劉均利,方 志

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙 410082;2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

雙曲拱橋在20世紀(jì)60～70年代大量修建,目前仍在交通運輸中發(fā)揮著重要作用.雙曲拱橋主拱圈由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等幾部分組成,介于拱肋之間的拱波也呈曲線形,且與主拱圈的曲線正交.由于低配筋、結(jié)構(gòu)整體性差、環(huán)境侵蝕及長期超載等因素,大部分在役雙曲拱橋都出現(xiàn)了不同程度的病害和損傷,已危及橋梁的安全運營,亟需進(jìn)行科學(xué)評估,為養(yǎng)護(hù)、維修或加固提供依據(jù)[1-2].

從20世紀(jì)80年代中期開始,國內(nèi)外學(xué)者針對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性評估進(jìn)行了廣泛深入的研究,經(jīng)歷了從材料到構(gòu)件再到結(jié)構(gòu)的研究階段,并提出了層次分析法、概率法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)分析和變權(quán)綜合等多種方法[3].從目前研究現(xiàn)狀來看,現(xiàn)有評價方法的評估模型較為簡單、指標(biāo)體系不完整、評價結(jié)果較為粗糙,而且往往集中于對橋梁各部分構(gòu)件的檢測與單獨評價,缺乏對橋梁整體耐久性的綜合評價[4].文獻(xiàn)[5]研究了在役雙曲拱橋耐久性綜合評估,但把主拱圈作為一個整體考慮,沒有充分考慮主拱圈的施工和構(gòu)造特點,不能針對雙曲拱橋的特殊病害進(jìn)行合理評估.

本文以外觀檢測和無損檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以關(guān)聯(lián)度作為評估指標(biāo),采用變權(quán)法修改初始權(quán)重建立了一種基于灰色關(guān)聯(lián)度和層次分析法的在役雙曲拱橋耐久性多層次綜合評估模型,并對一座在役鋼筋混凝土雙曲拱橋進(jìn)行了耐久性評估,驗證了方法的可行性.

1 雙曲拱橋耐久性評估模型

雙曲拱橋主要包括主拱圈、腹拱、立柱與立墻,墩臺與基礎(chǔ)、附屬設(shè)施等5部分,其中主拱圈由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系構(gòu)件4部分組成,外形在縱橫兩個方向均呈弧形曲線,其施工方法是將主拱圈以“化整為零”的方法按先后順序進(jìn)行施工,再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結(jié)構(gòu).因主拱圈分期形成,呈現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的受力特征,整體性較弱,耐久性狀況非常復(fù)雜.根據(jù)雙曲拱橋的構(gòu)造特點,首先將雙曲拱橋劃分為主拱圈、腹拱、立柱(墻)、墩臺基礎(chǔ)、橋面系與附屬設(shè)施等5部分;由于主拱圈構(gòu)造復(fù)雜,將主拱圈作進(jìn)一步細(xì)分,分為拱肋、拱波、拱板和橫向連接系4部分,這4部分以下是底層評價指標(biāo);腹拱、立柱與立墻、墩臺與基礎(chǔ)、附屬設(shè)施不再細(xì)分,以下直接為底層評價指標(biāo),模型如圖1所示.

圖1 雙曲拱橋耐久性多層次評估模型Fig.1 A synthetic evaluation model for durability of existing two-way curved arch bridge

2 評估方法

2.1 指標(biāo)及評估標(biāo)準(zhǔn)

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo),國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.本文根據(jù)既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評價指標(biāo)的研究成果和雙曲拱橋的構(gòu)造特點及工程經(jīng)驗,提出了針對在役雙曲拱橋的各項評價指標(biāo),見表1.

2.1.1 拱波開裂

拱波開裂是雙曲拱橋一種常見的病害,是出現(xiàn)在板波頂部沿拱軸線方向的裂縫,較多的出現(xiàn)在拱頂附近,有時也出現(xiàn)在拱腳附近,形成原因主要是雙曲拱橋拱圈橫向聯(lián)系差或者根本沒有橫向聯(lián)系.拱波縱向開裂后,截面整體性削弱,橫向分布趨于不均勻.當(dāng)波頂縱縫長度較短時,對其橫向分布影響不大;而當(dāng)縱縫較長時,則影響明顯[2].本文根據(jù)文獻(xiàn)[2]研究成果,并結(jié)合專家經(jīng)驗,將已開裂拱波個數(shù)與拱波總數(shù)之比作為評估指標(biāo),以30%的開裂率為指標(biāo)上限.

表1 橋梁耐久性評價指標(biāo)Tab.1 Index for bridge durability condition evaluation

2.1.2 混凝土破損

混凝土表面破損一般由機(jī)械損傷和施工損傷(如施工造成混凝土的蜂窩、麻面等)引起.根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)[6]和文獻(xiàn)[7],混凝土破損率達(dá)到20%時可認(rèn)為構(gòu)件嚴(yán)重破壞,故以混凝土破損率20%作為指標(biāo)上限.

2.1.3 混凝土碳化

一般大氣環(huán)境下,混凝土碳化是引起鋼筋銹蝕和耐久性損傷的重要原因之一.理論研究和實際調(diào)查表明,當(dāng)碳化前沿至鋼筋表面的距離大于8 mm時,鋼筋不會銹蝕[8-9].根據(jù)相關(guān)研究[10],取碳化前沿至鋼筋表面的距離作為評價指標(biāo),取該距離大于等于8 mm為最優(yōu)值.

2.1.4 混凝土裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)一方面減小了截面的剛度,另一方面增大了混凝土的滲透性,使環(huán)境中的侵蝕性物質(zhì)更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部,致使鋼筋鈍化膜過早破壞,鋼筋銹蝕,因此裂縫對鋼筋混凝土橋梁耐久性影響比較大.一般研究取裂縫寬度作為混凝土裂縫的評價標(biāo)準(zhǔn),文獻(xiàn)[6-7]規(guī)定受力鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度大于0.3 mm評定為Ⅴ級,即嚴(yán)重破壞;文獻(xiàn)[11]規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度0.4 mm;文獻(xiàn)[12]認(rèn)為當(dāng)裂縫寬度小于0.4mm時,對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響較小.綜合以上文獻(xiàn),本文以0.4 mm作為混凝土裂縫指標(biāo)上限.

2.1.5 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)失效破壞的主要因素,但在現(xiàn)場直接測量其銹蝕面積十分困難,因而目前一般采用半電池法測量鋼筋的自然電位以判斷鋼筋的銹蝕狀態(tài).根據(jù)交通部公路研究院的研究成果[7],可知電位水平與鋼筋銹蝕狀況的關(guān)系,電位水平處于0～200 mV時,無銹蝕活動,或銹蝕活動不確定;大于500 mV時,存在銹蝕開裂區(qū)域,故以電位水平作為評估鋼筋銹蝕的指標(biāo),以500 mV作為指標(biāo)上限.

2.1.6 基底沖刷

基底沖刷是造成在役橋梁倒塌的最主要原因之一[13].《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)[6]規(guī)定:當(dāng)基底沖空率達(dá)15%時,可判定橋梁為嚴(yán)重破壞.故取基底沖空率達(dá)15%為上限指標(biāo).

2.1.7 橋面系及附屬設(shè)施

橋面鋪裝、伸縮縫、人行道欄桿與排水設(shè)施的耐久性技術(shù)狀況不便采用客觀指標(biāo)衡量,參照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》[6](JTG H11—2004)評價標(biāo)準(zhǔn)采用打分法評估,取最高分100分.

2.2 指標(biāo)的規(guī)范化處理

由于各構(gòu)件評定指標(biāo)之間通常具有不同的量綱和數(shù)量級,需要對原始指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化處理.假設(shè)第K個指標(biāo)的變化范圍為[fK1,fK2],則對收益型指標(biāo),其規(guī)范化值為[14]:

2.3 各指標(biāo)相對最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

以規(guī)范化處理后的最優(yōu)指標(biāo)集作為參考序列,以規(guī)范化處理后實際指標(biāo)集作為被比較序列,第K個指標(biāo)與第k個最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中:ρ為分辨系數(shù),0＜ρ＜1,對結(jié)構(gòu)耐久性評估一般取ρ=0.5.

2.4 指標(biāo)權(quán)重

2.4.1 初始權(quán)重

層次分析法[15](AHP法)是一種建立在專家咨詢之上的優(yōu)化方法,能把復(fù)雜系統(tǒng)中的各種因素劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟?形成多層次的分析結(jié)構(gòu),把多層次多指標(biāo)的權(quán)重賦值簡化為各指標(biāo)重要性的兩兩比較,彌補(bǔ)了人的大腦難以在兩維以上空間進(jìn)行全方位掃描的弱點.

根據(jù)層次分析法原理,構(gòu)造判斷矩陣并求解其特征根λmax與特征向量(權(quán)重向量)W,特征向量即為同一層各因素相對上一層某因素的重要性排序權(quán)值.矩陣的特征向量求解方法有冪乘法、方根法和規(guī)范列平均法.然后需進(jìn)行一致性檢驗,計算一致性指標(biāo),查找平均隨機(jī)變量指標(biāo)RI[15],當(dāng)隨機(jī)一致性比率時,認(rèn)為層次分析排序的結(jié)果有滿足的一致性,即權(quán)重的分配是合理的.否則,要調(diào)整判斷矩陣的元素取值,重新計算,滿足一致性要求的特征向量(權(quán)重向量)即為初始權(quán)重.初始權(quán)重的計算流程圖如圖2所示.

圖2 初始權(quán)重計算流程圖Fig.2 Flowchart for the computation of the initial weight

2.4.2 變權(quán)重

主觀權(quán)重反映各個指標(biāo)或構(gòu)件的相對重要性.對于橋梁整體技術(shù)狀況而言,由于影響因素眾多,單個指標(biāo)的權(quán)重影響有限,當(dāng)個別構(gòu)件出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷時,橋梁整體可靠性顯著降低而評價結(jié)果卻可能不會出現(xiàn)太大變化.因此,僅用主觀權(quán)重有時并不能反映結(jié)構(gòu)的真實技術(shù)狀況.

應(yīng)采用變權(quán)綜合的方法根據(jù)評價結(jié)果對權(quán)值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.根據(jù)均衡函數(shù)原理,采用均衡函數(shù)[16-17]:

對各指標(biāo)的原始權(quán)重進(jìn)行修正,得變權(quán)公式:

2.5 耐久性技術(shù)狀況評估

底層指標(biāo)開始評估,以關(guān)聯(lián)度作為評判尺度,可得結(jié)果:

將評判結(jié)果Ri轉(zhuǎn)化為CK,然后再計算上一層次wK和Ri,直至計算出第一層次的關(guān)聯(lián)度Ri.根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小,參照文獻(xiàn)[18]分級標(biāo)準(zhǔn),將雙曲拱橋耐久性的評估等級劃分為5個等級,即:良好、較好、一般、差、很差,每個等級的分級標(biāo)準(zhǔn)與含義如表2所示.對評估等級為1,2級的橋梁,技術(shù)狀況較好,維持正常養(yǎng)護(hù)即可;評估等級為3類的橋梁,應(yīng)對耐久性損傷進(jìn)行修復(fù),阻止或延緩損傷發(fā)展;對4級橋梁,應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行安全性評估,根據(jù)安全性與耐久性評估結(jié)果,確定維修對策;5級橋梁,應(yīng)暫時限載或封橋,進(jìn)行荷載試驗和安全性評估,根據(jù)安全性評估結(jié)果,確定處置對策.

表2 耐久性損傷評估等級標(biāo)準(zhǔn)和含義Tab.2 Durability assessment standards

3 橋梁評估實例

常寧縣茭河口大橋建成于1984年,是一座四跨混凝土雙曲拱橋(全景圖見圖3),位于湖南省常寧市松柏至瓦園公路線上.原設(shè)計每孔凈跨45 m,矢跨比為1/6,橋面凈寬7 m+2×0.75 m.主拱圈為等截面懸鏈線,由四肋三波另加兩個懸半波組成,拱肋截面采用倒T形.按照橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范進(jìn)行技術(shù)狀況等級評定,該橋評定為Ⅳ類橋,應(yīng)進(jìn)行大修或大改,及時交通管制,并限載限速.

圖3 茭河口大橋全景圖Fig.3 Panorama of Jiaohekou bridge

該橋檢測結(jié)果如下:

1)主拱拱肋開裂.從松柏側(cè)數(shù)第4孔下游邊拱肋約1/4凈跨處有橫向裂縫產(chǎn)生.

2)拱波縱向開裂嚴(yán)重,拱板混凝土質(zhì)量低劣.拱板混凝土質(zhì)量差,粗骨料外露,級配差,外露卵石最大粒徑有的甚至超過12 cm.

3)拱上立墻混凝土質(zhì)量較差,過人洞處普遍開裂;拱上立柱及其橫系梁上局部混凝土剝落,鋼筋外露且銹蝕嚴(yán)重.

4)腹拱預(yù)制拱板施工制作和安裝質(zhì)量較差.拱板錯位、露筋普遍且鋼筋嚴(yán)重銹蝕、腹拱頂普遍存在橫向裂縫且腹拱漏水嚴(yán)重.

5)路面破碎現(xiàn)象甚為嚴(yán)重,幾乎沒有完整的板塊.橋面縱向變形較明顯,欄桿普遍破損.用本文給出的耐久性綜合評定方法對本橋進(jìn)行評定如下:

i)變權(quán)重指數(shù)α取值越小,對指標(biāo)權(quán)重修正越明顯,首先取α=0.2修正權(quán)重,進(jìn)行評估.

ii)先對主拱圈的組成構(gòu)件拱肋、拱波、拱板和橫向連接進(jìn)行評估,將各構(gòu)件的下屬指標(biāo)檢測值f代入式(1)或式(2),得規(guī)范化值C,將范化值C代入式(3)得關(guān)聯(lián)度β,然后取α=0.2,將初始權(quán)重代入式(5),計算得變權(quán)重,最后將關(guān)聯(lián)度β和變權(quán)重代入式(6),分別得拱肋、拱波、拱板和橫向連接評估結(jié)果R,計算結(jié)果如表3所示.

表3 主拱圈構(gòu)件評估Tab.3 Evaluation of main arch member

3)將拱肋、拱波、拱板和橫向連接評估結(jié)果R轉(zhuǎn)化為C,按第2步驟進(jìn)行評估,結(jié)果如表4所示.

表4 主拱圈評估Tab.4 Evaluation of main arch

4)同上述步驟2),分別對腹拱、立柱立墻、墩臺基礎(chǔ)和橋面系的耐久性技術(shù)狀況進(jìn)行評估,得出評估值,結(jié)果如表5～8所示.

5)同上述步驟2),根據(jù)對主拱圈、腹拱、立柱立墻、墩臺基礎(chǔ)和橋面系的耐久性技術(shù)狀況評估值,進(jìn)行全橋技術(shù)狀況評估,得出全橋耐久性技術(shù)狀況評估值,結(jié)果如表9所示.該橋的耐久性技術(shù)狀況為4類橋.

表5 腹拱評估Tab.5 Evaluation of spandrel arch

表6 立柱立墻評估Tab.6 Evaluation of arch column and wall

表7 墩臺基礎(chǔ)評估Tab.7 Evaluation of abutment,pier and foundation

表8 橋面系評估Tab.8 Evaluation of bridge floor system

表9 全橋技術(shù)狀態(tài)評估Tab.9 Evaluation of entire bridge condition

6)取變權(quán)重指數(shù)分別為:α=0.5,α=0.8和α=1.0,可得目標(biāo)層的耐久性評估值為0.552,0.559和0.564.隨α增大(分辨率降低),評估結(jié)果也變大,說明變權(quán)方法更能反映指標(biāo)體系中個別指標(biāo)的明顯劣化.

4 結(jié) 論

1)將耐久性指標(biāo)進(jìn)行量化,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度理論對在役雙曲拱橋的耐久性進(jìn)行評定是切實可行的,并且比較符合在用橋梁的實際情況.

2)對于橋梁耐久性評估,采用變權(quán)方法更能反映指標(biāo)體系中個別指標(biāo)的明顯劣化.

3)對評估模型做適當(dāng)修改,本文提出的方法可以推廣應(yīng)用到其他結(jié)構(gòu)類型在役橋梁耐久性評估.

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