李 捷 張建升 王建民

(北京中交華聯(lián)科技發(fā)展有限公司，北京 100101)

0 引言

城市橋梁作為城市交通路網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其技術(shù)狀況的好壞不僅影響到結(jié)構(gòu)自身的安全使用性能及耐久性，也影響到區(qū)域交通經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。由于受到使用環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風(fēng)、地震、疲勞、人為等作用，再加上材料自身性能隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加不斷退化，往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分在遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限之前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化;這些損傷如果不能及時(shí)得到檢(監(jiān))測(cè)、評(píng)定和維修，輕則影響行車安全和縮短使用壽命，重則導(dǎo)致橋梁的突然破壞甚至倒塌。

在整個(gè)城市橋梁養(yǎng)護(hù)管理環(huán)節(jié)中，客觀評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況對(duì)確保城市道路通暢和國(guó)民經(jīng)濟(jì)順利發(fā)展有著極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，無(wú)論是城市市政工程行業(yè)還是公路工程行業(yè)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況評(píng)定主要是采用定期檢查來(lái)進(jìn)行，具體的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為JTG H11-2004公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范［1］、JTG H21-2011公路橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［2］和CJJ 99-2003城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范［3］;定期檢查的一個(gè)重要不足之處在于無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的識(shí)別判定，以至于對(duì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況變異現(xiàn)象難以及時(shí)掌握進(jìn)而采用處治對(duì)策。近幾年來(lái)，相關(guān)專業(yè)人員及城市橋梁養(yǎng)管單位開始采用實(shí)時(shí)狀態(tài)感知的方法來(lái)及時(shí)了解橋梁的技術(shù)狀況，在這個(gè)方法體系中如何應(yīng)用感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行城市橋梁技術(shù)狀況評(píng)定成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

以狀態(tài)感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行城市橋梁技術(shù)狀況評(píng)定，主要有三個(gè)方面的問(wèn)題需要解決，一是評(píng)定層次結(jié)構(gòu)的劃分;二是各層次指標(biāo)權(quán)重的確定;三是指標(biāo)評(píng)分值的制定和總體技術(shù)狀況評(píng)定劃分。為此，本文針對(duì)這三個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行逐一研究，給出一種基于狀態(tài)感知數(shù)據(jù)的技術(shù)狀況評(píng)定方法。

1 城市橋梁技術(shù)狀況評(píng)定層次結(jié)構(gòu)模型

建立城市橋梁技術(shù)狀況分層評(píng)定模型是進(jìn)行評(píng)定的基礎(chǔ)工作，層次設(shè)置是否科學(xué)合理，直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性;對(duì)于城市橋梁狀態(tài)感知技術(shù)狀況，評(píng)定層次的劃分常依照感知部位、感知參數(shù)、感知具體指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)定時(shí)，一般將評(píng)定的預(yù)定目標(biāo)或結(jié)果作為最高層，也稱為目標(biāo)層;將目標(biāo)層所涉及的中間環(huán)節(jié)中需要考慮的準(zhǔn)則作為中間層，中間層有準(zhǔn)則和子準(zhǔn)則之分，稱為準(zhǔn)則層;將實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種措施、決策方案等作為最底層，稱為指標(biāo)層［4］。以城市橋梁基于狀態(tài)感知數(shù)據(jù)的技術(shù)狀況評(píng)定為目標(biāo)層，根據(jù)感知參數(shù)的類別，其下可設(shè)置四個(gè)準(zhǔn)則層——變形類、應(yīng)力類、開裂類、振動(dòng)響應(yīng)類參數(shù)的評(píng)定，各準(zhǔn)則層下依據(jù)不同感知部位分若干子準(zhǔn)則層，各子準(zhǔn)則層下設(shè)置若干與之關(guān)聯(lián)的具體的感知指標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)成了系統(tǒng)的橋梁技術(shù)狀況評(píng)定遞階層次結(jié)構(gòu)。

圖1 基于狀態(tài)感知數(shù)據(jù)的城市橋梁技術(shù)狀況評(píng)定層次結(jié)構(gòu)

圖1為典型的城市橋梁結(jié)構(gòu)在以狀態(tài)感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定時(shí)的層次結(jié)構(gòu)劃分模型。

2 各層次中各因素指標(biāo)權(quán)重的確定

1)構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。

在城市橋梁技術(shù)狀況評(píng)定遞階層次結(jié)構(gòu)中，設(shè)上一層元素C為準(zhǔn)則，所支配的下一層元素為u1，u2，…，un對(duì)于準(zhǔn)則C相對(duì)重要性即權(quán)重［4］。n個(gè)元素之間相對(duì)重要性的比較得到一個(gè)兩兩比較判斷矩陣為:

其中，aij為第i與第j元素的重要性的度量。

2)單一準(zhǔn)則下元素相對(duì)權(quán)重的計(jì)算以及判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

求 u1，u2，…，un對(duì)于準(zhǔn)則 C 的相對(duì)權(quán)重 ω1，ω2，…，ωn，寫成向量形式即為 W=(ω1，ω2，…，ωn)T。

將判斷矩陣A的n個(gè)行向量歸一化后的算術(shù)平均值，近似作為權(quán)重向量，即:

在計(jì)算單準(zhǔn)則下權(quán)重向量時(shí)，還必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。在判斷矩陣的構(gòu)造中，并不要求判斷具有傳遞性和一致性，即不要求aij·ajk=aik嚴(yán)格成立，這是由客觀事物的復(fù)雜性與人的認(rèn)識(shí)的多樣性所決定的;但要求判斷矩陣滿足大體上的一致性是應(yīng)該的。對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，具體步驟如下:

a.計(jì)算一致性指標(biāo) C.I.(Consistency Index)。

b.查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.(Random Index)。表1給出了1階～15階正互反矩陣計(jì)算1 000次得到的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.

c.計(jì)算一致性比例 C.R.(Consistency Ratio)。

當(dāng)C.R.＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的;當(dāng)C.R.≥0.1時(shí)，應(yīng)該對(duì)判斷矩陣做適當(dāng)修正。為了討論一致性，需要計(jì)算矩陣最大特征根λmax，除特征根方法外，也可用式(5)來(lái)進(jìn)行計(jì)算:

3)群組決策方法統(tǒng)計(jì)權(quán)重。

若通過(guò)對(duì)判斷矩陣的分析，各位專家的判斷均滿足一致性要求，那么就采用群組決策的加權(quán)幾何平均綜合排序向量法計(jì)算權(quán)重。設(shè)各專家的判斷能力相等，則可按照如下公式進(jìn)行綜合權(quán)重計(jì)算［5，6］:

其中，s為專家個(gè)數(shù)。

3 指標(biāo)評(píng)分值的制定和總體技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)劃分

3.1 指標(biāo)評(píng)分值的制定

對(duì)于城市橋梁狀態(tài)感知系統(tǒng)，基于各類狀態(tài)感知參數(shù)的技術(shù)狀況評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于量化實(shí)測(cè)值范疇。在感知系統(tǒng)中即使為同一類指標(biāo)，如應(yīng)變，不同感知部位對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)的內(nèi)涵也不盡相同，因而對(duì)指標(biāo)評(píng)價(jià)值的量化是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。

然而，通過(guò)對(duì)各基層指標(biāo)的分析，總體上可以通過(guò)正常效應(yīng)值之間的范圍來(lái)進(jìn)行評(píng)分，在橋梁感知指標(biāo)工程量化評(píng)估時(shí)，對(duì)于指標(biāo)實(shí)測(cè)值通?？刹捎萌缦碌脑u(píng)分模型:

其中，x為評(píng)估指標(biāo)數(shù)值;xm為評(píng)估指標(biāo)在區(qū)域范圍內(nèi)的最大值;xn為評(píng)估指標(biāo)在區(qū)域范圍內(nèi)的最小值;A為評(píng)估值范圍參數(shù)，對(duì)于百分制，A=100;B為性狀參數(shù)，B=0時(shí)即為線性處理方法。

對(duì)于測(cè)試指標(biāo)為負(fù)值的情況，或者正負(fù)區(qū)間范圍內(nèi)的情況，一般可用絕對(duì)值法進(jìn)行分值評(píng)價(jià)。

3.2 總體技術(shù)狀況等級(jí)劃分

參照J(rèn)TG/T H21-2011公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，將橋梁技術(shù)狀況根據(jù)不同的評(píng)分值D劃分為5個(gè)評(píng)定等級(jí)，具體見(jiàn)表2。

表2 橋梁總體技術(shù)狀況分類界限

4 評(píng)定實(shí)例

以一城市道路鋼筋混凝土梁式橋結(jié)構(gòu)為例，該橋共布設(shè)3個(gè)撓度感知測(cè)點(diǎn)、2個(gè)位移感知測(cè)點(diǎn)、6個(gè)混凝土應(yīng)變感知測(cè)點(diǎn)、2個(gè)鋼筋應(yīng)變感知測(cè)點(diǎn)、2個(gè)混凝土裂縫感知測(cè)點(diǎn)、2個(gè)加速度感知測(cè)點(diǎn)(其中一個(gè)用于感知橋梁自振頻率、一個(gè)用于感知加速度幅值);根據(jù)各感知測(cè)點(diǎn)指標(biāo)的評(píng)分值，采用等權(quán)重方式進(jìn)行準(zhǔn)則層的評(píng)分，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各準(zhǔn)則層評(píng)分值

準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重確定時(shí)，以對(duì)相關(guān)專家問(wèn)卷調(diào)查的判斷矩陣為基礎(chǔ)進(jìn)行，對(duì)6位專家調(diào)查的準(zhǔn)則層指標(biāo)的判斷矩陣B1～B6如下:

根據(jù)式(2)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表4。

表4 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重表

由式(5)，一致性檢驗(yàn)最大值為4.251 8，滿足λmax＜4.267，一致性滿足要求。

由式(6)和式(7)，確定準(zhǔn)則層群組決策方法的權(quán)重值見(jiàn)表5。

表5 各準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重值

由表3和表5得，計(jì)算技術(shù)狀況評(píng)分值如下:

由表2可知，該橋技術(shù)狀況等級(jí)為2類。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立城市橋梁以狀態(tài)感知數(shù)據(jù)為依據(jù)的遞階層次評(píng)定結(jié)構(gòu)，分別用層次分析法確定各層在評(píng)定體系中的權(quán)重，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算合成各準(zhǔn)則層在結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定的權(quán)重。

結(jié)合群組決策權(quán)重和各因素指標(biāo)評(píng)分值，得到反映結(jié)構(gòu)總體技術(shù)狀況的評(píng)分值，進(jìn)而確定技術(shù)狀況等級(jí)，應(yīng)用結(jié)果表明這種方法是一種切實(shí)可行的城市橋梁以感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的技術(shù)狀況評(píng)定方法。

［1］JTG H11-2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范［S］.

［2］JTG H21-2011，公路橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］CJJ 99-2003，城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］趙大亮，李愛(ài)群.既有公路橋梁評(píng)估方法研究現(xiàn)狀［J］.工程抗震與加固改造，2007，29(1)：72-78.

［5］禹智濤，韓大建.既有橋梁可靠性的綜合評(píng)估方法［J］.中南公路工程，2003，28(3)：8-12.

［6］陸亞興，殷建軍，姚祖康.橋梁缺損狀況評(píng)價(jià)方法［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1999(3)：55-61.