黃桂 林范宇

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁的多級模糊綜合評定方法

黃桂 林范宇

預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的分項(xiàng)工程驗(yàn)收特定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對其描述得較少。但因其外觀簡潔，輕便省材且施工難度小，被廣泛利用。但在近些年的工程當(dāng)中，箱梁的質(zhì)量，尤其是外觀出現(xiàn)很多問題。以哈爾濱地區(qū)某高架橋?yàn)槔?，對影響預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的各組成材料的形態(tài)、外觀，采用模糊數(shù)學(xué)的理論，做出了一套完整的多級模糊綜合評價方法，利用系統(tǒng)模糊理論建立了預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁的綜合評價體系。該評定方法不僅考慮了天氣的因素，并且兼顧了經(jīng)濟(jì)等主要部分，簡化了錯綜復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的評估工作，科學(xué)而實(shí)用。

預(yù)應(yīng)力簡支箱梁 多級模糊綜合評價方法 系統(tǒng)模糊理論 評價體系

一、引言

預(yù)應(yīng)力簡支箱梁因其外觀簡潔、輕便省材且施工難度較小、經(jīng)濟(jì)省材，是近年來鐵路、公路、市政橋梁中普遍使用的一種橋梁上部結(jié)構(gòu)形式1。預(yù)應(yīng)力簡支箱梁因構(gòu)件截面小，并且能利用高強(qiáng)材料，自重彎矩占總彎矩比重下降很多，橋梁的跨越能力得到明顯的改善。與鋼筋混凝土梁橋比較后，跨徑一般可提高30～40%。由于全預(yù)應(yīng)力混凝土梁在使用荷載作用下不會出現(xiàn)裂縫，即便是部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁在使用荷載作用下也不明顯。因此在構(gòu)件全截面工作下，梁的剛度要比通長開裂的混凝土要大。因此可顯著減少預(yù)應(yīng)力梁的建筑高度，并且可以把大跨徑橋梁做得美觀2。對于預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的橋梁來說，基本性能和構(gòu)造要求就越來越嚴(yán)格。由于近代橋梁工程中，預(yù)應(yīng)力簡支箱梁占總工程的比重越來越大，因此，建設(shè)優(yōu)質(zhì)工程來說，建立一套完整的預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的綜合評價方法，提高預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的整體水平，提高預(yù)應(yīng)力簡支箱梁預(yù)制的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化具有重要作用，對于經(jīng)濟(jì)方面的影響也有很大的因素。

我國地區(qū)跨度比較大，東北地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)或是寒冷地區(qū)。環(huán)境變化和晝夜溫差較大，對于預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的要求比較高。用來防止混凝土的常規(guī)性及溫差引起的破壞。

目前預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的具體評定方法有，現(xiàn)場檢查，而承載能力的評定方法要通過靜載試驗(yàn)來完成，是一種以試驗(yàn)和計算機(jī)相結(jié)合的評定方法。但其不利之處在于獲得周期比較長，這就增加了寒冷地區(qū)預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的檢測成本和難度3。

如何評價現(xiàn)有寒區(qū)預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的結(jié)構(gòu)性能和承載能力，已經(jīng)引起普遍關(guān)注。準(zhǔn)確評定其性能和承載能力，對于寒區(qū)預(yù)應(yīng)力簡支箱梁來說變得很重要。本文采用的系統(tǒng)模糊性評定是對寒區(qū)預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的性能和承載能力用數(shù)學(xué)的方法來研究和處理，使評定結(jié)果更為客觀準(zhǔn)確4。

二、預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的評定方法

預(yù)應(yīng)力簡支箱梁在預(yù)制和安裝過程，會出現(xiàn)不同的病害或者強(qiáng)度不足，為了確定預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的各部分指標(biāo)，首先對影響因素進(jìn)行權(quán)重的劃分，然后根據(jù)專家給出的經(jīng)驗(yàn)，對各組成部分進(jìn)行權(quán)重的劃分，接著根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)對各單項(xiàng)指標(biāo)給出評分，最后綜合各個部分來評定5。

（一）單項(xiàng)因素評價指標(biāo)的權(quán)重確定

影響預(yù)應(yīng)力箱梁的單項(xiàng)因素評價指標(biāo)可分為兩大類，即外觀形態(tài)指標(biāo)、材質(zhì)形態(tài)指標(biāo)。單項(xiàng)因素指標(biāo)的權(quán)重值，可由預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各部分變化的影響來確定。通過對比分析，影響預(yù)應(yīng)力箱梁的外觀和形態(tài)兩大指標(biāo)的權(quán)重值如表1。

表1 單項(xiàng)因素評價指標(biāo)權(quán)重值表

（二）單項(xiàng)指標(biāo)的評分值確定

單項(xiàng)指標(biāo)的評分值確定是對預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各檢驗(yàn)部分的量化，是最終確定預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各組成部分的依據(jù)。對于位于寒區(qū)的預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的各部分的評分值可參考表2、表3。

表2 外觀形態(tài)類指標(biāo)評分一覽表

表3 材質(zhì)形態(tài)類指標(biāo)評分一覽表

（三）各組成構(gòu)件的確定

由于構(gòu)件的外觀形態(tài)參數(shù)和材質(zhì)形態(tài)參數(shù)是相互獨(dú)立的，因此在評判預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的過程中，將預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的某部分與兩類參數(shù)相應(yīng)的評分值相乘，就得到該部分的評分值6。

式中：Fj—表示為某部分的評分；

EAi/EBi—分別表示外觀形態(tài)類和材質(zhì)性態(tài)類某單項(xiàng)指標(biāo)評分；

WAi/WBi—分別表示外觀形態(tài)類和材質(zhì)性態(tài)類單項(xiàng)評價指標(biāo)所對應(yīng)的權(quán)重；

三、預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的綜合評定方法

首先按照箱梁的檢測的基本順序（如梁端部、粱中部、梁頂）的各構(gòu)件形態(tài)構(gòu)造出評價矩陣，然后用各構(gòu)件的權(quán)重集求得相應(yīng)的評判結(jié)果，評判結(jié)果求出后，再構(gòu)造出評判矩陣，從而得到預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的評價程度7。評判圖框如圖1所示。代表影響因素權(quán)重集，代表影響因素評判矩陣，代表評判的結(jié)論，下標(biāo)表示影響因素的層次關(guān)系。

圖1 預(yù)應(yīng)力簡支箱梁綜合評判框圖

（一）各組成部分評價指標(biāo)的權(quán)重確定

在詳細(xì)地分析了寒區(qū)預(yù)應(yīng)力簡支箱梁一些指標(biāo)的影響因素后，根據(jù)各部分的組成情況，及檢測標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)相關(guān)工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范，確定各組成部分對預(yù)應(yīng)力簡支箱梁評價指標(biāo)的權(quán)重8。

對于預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的評價體系而言，判斷箱梁結(jié)構(gòu)的程度，梁端部和梁中部比梁頂要重要的多，可近似取預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各部分的權(quán)重集A~=｛0.4，0.4，0.2｝。

在圖1中，A

表4 預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各組成部分評價指標(biāo)權(quán)重一覽表

（二）預(yù)應(yīng)力簡支箱梁分項(xiàng)模糊判定

首先對檢測的預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各組成部分的權(quán)重確定，然后運(yùn)用分層模糊評判來確定各分部結(jié)構(gòu)的程度，具體計算步驟如下：

第一步：建立因素集：XT=｛x1，x2，…xn｝（2）

元素xi表示預(yù)應(yīng)力箱梁各部分的得分。

第二步：建立評價集：Y=｛y1,y2,y3｝（3）

元素yi表示參選評價指標(biāo)。根據(jù)JTGF80/1—20094《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)，按分項(xiàng)工程的評分值為三類，即：

y1（一類）：外觀和材質(zhì)符合設(shè)計指標(biāo)，合格；

y2（二類）：外觀和材質(zhì)達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，需要進(jìn)行保養(yǎng)，合格；

y3（三類）：外觀和材質(zhì)比設(shè)計降低10%以上，需要進(jìn)行中修，為不合格9。

第三步：建立評價矩陣：

預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各部分影響因素與評價指標(biāo)的對立關(guān)系建立隸屬函數(shù)：

X→f（Y）

即：X→ri1/y1+ri2/y2+…rij/yj+rim/ym(4）

因此可確定單因素評判矩陣：

式中：n—因素項(xiàng)目數(shù)；

rij—表示XT中i個因素相對于第j個評價的隸屬函數(shù)。第四步：建立權(quán)重矩陣：

A=（a1,a2,…ai…an）（6）

式中：A—XT集合上的權(quán)分配模糊向量；

ai—表示XT中xi因素的權(quán)重，且權(quán)重值可按本文上述介紹選取。

第五步：計算：

運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方程AR=B，可求得矩陣B：

則稱B*為分項(xiàng)評判結(jié)果。取用預(yù)應(yīng)力箱梁的分項(xiàng)結(jié)構(gòu)中最大的一個元素，根據(jù)最大隸屬度原則，可確定預(yù)應(yīng)力箱梁的各部分結(jié)構(gòu)的損傷程度B：

B=max(bi/b*)(i=1,2,3,4,5)（9）

（三）預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的整體模糊評定

可由預(yù)應(yīng)力箱梁各組成部分作出分項(xiàng)評判后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的整體評判。

建立預(yù)應(yīng)力箱梁的權(quán)重集：A=(a1,a2,…an)

求得的分部評判向量，然后進(jìn)行綜合評判矩陣。該矩陣乘以權(quán)重向量，最后得到預(yù)應(yīng)力箱梁整體折減的模糊矩陣C:

最大隸屬度的原則，可確定預(yù)應(yīng)力簡支箱梁整體折減程度C：

C=max(ci)(i=1,2,…,n)（11）

最后根據(jù)預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的整體折減程度，評定結(jié)構(gòu)屬于評價集Y中的哪一類。

四、評價實(shí)例

以哈爾濱地區(qū)某高架橋?yàn)槔?，該工程預(yù)制箱梁比較多，各分部結(jié)構(gòu)的評定方法如上所述，下面介紹下各級的評判：

1.一級（各組成部分）評判。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，用模糊數(shù)學(xué)分析得到的構(gòu)件評分如：

各組成部分的權(quán)重可按照預(yù)應(yīng)力箱梁的各分項(xiàng)組成部位相對比值，得到其不同部分的權(quán)重集如：

2.二級（預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各分部結(jié)構(gòu)）評判。根據(jù)梁端鋼筋銹蝕、梁端截面尺寸、梁中部混凝土強(qiáng)度等一級評判結(jié)果可以構(gòu)造出預(yù)應(yīng)力簡支箱梁結(jié)構(gòu)的評判矩陣：

上述方法與傳統(tǒng)方法比較，結(jié)果完全一致。

五、小結(jié)

本文在充分利用現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論分析的理論，對預(yù)應(yīng)力簡支箱梁各組成構(gòu)件評分的基礎(chǔ)上，利用模糊數(shù)學(xué)的方法從諸多因素對嚴(yán)寒地區(qū)的預(yù)應(yīng)力箱梁進(jìn)行綜合評估。將此評定方法應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的驗(yàn)收和評定工作中去，此方法與JTGF80/1—2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的驗(yàn)收方法相對比，其評定結(jié)果完全一致。因此該方法既能節(jié)約成本，縮短了評定周期，而且也滿足了預(yù)應(yīng)力箱梁的復(fù)雜評估要求，能客觀地評估了預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的實(shí)際狀況。

注釋：

1周鵬程.后張法預(yù)應(yīng)力橋梁施工技術(shù)[J].北京：交通世界（建養(yǎng)、機(jī)械），2012（11）

1姜瑋蔚.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2010.

3高宇.在用混凝土橋梁構(gòu)件耐久性指標(biāo)體系的研究[D].重慶交通大學(xué)，2012.

4賀拴海，王凌波.在役預(yù)應(yīng)力梁橋殘余承載力評估方法研究[D].長安大學(xué)，2011.5.

5王宗林，盛可鑒.簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋的幾個關(guān)鍵問題的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.1.

6項(xiàng)貽強(qiáng)，龔世康.簡支連續(xù)小箱梁橋施工質(zhì)量與影響因素分析[D].浙江大學(xué)，2007.5.

7季文玉，張彥玲.鋼筋混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力性能及開裂控制的試驗(yàn)及理論研究[D].北京交通大學(xué)，2009.6.

8郝培峰，于松廷.基于多因素評價的管理系統(tǒng)[D].東北大學(xué)，2010.5

9孫全勝，常繼峰.公路橋梁承載能力多級模糊綜合評定方法[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2007.6.

（作者單位：東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150040；黃桂林，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師；范宇，在讀碩士）

（責(zé)編：若佳）

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1004-4914（2014）10-287-03