郭建斌,肖 劍,聞源長

(河海大學水利水電工程學院,江蘇南京 210098)

受運行環(huán)境影響,水工鋼閘門常會出現(xiàn)腐蝕問題.目前水利、電力等行業(yè)一直按SL 105—1995《水工金屬結構防腐蝕規(guī)范》和GB8923—1988《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》等規(guī)程規(guī)范進行鋼閘門腐蝕檢測與等級評估.這種評估方法考慮的因素比較單一,雖然一定程度上能滿足腐蝕檢測與安全評估的需要,但總體效果不太理想.因為水工鋼閘門的腐蝕性狀屬于模糊評估與定量化識別的范疇,所以對其進行評估時必須考慮多種因素的影響.

近年來,馬宗晉等[1-3]基于模糊識別理論,提出了關于自然災害影響程度的災度概念及其災度等級識別的方法,通過災度等級識別技術,實現(xiàn)了各種工程災度影響程度的定量化和準確性識別.工程應用結果[4-6]表明,這一方法可以有效地綜合各種復雜的確定或不確定影響因素,較好地滿足工程評估定量化和準確性的需要.本文通過引入災度模糊評估等級識別技術,構建鋼閘門腐蝕性狀災度等級的隸屬度函數(shù),并按照最大隸屬度原則對水工鋼閘門腐蝕性狀進行了模糊評估和定量化度量.

1 金屬結構腐蝕性狀的災度等級識別方法

1.1 災度等級識別方法

災度等級識別方法首先按單一因素進行分項評判,通過隸屬度函數(shù)綜合所有因素的相關性影響后求得各分項隸屬度,并按最大隸屬度原則確定最大隸屬度以及所屬等級,最終實現(xiàn)工程受災程度的等級評判與識別.其數(shù)學過程表述為:對于所研究的評判論域X(內有評判分類元素xi),通過m項評判指標u1,u2,…,um,按隸屬度函數(shù)可以確定分項評判的隸屬度模式A1,A2,…,An,從而形成模糊評價集{A1,A2,…,An∈F(u1?u2?…?um)},然后得到各項評判分類元素的隸屬度,最終可以按最大隸屬度原則確定xi∈X的等級評判分類.其中最大隸屬度

式中:μAS(xi)——xi的n個隸屬度模式的最大隸屬度;μAi(xi)——xi的Ai隸屬度模式的隸屬度;AS——按最大隸屬度原則確定的xi的隸屬度模式.

1.2 隸屬度函數(shù)的建立

金屬結構的腐蝕評估是多因素的綜合性評估,識別方法中的隸屬度函數(shù)必須能夠正確反映現(xiàn)行等級評估水準和應用方便的原則.基于這一原則,離散型影響因素的隸屬度函數(shù)采用專家評定法直接確定,連續(xù)型影響因素的隸屬度函數(shù)采用正態(tài)型、戒上型、戒下型和降半型等公式法確定.結合工程中腐蝕影響因素的數(shù)據分布特征,腐蝕連續(xù)型影響因素的隸屬度函數(shù)選用降半梯形分布類型,如式(2)～(4)所示.

1.3 腐蝕性狀的災度等級

1.3.1 腐蝕主要評估指標

考慮到鋼閘門腐蝕特點[7]和相關數(shù)據獲取難易程度,并兼顧行業(yè)規(guī)范[8-9],以結構安全影響為主要衡量標準,將腐蝕率、腐蝕外觀、腐蝕速率、腐蝕分布和防腐涂層受蝕率5類指標作為腐蝕評估的主要指標(表1).這5類指標主要從結構受力構件的損害程度、管理水平、時變影響、應力集中影響和潛在危害等方面,表征腐蝕病害對構件抗力的影響.

表1 主要評估指標的定義和表征內容Table 1 Definition and depiction of main assessment indices

1.3.2 腐蝕性狀的分級標準

將鋼閘門的腐蝕性狀劃分為5個等級(Ⅰ級～Ⅴ級),以實現(xiàn)評估目標的定量化模式識別[9].

結合工程中腐蝕病害呈現(xiàn)的統(tǒng)計特性[10],對各單一評估指標分別給出與5個等級相對應的劃分標準,見表2.表2中腐蝕外觀(u2)指標是模糊評價內容,主要通過目測評估確定.若構件局部出現(xiàn)少量銹斑或銹跡,則u2賦值為1;若構件涂層少量剝落,出現(xiàn)少量離散的較深銹坑,則 u2賦值為2;若構件涂層大面積剝落,出現(xiàn)密集成片的銹坑群,則u2賦值為3;若構件較深銹坑密集成片,局部出現(xiàn)很深銹坑,則 u2賦值為4;若構件深銹坑密布,銹皮成片泛起,則 u2賦值為5.

1.3.3 災度等級的評估與識別

腐蝕性狀等級量化結果作為金屬結構腐蝕性狀評估的目標模糊集合{Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級,Ⅳ級,Ⅴ級}.對金屬結構腐蝕性狀的單一指標按等級劃分評估標準,是為了建立災害損失等級模糊集隸屬度函數(shù),并使金屬結構腐蝕性狀等級的評價標準歸一化.可以按最大隸屬度原則通過模糊綜合評估,實現(xiàn)對金屬結構腐蝕性狀的模糊定量化評估和識別.

表2 單一評估指標劃分標準Table2 Standards of single assessment factor

1.3.3.1 模糊隸屬度矩陣

對于一個確定的識別樣本,按表2確定樣本的各評判因子,并結合式(2)～(4)分別代入相應的等級隸屬度函數(shù)進行計算,可獲得該樣本的模糊評估矩陣 R m×n,見式(5).所得計算值即為該等級下隸屬度矩陣中該單一指標的對應值;同一等級對應矩陣中的各列.

式中:u1,u2,…,um——單一樣本中的各評估指標,這里取m=5;v1,v2,…,vn——腐蝕病害的等級,這里取n=5.

1.3.3.2 權重系數(shù)的確定

權重系數(shù)反映了各單一評估指標對隸屬度的影響權重,計算方法很多,有AHP法、專家經驗判斷法和綜合賦權法等,一般按影響指標的數(shù)量取平均值作為等權重[11].考慮到相關因素對腐蝕性狀的影響及其統(tǒng)計特性,本文采用專家經驗判斷法來確定權重系數(shù),但去除了專家判斷的離異值,最終確定的評估指標權向量W=(0.3,0.1,0.3,0.2,0.1).

1.3.3.3 腐蝕性狀的等級識別

利用式(6)識別金屬結構的腐蝕性狀,得到腐蝕病害等級的識別矩陣B,并根據最大隸屬度原則按式(1)求得所屬目標評估模式等級,從而確定出金屬結構腐蝕等級,以明確其安全性狀.

2 工程應用

南京某節(jié)制閘門,盡管采取了相關防腐措施,但閘門主橫梁等主要受力構件經過長期運行仍存在較嚴重的腐蝕問題.按照表2的評估標準,通過現(xiàn)場腐蝕檢測進行了單一影響指標的評估,獲得了相關檢測結果:u1=6%,u2=3,u3=0.024mm/a,u4=70%,u5=30%.

按式(5)建立模糊評估指標矩陣R主橫梁,即

按式(6)計算獲得腐蝕病害等級的識別矩陣,即

由此可知,綜合多因素的該閘門主橫梁腐蝕性狀的最大隸屬度指數(shù)為0.88,根據最大隸屬度原則可以確定,主橫梁呈現(xiàn)Ⅲ級腐蝕性狀.

結構構件受腐蝕影響主要表現(xiàn)為有效承載截面減薄和受載應力集中.文獻[12]鋼閘門常規(guī)力學試驗數(shù)據表明,結構構件抗力受腐蝕性狀影響呈現(xiàn)二次拋物下降的特點,其中Ⅲ級腐蝕性狀造成的抗力折減20%.若考慮主橫梁對結構的安全影響以及該工程的重要程度,應對該閘門重新進行安全復核,以明確其安全性狀,必要時應對主橫梁等受力構件采取補強加固措施,才能有效確保工程安全可靠地運行.

3 結 語

a.本文引入災度識別的模糊評估思想,以最大隸屬度為原則,按降半梯形分布構建腐蝕等級隸屬度函數(shù),并根據隸屬度大小識別鋼閘門結構腐蝕性狀的等級歸屬.這為鋼閘門腐蝕性狀的定量化評估提供了有效的識別方法,可以較好地解決評估過程的模糊性和不確定問題,避免腐蝕等級評定過程的絕對性和片面性,確保鋼閘門腐蝕評估的客觀性.

b.腐蝕問題是影響鋼閘門結構承載能力的重要影響因素之一,通過腐蝕性狀的模糊定量評估與識別,可以明確和預警水工鋼閘門的在役安全性狀.工程應用結果表明,模糊綜合評估克服了描述性評估含糊不清的缺陷,為鋼閘門安全復核等研究提供了重要的基礎性數(shù)據,較好地滿足了工程安全評估的定量化要求.

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