混凝土斜拉橋狀態(tài)評估介紹

張海霞，孫勇捷

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

    大型橋梁的生命過程包括總體規(guī)劃、設(shè)計施工、運營  管理這三個階段。以往人們只關(guān)注前兩個階段而忽略了運營管理的重要性，而大型橋梁在建成運營后，由于荷載作用和疲勞、腐蝕以及材料的自然老化和損傷積累等各種不利因素，再加上養(yǎng)護維修欠缺等等的影響，不滿足規(guī)定功能要求的問題已越來越普遍，如不及時對其進行狀態(tài)評估并采取相應(yīng)措施加固維修，甚至?xí)��?dǎo)致突發(fā)事故。近年來，公路橋梁超限行車現(xiàn)象特別嚴(yán)重，更加劇了橋梁結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷的發(fā)展。此外，使用期間可能出現(xiàn)各種不可預(yù)見災(zāi)害和意外事件(如車輛撞擊等)，也會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損傷或損壞。因此，為了確保大型橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全性和耐久性，減少或避免國家財產(chǎn)、人民生命的重大損失，需要進行大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和評估來及時發(fā)現(xiàn)病害并采取相應(yīng)的維修養(yǎng)護措施。這可以大大節(jié)省橋梁的維修費用，避免因結(jié)構(gòu)毀壞而關(guān)閉交通引起的重大經(jīng)濟損失和不良的社會影響。

1、混凝土斜拉橋損傷及評估方法介紹

    混凝土斜拉橋是大型橋梁中較為常見且較受青睞的橋型。尤其近幾十年來，混凝土斜拉橋以其合理的結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)美的外形，相對經(jīng)濟的造價，在全世界范圍內(nèi)得到了迅速地發(fā)展，成為大跨度橋梁的首選橋型。斜拉橋是由塔、梁、索組合而成的空間高次超靜定結(jié)構(gòu)。我國于1975年開始修建斜拉橋，至今已建成幾十座。現(xiàn)代橋梁的設(shè)計理論、施工技術(shù)發(fā)展很快，斜拉橋的跨徑必將越來趣大，輕柔性也將越來越高。既有混凝土斜拉橋大多為密索體系，其使用現(xiàn)狀大多狀況良好，但也有為數(shù)不少的橋梁由于上述原因在較短使用期內(nèi)就發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷。由此可以看出因斜拉橋結(jié)構(gòu)特點引出的問題：橋跨線型變化、混凝土主梁開裂、鋼斜拉橋各構(gòu)件銹蝕、斜拉索及其錨具銹蝕、伸縮縫和排水系統(tǒng)損壞等等。尤其是近年來有許多斜拉橋的拉索由于防腐不妥及疲勞等原因?qū)е卤黄葥Q索的情況，例如美國P—K大橋、我國濟南黃河大橋、廣州海印大橋以及四川犍為岷江橋。這些雖是局部破壞，但必然會導(dǎo)致橋梁的安全性和可靠度下降，甚至?xí)�影響橋梁的正常運營。因此，對既有混凝土斜拉橋的安全健康監(jiān)測及狀態(tài)評估就顯得尤為重要。只有對其做出正確的狀態(tài)評估，才能相應(yīng)地對橋梁的損傷和病害建立一套客觀可行的維修加固決策系統(tǒng)，使得既有橋梁的技術(shù)改造決策更加科學(xué)、改造方案更加經(jīng)濟合理。同時，正確評估混凝土斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全狀況，也是一項緊迫而重要的研究課題，它是實現(xiàn)對橋梁科學(xué)管理及維修養(yǎng)護的重要前提條件，也是橋梁管理部門的決策依據(jù)。可以說，對既有斜拉橋進行狀態(tài)評估將具有重要的社會意義、經(jīng)濟價值和非常廣泛的應(yīng)用前景。

    就目前國內(nèi)外現(xiàn)狀分析來看，橋梁結(jié)構(gòu)的評估內(nèi)容包含在“可靠性”中。可靠性包括安全性、適用性和耐久性二個方面，三者相互關(guān)聯(lián)但各有重點。安全性評估即承載能力評估，適用性評估是指對結(jié)構(gòu)的運營極限狀態(tài)的評估，而耐久性則是指通過材料強度和結(jié)構(gòu)損傷的評估得出結(jié)構(gòu)的疲勞損傷度和剩余壽命。對于大型或特大型橋梁，由于其經(jīng)濟價值、社會功能的重要性，其狀態(tài)評估一般要與健康檢測系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，通過利用監(jiān)測系統(tǒng)長期監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)。對橋梁的評估目前主要有兩個方面，即損傷評估和狀態(tài)評估。對于損傷評估，主要是研究如何利用監(jiān)測系統(tǒng)或通過其他方法獲得的數(shù)據(jù)確定結(jié)構(gòu)的損傷部位以及損傷程度，為進一步的承載能力評估奠定基礎(chǔ)；而對于狀態(tài)評估，則是利用自動監(jiān)測系統(tǒng)和人工監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，綜合評定大型橋梁目前的使用狀態(tài)，主要是鑒定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和指導(dǎo)日常養(yǎng)護維修。大型橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估方法主要有：專家系統(tǒng)評定法、基于可靠度理論評定法、常規(guī)綜合評估法、模糊綜合評估法、灰色關(guān)聯(lián)度評估法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、特爾斐專家評估法、主成分分析法、變權(quán)綜合評估法、層次分析法等。目前各國都根據(jù)具體情況制定了分級排序的國家標(biāo)準(zhǔn)，基本上是采用模糊分類的方法，如美國公路橋梁缺陷分級標(biāo)準(zhǔn)、中國公路橋梁綜合評定方法等等。但7是這些都沒有對橋梁的缺損狀態(tài)制定出統(tǒng)一有效的評定指標(biāo)，并且難以反映出各構(gòu)件的缺損及嚴(yán)重程度對整個橋梁的影響；一些標(biāo)準(zhǔn)或評定辦法也沒有針對具體的橋型。不同的橋型有不同的構(gòu)造特征和受力特點，不能一概而論。應(yīng)該針對每種橋型的橋梁進行不同部位的監(jiān)測，得出不同的評估方法。盡管如此，我國在橋梁評估方面積極開展研究工作，逐步積累資料和經(jīng)驗，交通部科學(xué)研究院已頒布了基于設(shè)計規(guī)范的橋梁承載能力鑒定文件，交通部頒布了《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》。同時，國內(nèi)許多專家在橋梁狀態(tài)評估研究和實踐方面做了許多探索。

    陸亞興等人根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點以及缺損特征，提出了橋梁構(gòu)件缺損狀況的監(jiān)測內(nèi)容及評價標(biāo)準(zhǔn)，引入橋梁缺損狀況指數(shù)BCl作為橋梁缺損狀況指標(biāo)，建立了BCl的計算模型，通過主客觀相結(jié)合的方法標(biāo)定了模型的各項參數(shù)；潘黎明、史家鈞引入灰色關(guān)聯(lián)分析和變權(quán)綜合的概念，提出用層次分析法建立評價指標(biāo)體系后，量化表明灰色關(guān)聯(lián)度概念和變權(quán)綜合方法可較好地應(yīng)用于大型橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估；張永清等人利用層次分析法建立了橋梁安全性評價模型，在專家咨詢的基礎(chǔ)上，借助多級模糊綜合評判和打分法相結(jié)合，分析確定影響橋梁安全性的各因素等級，為橋梁使用階段的管理決策提供依據(jù)。

2、應(yīng)用不確定型層次分析法對混凝土斜拉橋狀態(tài)進行評估

    層次分析法(Analytic Hierarch Process，AHP)最早由美國著名運籌學(xué)家匹茲堡大學(xué)教授A·L·Satty在20世紀(jì)70年代末提出。它是一種實用的多準(zhǔn)則決策方法，把一個復(fù)雜問題表示為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過人們的判斷對決策方案的優(yōu)劣進行排序。傳統(tǒng)的AHP法可以統(tǒng)一處理決策中的定性與定量因素，具有實用性、系統(tǒng)性、簡潔性等優(yōu)點。但也有其不足之處：在橋梁評估過程中，橋梁評估專家在構(gòu)造判斷矩陣時根據(jù)傳統(tǒng)的AHP法采用“l(fā)—9”標(biāo)度確定兩個評估指標(biāo)問的重要性，比較的結(jié)果只能介于l與9之間的一個數(shù)字來表達，沒有別的選擇。即用一個確定性的數(shù)字來量化一個模糊性的事物，這顯然是不適宜的。由于影響評估指標(biāo)間重要性程度的因素很多，人們對事物的認(rèn)識的多樣性以及評判過程中存在的不確定性和模糊性，如果采用確定性的量化方法必然無法反映這種特性，與實際不相符。在實際問題中，由于客觀因素的復(fù)雜性、不確定性，使專家對因素的相對重要沒有把握。因此，鑒于傳統(tǒng)的層次分析法的不足之處，如果采用一個區(qū)間數(shù)來量化，則該量化與判斷的模糊性和不確定性取得一致，這時判斷矩陣中的元素是一個區(qū)間數(shù)，這時的判斷矩陣稱之為不確定型判斷矩陣，相應(yīng)的這種方法稱之為不確定型層次分析法。本文著重介紹應(yīng)用不確定型層次分析法進行混凝土斜拉橋狀態(tài)評估。

    應(yīng)用不確定型層次分析法對混凝土斜拉橋進行狀態(tài)評估，通常有以下幾個步驟：(1)建立混凝土斜拉橋的遞階層次結(jié)構(gòu)模型；(2)構(gòu)造各層的兩兩區(qū)間判斷矩陣并計算區(qū)間權(quán)重。這是不確定型層次分析法的重點；(3)檢驗區(qū)問判斷矩陣的一致性并修正判斷矩陣。此方法的具體實現(xiàn)步驟如下。

    第一步，全面考慮各個構(gòu)件對整體使用功能的影響，對斜拉橋進行結(jié)構(gòu)層次劃分，確定評定指標(biāo)，把影響斜拉橋結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的因素逐級分解為許多較為簡單子問題的遞階層次結(jié)構(gòu)。本文將混凝土斜拉橋劃分為以下層次：混凝土斜拉橋分為下部結(jié)構(gòu)、主梁、索塔、斜拉索、附屬設(shè)施等若干子問題，其中的每一項又可細分為可量化和不可量化指標(biāo)。下部結(jié)構(gòu)的可量化指標(biāo)有：混凝土強度、混凝土應(yīng)力、基礎(chǔ)沉降、墩臺偏位，不可量化指標(biāo)有：鋼筋銹蝕、保護層損傷、預(yù)應(yīng)力失效、混凝土裂縫；主梁可量化指標(biāo)有：主梁線形、主梁應(yīng)力、混凝土強度，不可量化指標(biāo)有：鋼筋銹蝕、保護層損傷、預(yù)應(yīng)力失效、混凝土裂縫；索塔可量化指標(biāo)有：索塔偏位、索塔應(yīng)力、混凝土強度，不可量化指標(biāo)有：錨固鋼板銹蝕、保護層損傷、混凝土裂縫、預(yù)應(yīng)力失效；斜拉索可量化指標(biāo)有：索力，不可量化指標(biāo)有：防護套損傷、錨固系統(tǒng)損傷、減震器損傷；附屬設(shè)施不可量化指標(biāo)有：照明設(shè)施損壞、橋面鋪裝損壞、排水設(shè)施損壞、欄桿損傷、支座損傷、伸縮縫損壞、人行道損壞等。

    第二步，根據(jù)所建層次模型設(shè)置專家問卷調(diào)查表，對專家進行知識調(diào)查咨詢。分別制定各中間層、指標(biāo)層的權(quán)重專家調(diào)查表，向橋梁有關(guān)專家發(fā)送并妥善保存回執(zhí)以備應(yīng)用這些數(shù)據(jù)。

    第三步，構(gòu)造不確定型判斷矩陣，求出各層次指標(biāo)對匕一層次指標(biāo)影響的初始權(quán)重。關(guān)于區(qū)間權(quán)重可以根據(jù)以下算法求出：先將不確定型判斷矩陣換算成一致性數(shù)字矩陣，運用和法算出其確定權(quán)重。根據(jù)文獻[2]提到的公式計算系數(shù)k和m，則得到初步區(qū)間權(quán)重。考慮到群判斷中專家的可信度，分別計算出群判斷中的相似性及差異性，算出專家可信度后，綜合利用集值統(tǒng)計原理及重心決策理論可以計算出確定權(quán)重值肜。

    第四步，綜合利用監(jiān)測所得到的數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)范來制定評分值，使之正確反映底層指標(biāo)損傷的實際狀況。將底層評語進行無量綱化處理，對于定性指標(biāo)可根據(jù)規(guī)范取值，對于定量指標(biāo)可按照一定的公式計算，而對于適度群指標(biāo)則可以采用灰色關(guān)聯(lián)度來計算。然后對底層指標(biāo)進行模糊化處理，從而得出模糊向量R。

    第五步，根據(jù)公式V=W·R計算出最終評估等級，并根據(jù)最大隸屬度原則得出橋梁相應(yīng)的技術(shù)等級狀態(tài)。要全面整體地考慮各構(gòu)件和客觀因素(如交通量和橋梁等級等)對使用功能的影響，最終算出總體結(jié)構(gòu)使用功能的評定指標(biāo)，根據(jù)規(guī)范制定出使用功能指標(biāo)的對照標(biāo)準(zhǔn)，以此來判定橋梁的實際健康狀態(tài)。至此便應(yīng)用不確定型層次分析法完成了對混凝土斜拉橋的狀態(tài)評估。

參考文獻

[1]劉文龍．基于不確定型層次分析法橋梁安全性評估研究[R].武漢理工大學(xué)，2005．

[2]徐威．鐵路橋評定研究[R]．西南交通大學(xué)，2005.

[3]許湘華．層次分析法在鐵路既有混凝土橋梁綜合性能評價中的應(yīng)用[J]．貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，32(3)．

[4]伍華成．大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋狀態(tài)評估系統(tǒng)的研究[R]．浙江大學(xué)，2006．

[5]項貽強，伍華成，翁沙，等．大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的狀態(tài)評估體系研究[J]．中外公路，2005(5)．

[6]許樹柏．層次分析法原理[M]．天津大學(xué)出版社，1988．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)