郭建斌,肖 劍,聞源長(zhǎng)

(河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

受運(yùn)行環(huán)境影響,水工鋼閘門常會(huì)出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題.目前水利、電力等行業(yè)一直按SL 105—1995《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》和GB8923—1988《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》等規(guī)程規(guī)范進(jìn)行鋼閘門腐蝕檢測(cè)與等級(jí)評(píng)估.這種評(píng)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(cè)與安全評(píng)估的需要,但總體效果不太理想.因?yàn)樗や撻l門的腐蝕性狀屬于模糊評(píng)估與定量化識(shí)別的范疇,所以對(duì)其進(jìn)行評(píng)估時(shí)必須考慮多種因素的影響.

近年來(lái),馬宗晉等[1-3]基于模糊識(shí)別理論,提出了關(guān)于自然災(zāi)害影響程度的災(zāi)度概念及其災(zāi)度等級(jí)識(shí)別的方法,通過(guò)災(zāi)度等級(jí)識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)了各種工程災(zāi)度影響程度的定量化和準(zhǔn)確性識(shí)別.工程應(yīng)用結(jié)果[4-6]表明,這一方法可以有效地綜合各種復(fù)雜的確定或不確定影響因素,較好地滿足工程評(píng)估定量化和準(zhǔn)確性的需要.本文通過(guò)引入災(zāi)度模糊評(píng)估等級(jí)識(shí)別技術(shù),構(gòu)建鋼閘門腐蝕性狀災(zāi)度等級(jí)的隸屬度函數(shù),并按照最大隸屬度原則對(duì)水工鋼閘門腐蝕性狀進(jìn)行了模糊評(píng)估和定量化度量.

1 金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的災(zāi)度等級(jí)識(shí)別方法

1.1 災(zāi)度等級(jí)識(shí)別方法

災(zāi)度等級(jí)識(shí)別方法首先按單一因素進(jìn)行分項(xiàng)評(píng)判,通過(guò)隸屬度函數(shù)綜合所有因素的相關(guān)性影響后求得各分項(xiàng)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(jí),最終實(shí)現(xiàn)工程受災(zāi)程度的等級(jí)評(píng)判與識(shí)別.其數(shù)學(xué)過(guò)程表述為:對(duì)于所研究的評(píng)判論域X(內(nèi)有評(píng)判分類元素xi),通過(guò)m項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)u1,u2,…,um,按隸屬度函數(shù)可以確定分項(xiàng)評(píng)判的隸屬度模式A1,A2,…,An,從而形成模糊評(píng)價(jià)集{A1,A2,…,An∈F(u1?u2?…?um)},然后得到各項(xiàng)評(píng)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(jí)評(píng)判分類.其中最大隸屬度

式中:μAS(xi)——xi的n個(gè)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(jié)構(gòu)的腐蝕評(píng)估是多因素的綜合性評(píng)估,識(shí)別方法中的隸屬度函數(shù)必須能夠正確反映現(xiàn)行等級(jí)評(píng)估水準(zhǔn)和應(yīng)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(píng)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(jié)合工程中腐蝕影響因素的數(shù)據(jù)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(zāi)度等級(jí)

1.3.1 腐蝕主要評(píng)估指標(biāo)

考慮到鋼閘門腐蝕特點(diǎn)[7]和相關(guān)數(shù)據(jù)獲取難易程度,并兼顧行業(yè)規(guī)范[8-9],以結(jié)構(gòu)安全影響為主要衡量標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)作為腐蝕評(píng)估的主要指標(biāo)(表1).這5類指標(biāo)主要從結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的損害程度、管理水平、時(shí)變影響、應(yīng)力集中影響和潛在危害等方面,表征腐蝕病害對(duì)構(gòu)件抗力的影響.

表1 主要評(píng)估指標(biāo)的定義和表征內(nèi)容Table 1 Definition and depiction of main assessment indices

1.3.2 腐蝕性狀的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將鋼閘門的腐蝕性狀劃分為5個(gè)等級(jí)(Ⅰ級(jí)～Ⅴ級(jí)),以實(shí)現(xiàn)評(píng)估目標(biāo)的定量化模式識(shí)別[9].

結(jié)合工程中腐蝕病害呈現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)特性[10],對(duì)各單一評(píng)估指標(biāo)分別給出與5個(gè)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn),見表2.表2中腐蝕外觀(u2)指標(biāo)是模糊評(píng)價(jià)內(nèi)容,主要通過(guò)目測(cè)評(píng)估確定.若構(gòu)件局部出現(xiàn)少量銹斑或銹跡,則u2賦值為1;若構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)件深銹坑密布,銹皮成片泛起,則 u2賦值為5.

1.3.3 災(zāi)度等級(jí)的評(píng)估與識(shí)別

腐蝕性狀等級(jí)量化結(jié)果作為金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀評(píng)估的目標(biāo)模糊集合{Ⅰ級(jí),Ⅱ級(jí),Ⅲ級(jí),Ⅳ級(jí),Ⅴ級(jí)}.對(duì)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的單一指標(biāo)按等級(jí)劃分評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),是為了建立災(zāi)害損失等級(jí)模糊集隸屬度函數(shù),并使金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)歸一化.可以按最大隸屬度原則通過(guò)模糊綜合評(píng)估,實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的模糊定量化評(píng)估和識(shí)別.

表2 單一評(píng)估指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table2 Standards of single assessment factor

1.3.3.1 模糊隸屬度矩陣

對(duì)于一個(gè)確定的識(shí)別樣本,按表2確定樣本的各評(píng)判因子,并結(jié)合式(2)～(4)分別代入相應(yīng)的等級(jí)隸屬度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可獲得該樣本的模糊評(píng)估矩陣 R m×n,見式(5).所得計(jì)算值即為該等級(jí)下隸屬度矩陣中該單一指標(biāo)的對(duì)應(yīng)值;同一等級(jí)對(duì)應(yīng)矩陣中的各列.

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

1.3.3.2 權(quán)重系數(shù)的確定

權(quán)重系數(shù)反映了各單一評(píng)估指標(biāo)對(duì)隸屬度的影響權(quán)重,計(jì)算方法很多,有AHP法、專家經(jīng)驗(yàn)判斷法和綜合賦權(quán)法等,一般按影響指標(biāo)的數(shù)量取平均值作為等權(quán)重[11].考慮到相關(guān)因素對(duì)腐蝕性狀的影響及其統(tǒng)計(jì)特性,本文采用專家經(jīng)驗(yàn)判斷法來(lái)確定權(quán)重系數(shù),但去除了專家判斷的離異值,最終確定的評(píng)估指標(biāo)權(quán)向量W=(0.3,0.1,0.3,0.2,0.1).

1.3.3.3 腐蝕性狀的等級(jí)識(shí)別

利用式(6)識(shí)別金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕性狀,得到腐蝕病害等級(jí)的識(shí)別矩陣B,并根據(jù)最大隸屬度原則按式(1)求得所屬目標(biāo)評(píng)估模式等級(jí),從而確定出金屬結(jié)構(gòu)腐蝕等級(jí),以明確其安全性狀.

2 工程應(yīng)用

南京某節(jié)制閘門,盡管采取了相關(guān)防腐措施,但閘門主橫梁等主要受力構(gòu)件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行仍存在較嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題.按照表2的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕檢測(cè)進(jìn)行了單一影響指標(biāo)的評(píng)估,獲得了相關(guān)檢測(cè)結(jié)果:u1=6%,u2=3,u3=0.024mm/a,u4=70%,u5=30%.

按式(5)建立模糊評(píng)估指標(biāo)矩陣R主橫梁,即

按式(6)計(jì)算獲得腐蝕病害等級(jí)的識(shí)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(jù)最大隸屬度原則可以確定,主橫梁呈現(xiàn)Ⅲ級(jí)腐蝕性狀.

結(jié)構(gòu)構(gòu)件受腐蝕影響主要表現(xiàn)為有效承載截面減薄和受載應(yīng)力集中.文獻(xiàn)[12]鋼閘門常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力受腐蝕性狀影響呈現(xiàn)二次拋物下降的特點(diǎn),其中Ⅲ級(jí)腐蝕性狀造成的抗力折減20%.若考慮主橫梁對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響以及該工程的重要程度,應(yīng)對(duì)該閘門重新進(jìn)行安全復(fù)核,以明確其安全性狀,必要時(shí)應(yīng)對(duì)主橫梁等受力構(gòu)件采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施,才能有效確保工程安全可靠地運(yùn)行.

3 結(jié) 語(yǔ)

a.本文引入災(zāi)度識(shí)別的模糊評(píng)估思想,以最大隸屬度為原則,按降半梯形分布構(gòu)建腐蝕等級(jí)隸屬度函數(shù),并根據(jù)隸屬度大小識(shí)別鋼閘門結(jié)構(gòu)腐蝕性狀的等級(jí)歸屬.這為鋼閘門腐蝕性狀的定量化評(píng)估提供了有效的識(shí)別方法,可以較好地解決評(píng)估過(guò)程的模糊性和不確定問(wèn)題,避免腐蝕等級(jí)評(píng)定過(guò)程的絕對(duì)性和片面性,確保鋼閘門腐蝕評(píng)估的客觀性.

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

[1]馬宗晉,高慶華,張業(yè)成,等.地質(zhì)災(zāi)害對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展影響指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法的初步探索[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),1999,8(2):8-13.(MA Zong-jin,GAOQing-hua,ZHANG Ye-cheng,et al.A preliminary study on the index system and assessment method of the influence of geo-hazards on the regional sustainable development[J].Journal of Natural Disasters,1999,8(2):8-13.(in Chinese))

[2]孫紹騁.災(zāi)害評(píng)估研究?jī)?nèi)容與方法探討[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2001,20(2):122-130.(SUNShao-cheng.A study onthecontents and methods of disaster assessment[J].Progress In Geography,2001,20(2):122-130.(in Chinese))

[3]RIVASV,RIX K,FRANCESE,et al.Geomorphological indicatorsfor environmental impact assessment:consumable and non-consumable geomorphological resources[J].Geomorphology,1997,18(3/4):169-182.

[4]馮利華,趙浩興,瞿有甜.災(zāi)害等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)[J].災(zāi)害學(xué),2002,17(4):16-20.(FENG Li-hua,ZHAO Hao-xing,QU You-tian.Comprehensive evaluation of the disaster grade[J].Journal of Catastrophology,2002,17(4):16-20.(in Chinese))

[5]DHAKL A S,AMADA T,ANIYA M.Landslide hazard mapping and the application of GIS in the Kulekhani watershed,Nepal[J].Mountain Research and Development,1999,19(1):3-16.

[6]段紹偉,沈蒲生.模糊綜合評(píng)價(jià)與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析在工程方案設(shè)計(jì)選擇中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2004,14(5):116-123.(DUAN Shao-wei,SHEN Pu-sheng.Application of fuzzy comprehensive evaluation and data envelopment analysis in selection of engineering scheme[J].Journal of Hydraulic Engineering,2004,14(5):116-123.(in Chinese))

[7]張文淵.淡水環(huán)境中水工鋼閘門的腐蝕與防護(hù)[J].腐蝕與防護(hù),2001,22(6):258-259.(ZHANG Wen-yuan.Corrsion and protection of hydraulic steel water gatein freshwater enviorment[J].Corrosion&Protection,2001,22(6):258-259.(in Chinese))

[8]SL101—94,水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

[9]DL/T835——2003,水電站金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

[10]張玉英.水工鋼閘門的腐蝕與防護(hù)[J].東北水利水電,2007,25(7):50-51.(ZHANG Yu-ying.Corrsion and protection of hydraulic steel water gate[J].Water Resources&Hydropower of Northeast China,2007,25(7):50-51.(in Chinese))

[11]徐東勝,李小明.加權(quán)平均量的自收斂性與權(quán)的確定[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,25(5):72-73.(XU Dong-sheng,LI Xiao-ming.Self-convergenceof weighted average value and determination of weight distribution[J].Journal of Xihua University:Natural Science Edition,2006,25(5):72-73.(in Chinese))

[12]郭建斌,鄭圣義.鋼閘門腐蝕安全研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2006,18(1):73-76.(GUO Jian-bin,ZHENG Sheng-yi.Research on corrosion of hydraulic steel gates[J].Corrosion Science and Protection Technology,2006,18(1):73-76.(in Chinese))