混凝土斜拉橋狀態評估介紹

張海霞，孫勇捷

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

    大型橋梁的生命過程包括總體規劃、設計施工、運營  管理這三個階段。以往人們只關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，再加上養護維修欠缺等等的影響，不滿足規定功能要求的問題已越來越普遍，如不及時對其進行狀態評估并采取相應措施加固維修，甚至會導致突發事故。近年來，公路橋梁超限行車現象特別嚴重，更加劇了橋梁結構疲勞累積損傷的發展。此外，使用期間可能出現各種不可預見災害和意外事件(如車輛撞擊等)，也會導致橋梁結構的損傷或損壞。因此，為了確保大型橋梁結構的使用安全性和耐久性，減少或避免國家財產、人民生命的重大損失，需要進行大型橋梁結構的健康監測和評估來及時發現病害并采取相應的維修養護措施。這可以大大節省橋梁的維修費用，避免因結構毀壞而關閉交通引起的重大經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構形式，優美的外形，相對經濟的造價，在全世界范圍內得到了迅速地發展，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構。我國于1975年開始修建斜拉橋，至今已建成幾十座。現代橋梁的設計理論、施工技術發展很快，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，其使用現狀大多狀況良好，但也有為數不少的橋梁由于上述原因在較短使用期內就發生各種結構損傷。由此可以看出因斜拉橋結構特點引出的問題：橋跨線型變化、混凝土主梁開裂、鋼斜拉橋各構件銹蝕、斜拉索及其錨具銹蝕、伸縮縫和排水系統損壞等等。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導致被迫換索的情況，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，但必然會導致橋梁的安全性和可靠度下降，甚至會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測及狀態評估就顯得尤為重要。只有對其做出正確的狀態評估，才能相應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，使得既有橋梁的技術改造決策更加科學、改造方案更加經濟合理。同時，正確評估混凝土斜拉橋的結構安全狀況，也是一項緊迫而重要的研究課題，它是實現對橋梁科學管理及維修養護的重要前提條件，也是橋梁管理部門的決策依據。可以說，對既有斜拉橋進行狀態評估將具有重要的社會意義、經濟價值和非常廣泛的應用前景。

    就目前國內外現狀分析來看，橋梁結構的評估內容包含在“可靠性”中。可靠性包括安全性、適用性和耐久性二個方面，三者相互關聯但各有重點。安全性評估即承載能力評估，適用性評估是指對結構的運營極限狀態的評估，而耐久性則是指通過材料強度和結構損傷的評估得出結構的疲勞損傷度和剩余壽命。對于大型或特大型橋梁，由于其經濟價值、社會功能的重要性，其狀態評估一般要與健康檢測系統相關聯，通過利用監測系統長期監測獲得的數據。對橋梁的評估目前主要有兩個方面，即損傷評估和狀態評估。對于損傷評估，主要是研究如何利用監測系統或通過其他方法獲得的數據確定結構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；而對于狀態評估，則是利用自動監測系統和人工監測獲得的數據，綜合評定大型橋梁目前的使用狀態，主要是鑒定結構的工作狀態和指導日常養護維修。大型橋梁結構狀態的評估方法主要有：專家系統評定法、基于可靠度理論評定法、常規綜合評估法、模糊綜合評估法、灰色關聯度評估法、模糊神經網絡法、特爾斐專家評估法、主成分分析法、變權綜合評估法、層次分析法等。目前各國都根據具體情況制定了分級排序的國家標準，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準、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制定出統一有效的評定指標，并且難以反映出各構件的缺損及嚴重程度對整個橋梁的影響；一些標準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造特征和受力特點，不能一概而論。應該針對每種橋型的橋梁進行不同部位的監測，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，逐步積累資料和經驗，交通部科學研究院已頒布了基于設計規范的橋梁承載能力鑒定文件，交通部頒布了《公路養護技術規范》。同時，國內許多專家在橋梁狀態評估研究和實踐方面做了許多探索。

    陸亞興等人根據橋梁結構特點以及缺損特征，提出了橋梁構件缺損狀況的監測內容及評價標準，引入橋梁缺損狀況指數BCl作為橋梁缺損狀況指標，建立了BCl的計算模型，通過主客觀相結合的方法標定了模型的各項參數；潘黎明、史家鈞引入灰色關聯分析和變權綜合的概念，提出用層次分析法建立評價指標體系后，量化表明灰色關聯度概念和變權綜合方法可較好地應用于大型橋梁結構的狀態評估；張永清等人利用層次分析法建立了橋梁安全性評價模型，在專家咨詢的基礎上，借助多級模糊綜合評判和打分法相結合，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。

2、應用不確定型層次分析法對混凝土斜拉橋狀態進行評估

    層次分析法(Analytic Hierarch Process，AHP)最早由美國著名運籌學家匹茲堡大學教授A·L·Satty在20世紀70年代末提出。它是一種實用的多準則決策方法，把一個復雜問題表示為有序的遞階層次結構，通過人們的判斷對決策方案的優劣進行排序。傳統的AHP法可以統一處理決策中的定性與定量因素，具有實用性、系統性、簡潔性等優點。但也有其不足之處：在橋梁評估過程中，橋梁評估專家在構造判斷矩陣時根據傳統的AHP法采用“l—9”標度確定兩個評估指標問的重要性，比較的結果只能介于l與9之間的一個數字來表達，沒有別的選擇。即用一個確定性的數字來量化一個模糊性的事物，這顯然是不適宜的。由于影響評估指標間重要性程度的因素很多，人們對事物的認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，鑒于傳統的層次分析法的不足之處，如果采用一個區間數來量化，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間數，這時的判斷矩陣稱之為不確定型判斷矩陣，相應的這種方法稱之為不確定型層次分析法。本文著重介紹應用不確定型層次分析法進行混凝土斜拉橋狀態評估。

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

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

    第二步，根據所建層次模型設置專家問卷調查表，對專家進行知識調查咨詢。分別制定各中間層、指標層的權重專家調查表，向橋梁有關專家發送并妥善保存回執以備應用這些數據。

    第三步，構造不確定型判斷矩陣，求出各層次指標對匕一層次指標影響的初始權重。關于區間權重可以根據以下算法求出：先將不確定型判斷矩陣換算成一致性數字矩陣，運用和法算出其確定權重。根據文獻[2]提到的公式計算系數k和m，則得到初步區間權重。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，綜合利用集值統計原理及重心決策理論可以計算出確定權重值肜。

    第四步，綜合利用監測所得到的數據和相關規范來制定評分值，使之正確反映底層指標損傷的實際狀況。將底層評語進行無量綱化處理，對于定性指標可根據規范取值，對于定量指標可按照一定的公式計算，而對于適度群指標則可以采用灰色關聯度來計算。然后對底層指標進行模糊化處理，從而得出模糊向量R。

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

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，2005．

[2]徐威．鐵路橋評定研究[R]．西南交通大學，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用[J]．貴州工業大學學報(自然科學版)，2003，32(3)．

[4]伍華成．大跨度預應力混凝土斜拉橋狀態評估系統的研究[R]．浙江大學，2006．

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

[6]許樹柏．層次分析法原理[M]．天津大學出版社，1988．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)