩余寿命TL为10.004 a。
(2)针对2008年的数据进行分析,采用与(1)中相同的步骤,根据历史环境温度、历史负荷水平和历史顶层油温数据,得到全年热点温度。通过式(3)得到变压器绝缘寿命老化因子Fins,代入式(4),可以计算得到绝缘寿命损耗Tl为73583.7 h,因此绝缘剩余寿命Tb为189 216.3 h(约为21.6 a),并计算得实际绝缘寿命Tins约为47.6 a。
根据设备的负荷水平以及安装地的环境等级,可以得到对应的修正因子KT=1、KL=1.25。由于此时服役年龄Tsuv≥Tdes-5,采用式(11)得到预期运行年限Tend为38.08 a,再代入式(9),计算老化系数B=0.069,第一级评估结果为H1=3.030 5,第二级评估结果为Hcom=2.879 0,第三级评估中Kcom=0.967 7,因此最终设备健康指数为H=KcomHcom=2.785 9。将其代入式(22)得到此时设备剩余寿命TL为13.294 2 a。此时,预期总运行寿命达到39.29 a,可以正常运行至2021年,超过设备设计使用寿命(30 a)。由实际情况可以知道,该变压器截止到2015年5月依旧正常运行,超出设计使用寿命,与计算结果相符合。
4 结论
在现有健康指数理论和绝缘寿命计算方法的基础上进行延伸和拓展,本文提出了一种考虑绝缘剩余寿命的油浸式变压器健康状态评估方法。利用变压器负荷记录和环境温度数据计算得到设备热点温度,并采用基于热点温度的绝缘寿命计算模型得到设备的绝缘剩余寿命。根据分级评估思想将与变压器运行状态强相关的状态量进行分级,结合健康指数理论得到不同层级对应的健康指数修正因子,由此得到反映变压器的综合运行状态的设备剩余寿命和健康指数值。通过实际算例分析证明了该方法的有效性和优越性。该方法的结果可以对设备检修计划的制定提供理论指导,同时该方法不局限于油浸变压器,对设备的状态量及其上下限阈值进行修改即可适用于油浸式电力变压器、油浸式电抗器等油纸绝缘设备。
摘要：在现有的健康指数理论和绝缘寿命计算方法的基础上进行延伸和拓展,建立变压器运行状态评估结果与其剩余寿命的映射关系,提出了一种考虑绝缘剩余寿命的油浸式变压器健康状态评估方法。利用变压器负荷记录和环境温度数据计算设备热点温度,继而计算设备的绝缘剩余寿命;再根据分级评估的思想对变压器运行状态进行分级评估,考虑不同因素的影响,形成不同层级的健康指数修正因子,最终得到反映变压器的综合运行状态的设备剩余寿命及健康指数评分。通过实际变电站算例分析证明了该方法的有效性和优越性。该方法并不局限于油浸式变压器,对于其他油绝缘设备(如电抗器)同样适用。
健康状态评估 篇5
2011-09-18,由江苏省交通科学研究院承担的“大型桥梁结构健康监测系统自身状态评估技术研究”项目通过鉴定,成果达到国际先进水平。“大型桥梁结构健康监测系统自身状态评估技术研究”针对大型桥梁结构健康监测系统构成复杂,信号具有时滞、强耦合、参数时变等非线性特征的现状,研究了多种异常信号的识别方法,提出了多种数据异常识别、特征分离及数据异常特征库构建的方法和步骤,经实桥数据检验表明,具有很强的实用性和推广价值。
继电保护状态评估及状态检修分析 篇6
目前, 电力系统的一次设备, 如电力变压器、断路器以及无功补偿装置等都已开展了状态检修的应用与实践工作, 为了与一次设备的状态检修体系相协调, 同时做到继电保护检修停运时间的减少和可用性与可靠性的提高, 应积极开展继电保护状态检修的研究与实施工作。
1 继电保护实行状态检修的可行性及难点分析
1.1 可行性分析
微机型继电保护具有以下功能:
(1) 自检功能。微机型继电保护具有自检功能, 能够对处理器、前端输入输出回路以及一些外围电路进行自动检测, 同时微机保护的关键部件还能进行功能的自我验证。
(2) 测量和故障记录功能。微机型继电保护能对电压值、电流值以及断路器的开合状态等状态量进行连续测量, 还能对区内或区外故障的响应情况进行记录。
(3) 数据通信功能。微机型继电保护所具有的通信端口使得检测、记录以及测量等保护信息上传至远端成为可能。
上述功能使得微机型保护的状态信息能够不通过侵入的方式被获取和上传, 从而为继电保护运行状况的判别以及状态检修策略的制定提供前提条件。
1.2 存在的难点
继电保护状态检修存在的难点如下:
(1) 继电保护二次回路监测问题。继电保护的二次回路比较复杂, 其通过二次电缆与众多电气设备相连。由于节点太多而且很分散, 要想完整实现对二次回路的运行状况以及接线正确性的实时监测难度较大。
(2) 电磁干扰问题。继电保护的工作环境存在较为严重的电磁干扰, 电磁干扰导致的保护误动、拒动等所造成的事故是无法被常规试验方法发现的, 所以必须加强微机保护的抗干扰能力。
(3) 同一次设备检修的配合问题。对继电保护进行检修要先将一次设备停电, 所以一般情况下, 继电保护的检修要在一次设备停电检修时方可进行。
2 继电保护状态评估及故障诊断技术
2.1 状态评估
继电保护状态评估就是指对继保装置的运行状况和健康状况进行技术评估。状态评估要结合继保装置的运行工况、负荷数据、各种状态量数据、家族缺陷信息、故障和事故记录以及以往的检修记录等多方面信息, 按照相关规范的要求、同类型设备的运行经验以及生产厂家推荐的性能指标等判据来对继电保护进行综合性评估。状态评估要对继电保护的运行状况和健康状况予以量化, 并对其打分, 从而使评估结果更具说服力。继电保护的状态评估结果可以分为四类:
(1) A类—正常状态。评估结果为A类则表示该继电保护装置处于正常状态, 各种设备资料完整, 运行数据和各项试验结果都正常, 即使有极少数数据存在一定偏差, 但变化趋势稳定, 未发现任何运行安全隐患。
(2) B类—可疑状态。评估结果为B类则表明该继电保护装置存在一些原因尚不明确的缺陷, 或保护的试验结果表明其可能存在异常, 但由于掌握信息较少, 难以对保护的状态作出最终判断, 需要进一步停电试验。
(3) C类—可靠性下降状态。评估结果为C类表明该继电保护装置存在有比较严重的缺陷, 或保护的试验结果表明其某些部位存在问题, 同时存在问题的部位及原因可以基本确定, 但短期内该缺陷及问题不会进一步发展至事故。
(4) D类—危险状态。评估结果为D类表明该继电保护装置存在非常严重的缺陷, 或保护的试验结果表明其随时都有产生事故的可能。
2.2 故障诊断
继电保护故障诊断就是由继保装置在运行或检修时出现的异常情况, 来对保护异常的原因及程度进行判断。故障诊断的常用方法有综合法和比较法, 其主要内容包括:
(1) 将其与保护装置以往历次试验结果进行对比, 如果运行或试验数据有比较明显的变化, 则说明保护有存在缺陷的可能。
(2) 将其与同一厂家同一类型保护装置的试验结果进行对比, 如果在相似运行条件下试验数据有比较大的差异, 则说明保护存在缺陷的可能性很大。
(3) 将同一保护装置不同相的试验结果进行对比, 如果某一相的试验数据相比于另外两相差异悬殊, 则该相极有可能存在缺陷。
(4) 将其与相关规范所要求的允许偏差范围进行对比, 若试验数据超出范围较多, 就要结合保护装置运行环境的实际情况来进行细致分析, 查找具体原因, 或进行进一步试验来查找缺陷。
(5) 综合考虑不同试验项目的试验结果, 对继电保护进行多方位、多参数的判断, 从而获得更为全面、更为准确的结论。
继电保护故障诊断的难点在于保护装置的各种异常表现与实际故障之间并不是简单的一一对应关系, 这就为继电保护的故障诊断设置了不小的障碍, 同时也注定了故障诊断是一个不断探索、反复试验的过程。由于各种继电保护试验技术具有各自的优缺点, 若只采取一种试验方法进行诊断, 难以得到全面而准确的结论, 所以要将多种试验方法结合起来对继电保护进行综合诊断, 以得到全面而准确的试验结果, 这是继电保护故障诊断下一步的发展方向。
3 继电保护实行状态检修的实用化措施
3.1 要全面获取继电保护装置的有效状态信息
微机型保护自身已经具备了强大的自检功能, 能够发现大部分硬件故障, 不过为了更为全面地反映保护装置的实际健康状况, 科学开展的状态检修工作, 还需要实现更多监测功能。
(1) 对开关电源的温度进行监测。通过对开关电源的温度进行实时监测, 并将监测数据上传至远端监测中心, 就能绘制出开关电源自投运起的温度曲线, 再结合开关电源累计工作时间, 就能对其剩余使用寿命进行推算。
(2) 继电保护状态采集量上传。目前电压、电流等状态量都是由测控装置来上传的, 而保护装置处理器所采集的状态量并未上传。为了远端监测中心能够对同一回路的测量值与保护值进行对比, 应对保护程序作相应修改, 使处理器所采集的状态量也可以通过通信接口上传至远端监测中心, 实现对保护装置状态量采集回路的在线监测。
(3) 统计LCD显示屏背光亮起时间并上传。继电保护的LCD显示屏是故障的多发地带, 其故障大多与投运时间有关, 所以要统计LCD显示屏的背光亮起时间, 并将统计数据上传至远端监测中心, 以此来推算LCD显示屏的剩余使用寿命。
3.2 利用远动操作对继电保护二次回路进行试验
若继电保护在检修周期内没有动作信息, 又难以验证保护的出口回路是否正常, 此时可以利用远动操作来对继电保护的二次回路进行试验。
(1) 将短时间停电通知提前下发给电力用户, 尽可能选择用电低谷时间来进行远动试验。
(2) 在远端监测中心发送一次远动指令至保护装置, 在接收到指令后, 保护装置按照指令执行一次跳闸—重合闸操作。
(3) 整个试验过程的停电时间仅需要1到2秒, 对电力用户不会产生很大影响。
(4) 远动试验不仅可以对保护装置的出口回路接线以及开入回路的正确性进行验证, 还能检验断路器是否可以正确动作。
3.3 广泛收集继电保护的家族性缺陷信息
通过收集同一厂家、同一类型、同一批次继电保护的家族性缺陷信息, 可以为运行中的保护提供检修指导, 为保护的状态评估与故障诊断提供依据。值得注意的是, 家族性缺陷所需要收集的样本库一定要足够多、足够大, 单纯依靠地区电力公司的力量稍显不足, 应由省一级电力公司为主导, 联合各地区电力公司以及保护装置的生产厂家, 广泛收集继电保护的各种运行、故障及试验信息和数据, 以汇总分析得出家族性缺陷信息, 作为继电保护状态检修的科学依据。
4 结论
继电保护状态检修的实施能够有效减少设备的停电次数和停电时间, 大大提高继电保护装置的可用时间, 使保护的检修计划更具有针对性和科学性, 增强了继电保护装置的运行可靠性, 同时还能降低电网运行和管理的成本, 社会效益和经济效益显著。
参考文献
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[3]高翔, 刘韶俊.继电保护状态检修及实施探讨[J].继电器, 2005, 20:23-27.
桥梁状态评估与加固技术研究 篇7
近20多年来,随着我国桥梁建设的不断发展,桥梁结构的形式与功能日趋复杂,人们对现代桥梁的质量和寿命也越来越重视。建成的桥梁经过长期使用后,内外多种因素会使桥梁的安全度有所下降,以致影响车辆安全的通行。因此,在对桥梁进行科学的状态评估的基础上,运用合适的加固技术对桥梁进行维修加固,既可以避免灾难性事故的发生,又可以延长桥梁的使用寿命,用少量资金投入,使桥梁满足交通需求,缓和桥梁投资的集中性。
2 桥梁状态评估
桥梁建成通车以后,随着时间的推移,由于种种因素会使桥梁安全度下降,以至影响桥梁的安全。因此,每隔一段时间需要对桥梁进行一次全面的状态评估,运用桥梁检测技术对桥梁的结构损伤、安全性、剩余承载能力作出鉴定,作为桥梁加固的依据。
通常桥梁的状态主要表现为:
2.1 承载能力不足
桥梁的承载能力是根据设计时所采用的荷载等级来确定的,早期建造的桥梁,特别是二十世纪六、七十年代建造的桥梁,设计荷载大多偏低。随着交通量的增加和荷载等级的提高,原有桥梁已经无法满足现今交通的需要,有些桥梁已经出现严重病害。
2.2 正常使用能力不足
这主要表现在桥面宽度不足;桥梁平面线形、纵断面线形标准太低;桥上通车净空或桥下通车净空不足,从而导致桥梁的正常通行能力不能满足要求。
2.3 设计、施工不合理
有些桥梁设计上不是很合理,结构构造处理不合理,桥梁在早期运营时其缺陷并不明显,运营一定时间后,病害逐渐显现出来。有些桥梁由于受施工质量、施工技术、施工手段等的限制和影响,存在一定的技术缺陷,随着运营时间的增加,其病害也逐渐显露、发展。
2.4 维修养护及加固措施不当
有些桥梁的技术缺陷则是由于养护维修不恰当引起的。比如桥面维修增加过大的恒载,致使桥梁本身自重过大,承载力相对提高较小或未提高;桥面排水处理不当,桥面渗水;又如支座维修不当,改变了整个结构的受力状态等。有些桥梁则是加固不当引起的。比如加固施加的预应力大小或者位置不恰当,引起结构的二次病害;又如结构体系改变不合理,致使结构的关键部位应力超限等。
2.5 自然老化
早期公路桥梁的设计龄期为50年,随着时间的推移,已建桥梁会不断损坏和老化,其承载力、刚度、延性和稳定性不断下降,这是一个不可改变的客观规律。
2.6 人为及外力因素引起的结构损坏
比如超出设计最高水位的洪水、泥石流、浮冰、冰冻、地震、强风、船舶撞击等作用,河道不恰当开挖,桥梁基础下存在岩溶、矿山坑道等,引起桥梁结构的局部损坏。
2.7 超负荷运营
随着我国改革开放的深入,交通运输业竞争在不断加剧。按路线等级或者预期设计荷载等级来说,这一部分设计荷载等级并不低,但由于一些特殊的原因,桥梁使用荷载大大超出设计荷载,致使桥梁长期处于超重荷载作用下运营,加速了桥梁的损坏。
2.8 超期服役
这部分桥梁并不是太多,但主要是建造时期较早,比如五、六十年代建造的桥梁,设计使用寿命只有30～50年,这些桥梁目前仍有部分在使用当中。
3 桥梁加固难度与技术要求
3.1 桥梁加固的难度大
己通车的桥梁,有现实的交通需要,因为要在不中断交通的情况下进行加固,所
以加固时有交通干扰。
结构形式的限制:加固的原则一般必须利用原有结构进行,只能在原有结构上做文章,所以受到局限。
新老结构的结合是一个难题:这里包含新老结构体系的变化和过渡,还包括新老桥体的结合面。
风险大:因为凡是要加固的桥梁,多半是危桥,结构己处在不利状态,有的还岌岌可危。对旧桥有的缺乏原有的设计资料和施工记录,结构内部情况不详;现有的受力情况不一样,很难确定其结构极限,这给旧桥的加固带来了风险。
3.2 加固的技术要求高
通常业主单位更愿意废弃旧桥另修新桥,除非必要时才利用旧桥而采用加固措施。
由于旧桥加固方案的设计,工作量大,收费低,所以一般大的设计单位不愿意承担这样的设计任务。
加固设计需要良好的桥梁理论水平和力学基础知识。确定加固方案时要能正确分析和判断旧桥的安危程度,即其结构状态和内力大小程度。这就需要一定的力学试验以作结构分析的支撑。
加固方案实施中存在复杂性。加固方案和处理方法要有一定施工经验的专业队伍。
4 桥梁加固技术
4.1 桥梁加固思路
加固和维修养护所起的作用是不同的维修养护是桥梁保持正常运营状态的保护性和预防性的工作,而加固却是从承载受力的角度来处理的。
第一类加固需求,桥梁不能承受原设计荷重要求,应该通过加固恢复其原有的承载力。
原设计的荷载标准不能满足现在的交通要求,要求提高到一个新的标准。
桥梁要通过一次性的特重荷载,要求采用临时性措施通过特重荷载而不使原结构受到破坏,过后恢复正常。
4.2 传统桥梁加固技术
4.2.1 增大混凝土截面加固技术
增大混凝土截面加固技术时在原结构基础上再浇筑一定厚度的钢筋混凝土,这是对钢筋混凝土桥加固的一种常用的改造技术。增大混凝土截面一般采用两种方式,一种是加厚桥面板;另一种是加大主梁肋的高度和宽度。加厚桥面板进行补强时,先将原桥面铺装层凿除,在桥面板上浇筑一层新的混凝土补强层,使其与原T梁形成组合断面,用以提高抗弯刚度以达到补强的效果。后者则使梁肋下缘采用钢筋混凝土加宽加高,通常存加大的下缘混凝土截面中加设主筋,用以提高截面的承载力,达到补强加固的效果,该方法仅适用于具有梁肋的桥梁加固,对于板梁、箱梁不宜实施。但是此方法只对较小跨径的T梁桥或板桥较为适用。一般采用此法加固后桥梁刚度明显提高,承载能力也能取得较好的效果。
4.2.2 塞缝灌浆技术
塞缝灌浆一般用于处理桥梁上、下部结构裂缝,灌浆分为水泥浆、水泥砂浆、环氧树脂浆、环氧树脂、砂浆等,具体采用哪一种,应视实际情况而定。通常水泥浆用于石砌墩、台和拱圈裂缝,由裂缝的大小来决定灌浆中是否掺砂,采用水泥浆造价低、效果好。环氧树脂浆一般用于钢筋土混凝土结构物,因为钢筋混凝土构件产生的裂缝较小,易灌满,粘结性好;环氧树脂砂浆多用于桥面裂缝。塞缝灌浆技术的通常做法是:先用1:1水泥砂浆勾缝,勾缝时须预留直径约6～8 mm的灌浆孔,孔距视裂缝宽度而定,缝宽处孔距为0.6～1.0m,缝小处孔距为0.4～0.6 m。待勾缝砂浆达到一定强度后即可灌浆。钢筋混凝土梁的裂缝较小,用环氧树脂勾缝,同时要留孔灌浆,孔距一般为0.25～0.30 m,灌浆方法与灌水泥浆大致相同。在公路旧桥加固中,塞缝灌浆是综合处治的方法之一,用得比较普遍,通过试载及使用观察,效果较好。
4.3 桥梁加固新技术
4.3.1 粘贴钢板加固法
粘贴钢板加固混凝土技术是一项新型的结构加固技术,该技术基本不改变原结构的尺寸,施工简单、技术可靠、短期加固效果较好且工艺成熟等优点,具有很好的推广价值。粘贴钢板加固法是采用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其他薄弱部位,使钢板与加固混凝土结构形成整体,以提高构件的抗弯、抗剪能力,提高原结构的刚度,限制裂缝的开展,改善钢筋与混凝土的应力状态。当粘贴钢板拟提高梁的抗弯强度时,钢板粘贴在梁的底面。此时将钢板和混凝土作为整体考虑,对钢板与混凝土的局部剪切强度进行控制设计;当拟提高梁的抗剪强度时,钢板可粘贴在构件侧面,并与原构件内抗剪钢筋方向一致。粘贴钢板补强加固的合理设计应控制在钢板发生屈服之前,以保证混凝土不出现剪切破坏。
4.3.2 喷射混凝土法
喷射混凝土是借助喷射机械,利用压缩空气或其他动力,将按一定比例配合的拌和料,通过管道运送并高速喷射到受喷面(岩面、模板、旧建筑物)上凝结硬化而成的一种混凝土,它不是以振动来捣实混凝土,而是在喷射时,由水泥与集料的反复连续撞击而使混凝土压实,同时又可采用较小的水灰比(0.4～0.5),因而它具有较高的力学强度和良好的耐久性。目前比较流行的是喷射合成纤维混凝土,也就是在喷射混凝土中掺入三维分布的合成纤维来改善混凝土性能。
4.3.3 增加体外预应力法
体外预应力是后张无粘结预应力体系的分支之一。将预应力钢筋布置于混凝土截面之外的技术已在工程中得到了应用,并成为加固既有桥梁的有效方法之一。体外预应力体系由体外预应力孔管、浆体、锚固体系和转向块等部件组成。体外预应力技术能大大缩短施工工期,能降低被加固构件的应力水平,使结构整体承载力显著提高,但加固后对原结构外观有一定影响。适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的混凝土构件的加固。但在无防护的情况下,不能用于温度在60℃以上环境中,也不宜用于混凝土收缩徐变大的结构,另外,本法对体外索的防锈、防腐要求较高。
4.3.4 粘贴碳纤维加固法
粘贴碳纤维加固技术是一种新型的桥梁加固改造技术。碳纤维是用抗拉强度极高的碳纤维经环氧树脂预浸而成的结构增强复合片材。将它用环氧树脂作为黏结剂,沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损构件上,粘贴剂作为它们之间的剪力连接媒介,形成新的复合体,使增强贴片与原有的钢筋共同受力,增大了结构抗拉或抗剪能力,有效地提高结构的强度、刚度、抗裂性和延性,控制裂缝和挠度的继续发展。由于碳纤维是一种高新技术材料,运用于土木工程领域中的时间还比较短,实测数据非常少,但碳纤维原材料本身具有极好的耐久性能,日本有关碳纤维布及其复合材料的耐久性试验结果和有关试验研究也证明,在弱酸环境中,在一定冻融循环次数后,在一定干湿交替作用次数后,在一定光照时间后,在70℃水中浸泡30 d等条件下,碳纤维布与混凝土间的黏结性能降低很小,耐久性能很好。我国目前在工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料,是以国外进口材料为主,国产产品较少,且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还有差距。这样,进口的材料单价就显高,这往往影响技术的经济决策。因此,除了应尽快采取先进技术及措施使国产产品提高质量外,在碳纤维片材加固技术应用中,应当更多从加固效果,耐久方面来考虑桥梁加固后正常运营效益与经济性。
5 结束语
通过正确的桥梁结构检查,及时准确的分析、判断结构的病害,采取正确的加固措施和方法,是保持桥梁结构使用功能和寿命的重要手段。随着科学技术的不断发展,施工、养护和加固方法会得到更深更好的发展。桥梁的维修与加固在当前交通流量负荷加重、桥梁受损普遍的情况下,具有较高的经济效益和社会效益。所以,公路建设要积极贯彻“建养并重”的方针,将桥梁的检查、维修、加固与改造工作列入议事日程。
参考文献
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