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阅读 2767 次 混凝土斜拉桥状态评估介绍

摘要:介绍了国内外混凝土斜拉桥状态评估现状及相关理论方法,重点介绍了层次分析法,在此基础上改进提出的不确定型层次分析法,以及应用不确定型层次分析法对混凝土斜拉桥状态进行评估的步骤。...

混凝土斜拉桥状态评估介绍

张海霞,孙勇捷

(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)

    大型桥梁的生命过程包括总体规划、设计施工、运营  管理这三个阶段。以往人们只关注前两个阶段而忽略了运营管理的重要性,而大型桥梁在建成运营后,由于荷载作用和疲劳、腐蚀以及材料的自然老化和损伤积累等各种不利因素,再加上养护维修欠缺等等的影响,不满足规定功能要求的问题已越来越普遍,如不及时对其进行状态评估并采取相应措施加固维修,甚至会导致突发事故。近年来,公路桥梁超限行车现象特别严重,更加剧了桥梁结构疲劳累积损伤的发展。此外,使用期间可能出现各种不可预见灾害和意外事件(如车辆撞击等),也会导致桥梁结构的损伤或损坏。因此,为了确保大型桥梁结构的使用安全性和耐久性,减少或避免国家财产、人民生命的重大损失,需要进行大型桥梁结构的健康监测和评估来及时发现病害并采取相应的维修养护措施。这可以大大节省桥梁的维修费用,避免因结构毁坏而关闭交通引起的重大经济损失和不良的社会影响。

1、混凝土斜拉桥损伤及评估方法介绍

    混凝土斜拉桥是大型桥梁中较为常见且较受青睐的桥型。尤其近几十年来,混凝土斜拉桥以其合理的结构形式,优美的外形,相对经济的造价,在全世界范围内得到了迅速地发展,成为大跨度桥梁的首选桥型。斜拉桥是由塔、梁、索组合而成的空间高次超静定结构。我国于1975年开始修建斜拉桥,至今已建成几十座。现代桥梁的设计理论、施工技术发展很快,斜拉桥的跨径必将越来趣大,轻柔性也将越来越高。既有混凝土斜拉桥大多为密索体系,其使用现状大多状况良好,但也有为数不少的桥梁由于上述原因在较短使用期内就发生各种结构损伤。由此可以看出因斜拉桥结构特点引出的问题:桥跨线型变化、混凝土主梁开裂、钢斜拉桥各构件锈蚀、斜拉索及其锚具锈蚀、伸缩缝和排水系统损坏等等。尤其是近年来有许多斜拉桥的拉索由于防腐不妥及疲劳等原因导致被迫换索的情况,例如美国P—K大桥、我国济南黄河大桥、广州海印大桥以及四川犍为岷江桥。这些虽是局部破坏,但必然会导致桥梁的安全性和可靠度下降,甚至会影响桥梁的正常运营。因此,对既有混凝土斜拉桥的安全健康监测及状态评估就显得尤为重要。只有对其做出正确的状态评估,才能相应地对桥梁的损伤和病害建立一套客观可行的维修加固决策系统,使得既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造方案更加经济合理。同时,正确评估混凝土斜拉桥的结构安全状况,也是一项紧迫而重要的研究课题,它是实现对桥梁科学管理及维修养护的重要前提条件,也是桥梁管理部门的决策依据。可以说,对既有斜拉桥进行状态评估将具有重要的社会意义、经济价值和非常广泛的应用前景。

    就目前国内外现状分析来看,桥梁结构的评估内容包含在可靠性中。可靠性包括安全性、适用性和耐久性二个方面,三者相互关联但各有重点。安全性评估即承载能力评估,适用性评估是指对结构的运营极限状态的评估,而耐久性则是指通过材料强度和结构损伤的评估得出结构的疲劳损伤度和剩余寿命。对于大型或特大型桥梁,由于其经济价值、社会功能的重要性,其状态评估一般要与健康检测系统相关联,通过利用监测系统长期监测获得的数据。对桥梁的评估目前主要有两个方面,即损伤评估和状态评估。对于损伤评估,主要是研究如何利用监测系统或通过其他方法获得的数据确定结构的损伤部位以及损伤程度,为进一步的承载能力评估奠定基础;而对于状态评估,则是利用自动监测系统和人工监测获得的数据,综合评定大型桥梁目前的使用状态,主要是鉴定结构的工作状态和指导日常养护维修。大型桥梁结构状态的评估方法主要有:专家系统评定法、基于可靠度理论评定法、常规综合评估法、模糊综合评估法、灰色关联度评估法、模糊神经网络法、特尔斐专家评估法、主成分分析法、变权综合评估法、层次分析法等。目前各国都根据具体情况制定了分级排序的国家标准,基本上是采用模糊分类的方法,如美国公路桥梁缺陷分级标准、中国公路桥梁综合评定方法等等。但7是这些都没有对桥梁的缺损状态制定出统一有效的评定指标,并且难以反映出各构件的缺损及严重程度对整个桥梁的影响;一些标准或评定办法也没有针对具体的桥型。不同的桥型有不同的构造特征和受力特点,不能一概而论。应该针对每种桥型的桥梁进行不同部位的监测,得出不同的评估方法。尽管如此,我国在桥梁评估方面积极开展研究工作,逐步积累资料和经验,交通部科学研究院已颁布了基于设计规范的桥梁承载能力鉴定文件,交通部颁布了《公路养护技术规范》。同时,国内许多专家在桥梁状态评估研究和实践方面做了许多探索。

    陆亚兴等人根据桥梁结构特点以及缺损特征,提出了桥梁构件缺损状况的监测内容及评价标准,引入桥梁缺损状况指数BCl作为桥梁缺损状况指标,建立了BCl的计算模型,通过主客观相结合的方法标定了模型的各项参数;潘黎明、史家钧引入灰色关联分析和变权综合的概念,提出用层次分析法建立评价指标体系后,量化表明灰色关联度概念和变权综合方法可较好地应用于大型桥梁结构的状态评估;张永清等人利用层次分析法建立了桥梁安全性评价模型,在专家咨询的基础上,借助多级模糊综合评判和打分法相结合,分析确定影响桥梁安全性的各因素等级,为桥梁使用阶段的管理决策提供依据。

2、应用不确定型层次分析法对混凝土斜拉桥状态进行评估

    层次分析法(Analytic Hierarch ProcessAHP)最早由美国著名运筹学家匹兹堡大学教授A·L·Satty20世纪70年代末提出。它是一种实用的多准则决策方法,把一个复杂问题表示为有序的递阶层次结构,通过人们的判断对决策方案的优劣进行排序。传统的AHP法可以统一处理决策中的定性与定量因素,具有实用性、系统性、简洁性等优点。但也有其不足之处:在桥梁评估过程中,桥梁评估专家在构造判断矩阵时根据传统的AHP法采用“l—9”标度确定两个评估指标问的重要性,比较的结果只能介于l9之间的一个数字来表达,没有别的选择。即用一个确定性的数字来量化一个模糊性的事物,这显然是不适宜的。由于影响评估指标间重要性程度的因素很多,人们对事物的认识的多样性以及评判过程中存在的不确定性和模糊性,如果采用确定性的量化方法必然无法反映这种特性,与实际不相符。在实际问题中,由于客观因素的复杂性、不确定性,使专家对因素的相对重要没有把握。因此,鉴于传统的层次分析法的不足之处,如果采用一个区间数来量化,则该量化与判断的模糊性和不确定性取得一致,这时判断矩阵中的元素是一个区间数,这时的判断矩阵称之为不确定型判断矩阵,相应的这种方法称之为不确定型层次分析法。本文着重介绍应用不确定型层次分析法进行混凝土斜拉桥状态评估。

    应用不确定型层次分析法对混凝土斜拉桥进行状态评估,通常有以下几个步骤:(1)建立混凝土斜拉桥的递阶层次结构模型;(2)构造各层的两两区间判断矩阵并计算区间权重。这是不确定型层次分析法的重点;(3)检验区问判断矩阵的一致性并修正判断矩阵。此方法的具体实现步骤如下。

    第一步,全面考虑各个构件对整体使用功能的影响,对斜拉桥进行结构层次划分,确定评定指标,把影响斜拉桥结构工作状态的因素逐级分解为许多较为简单子问题的递阶层次结构。本文将混凝土斜拉桥划分为以下层次:混凝土斜拉桥分为下部结构、主梁、索塔、斜拉索、附属设施等若干子问题,其中的每一项又可细分为可量化和不可量化指标。下部结构的可量化指标有:混凝土强度、混凝土应力、基础沉降、墩台偏位,不可量化指标有:钢筋锈蚀、保护层损伤、预应力失效、混凝土裂缝;主梁可量化指标有:主梁线形、主梁应力、混凝土强度,不可量化指标有:钢筋锈蚀、保护层损伤、预应力失效、混凝土裂缝;索塔可量化指标有:索塔偏位、索塔应力、混凝土强度,不可量化指标有:锚固钢板锈蚀、保护层损伤、混凝土裂缝、预应力失效;斜拉索可量化指标有:索力,不可量化指标有:防护套损伤、锚固系统损伤、减震器损伤;附属设施不可量化指标有:照明设施损坏、桥面铺装损坏、排水设施损坏、栏杆损伤、支座损伤、伸缩缝损坏、人行道损坏等。

    第二步,根据所建层次模型设置专家问卷调查表,对专家进行知识调查咨询。分别制定各中间层、指标层的权重专家调查表,向桥梁有关专家发送并妥善保存回执以备应用这些数据。

    第三步,构造不确定型判断矩阵,求出各层次指标对匕一层次指标影响的初始权重。关于区间权重可以根据以下算法求出:先将不确定型判断矩阵换算成一致性数字矩阵,运用和法算出其确定权重。根据文献[2]提到的公式计算系数km,则得到初步区间权重。考虑到群判断中专家的可信度,分别计算出群判断中的相似性及差异性,算出专家可信度后,综合利用集值统计原理及重心决策理论可以计算出确定权重值肜。

    第四步,综合利用监测所得到的数据和相关规范来制定评分值,使之正确反映底层指标损伤的实际状况。将底层评语进行无量纲化处理,对于定性指标可根据规范取值,对于定量指标可按照一定的公式计算,而对于适度群指标则可以采用灰色关联度来计算。然后对底层指标进行模糊化处理,从而得出模糊向量R

    第五步,根据公式V=W·R计算出最终评估等级,并根据最大隶属度原则得出桥梁相应的技术等级状态。要全面整体地考虑各构件和客观因素(如交通量和桥梁等级等)对使用功能的影响,最终算出总体结构使用功能的评定指标,根据规范制定出使用功能指标的对照标准,以此来判定桥梁的实际健康状态。至此便应用不确定型层次分析法完成了对混凝土斜拉桥的状态评估。

参考文献

[1]刘文龙.基于不确定型层次分析法桥梁安全性评估研究[R].武汉理工大学,2005

[2]徐威.铁路桥评定研究[R].西南交通大学,2005.

[3]许湘华.层次分析法在铁路既有混凝土桥梁综合性能评价中的应用[J].贵州工业大学学报(自然科学版)200332(3)

[4]伍华成.大跨度预应力混凝土斜拉桥状态评估系统的研究[R].浙江大学,2006

[5]项贻强,伍华成,翁沙,等.大跨度预应力混凝土斜拉桥的状态评估体系研究[J].中外公路,2005(5)

[6]许树柏.层次分析法原理[M].天津大学出版社,1988

(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:尚雯潇 尹维维 编辑  文径 审核)

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