王尚愛

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100）

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的技術(shù)狀況評價及預(yù)測

王尚愛

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100）

我國目前對公路交通事業(yè)的維護加強了重視，為了讓公路交通能夠正常運行，必須注意公路中橋梁的技術(shù)狀況，并采用合理方法予以評定，從而防止傷亡事故的發(fā)生。文章建立了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁技術(shù)狀況評價模型，將扣分值系數(shù)和新扣分值用于其中，并基于技術(shù)狀況評價分?jǐn)?shù)，預(yù)測了橋梁的壽命期限，并分析了養(yǎng)護維修在橋梁壽命中的重要作用，希望具有借鑒意義。

預(yù)應(yīng)力；混凝土梁橋；技術(shù)狀況；評價預(yù)測

1 公路橋梁技術(shù)狀況的評價

公路橋梁技術(shù)狀況評價主要是針對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)等級的綜合評價，涉及到使用功能、承載能力、使用價值等，它可以鑒定橋梁是否還存在設(shè)計應(yīng)用的性能，從而采取措施進行維護。

關(guān)于構(gòu)建評價指標(biāo)體系，評價指標(biāo)體系是評判的參考標(biāo)準(zhǔn)。其目的是為了研究橋梁缺損的情況和原因，制定維護方案，并按照技術(shù)狀況評定結(jié)果來將有限的資金應(yīng)用到最嚴(yán)重的地方。指標(biāo)體系的構(gòu)建要保證整個體系要具有科學(xué)性、客觀性以及可操作性。要符合我國規(guī)范，按照橋型分類評定，盡量采用量化指標(biāo)評定內(nèi)容，將橋梁體系分為上部、下部以及橋面三部分構(gòu)建，并充分采用經(jīng)濟便捷的檢測要求。橋梁評定可以分為針對上下部結(jié)構(gòu)的橫向類以及針對構(gòu)件和全橋的縱向類。橋梁評定要按照層次分析原理，循序漸進的評價橋梁技術(shù)狀況，評定初期要保證實測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋技術(shù)狀況指標(biāo)體系如圖1所示。具體應(yīng)用中，要繼續(xù)細(xì)化，例如將C1上部承重結(jié)構(gòu)分為蜂窩、掉角、空洞、混凝土質(zhì)量等多個指標(biāo)層。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋指標(biāo)體系框架

就評價標(biāo)準(zhǔn)來說，為了保證評價結(jié)合的真實性，在制定需要考慮評價對象的特點。保證和我國相關(guān)規(guī)范一致，按照環(huán)境、經(jīng)濟和社會協(xié)調(diào)發(fā)展理論，保證定量或定性標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)描述，判別指標(biāo)時需要對構(gòu)件病害的范圍、尺寸及數(shù)量進行定性或定量描述，評價指標(biāo)要防止定量和定性出現(xiàn)矛盾，如果存在矛盾應(yīng)該以定量描述為主。評價指標(biāo)按照嚴(yán)重程度從小到大可以分為三級、四級和五級。

就評定方法來說，我國目前應(yīng)用的評價方法較多，都存在明顯的優(yōu)勢和局限性，所以要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、成本條件以及測試要求等綜合選取。我國目前在橋梁狀況評估上的主要方法是常規(guī)評估方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及層次分析法。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋技術(shù)狀況評定模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)構(gòu)架

我國目前建立的各種有關(guān)橋梁技術(shù)狀況評價的指標(biāo)體系，在側(cè)重點和項目包含比重上存在著較大的差異，然而在內(nèi)容上卻較為相同。模型第一層是橋梁技術(shù)狀況評價，第二層是上上部結(jié)構(gòu)、橋面結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)三個部分，三者的橋梁技術(shù)狀況評價指標(biāo)中，上部結(jié)構(gòu)主要在橋梁支座以上，它能夠按照結(jié)構(gòu)形式以及承重結(jié)構(gòu)材料進行分類，就預(yù)應(yīng)力混凝土來說，有上部承重構(gòu)件、上部一般構(gòu)件以及支座。下部結(jié)構(gòu)是橋梁最下部結(jié)構(gòu)，主要有橋墩。橋臺等部分。橋面系指的是上部結(jié)構(gòu)中直接承受車輛荷載的并將荷載送到主梁的整個橋面構(gòu)造系統(tǒng)，主要包括橋面鋪裝、欄桿、人行道、伸縮縫以及排水系統(tǒng)等。

2.2 指扣分值系數(shù)計算

（1）要確定三層指標(biāo)的權(quán)重，按照層次分析法得出了兩層之間的權(quán)重比值，結(jié)果如表1所示。

表1 三層指標(biāo)權(quán)重值

（2）算出第四層指標(biāo)權(quán)重。先要構(gòu)造判斷矩陣，這是層次分析法的關(guān)鍵，能夠?qū)⒂绊懮喜砍兄貥?gòu)件的同層指標(biāo)來兩兩比較從而得出其對第三層指標(biāo)因素的影響程度，從個人構(gòu)成判斷矩陣，矩陣中的賦值，由相關(guān)專家予以提供，將矩陣中各元素按照一到九的比率值兩兩比較。將矩陣中的數(shù)值進行一致性檢驗，先計算出矩陣特征向量最大值λmax，采用軟件MATLAB來進行計算。再計算出一致性指標(biāo)C1，結(jié)果如表2所示，即，然后查找相應(yīng)的平均隨機一致性指標(biāo)RI，最后通過CI與RI的比值得出一致性比例即CR。如果CR小于0.1，則表明矩陣是符合一致性的，可以通過檢驗。當(dāng)矩陣內(nèi)一致性滿足要求后，可以按照公式和來計算出矩陣的權(quán)重向量。將上述步驟加以重復(fù)匯總可以得出專家權(quán)重。

（3）群決策法來確定專家的可信度。先要計算群判斷的差異性，應(yīng)用公式來對專家的權(quán)重向量標(biāo)準(zhǔn)差進行計算，k和i分別代表專家代碼和構(gòu)件代碼，應(yīng)用公式將項目標(biāo)準(zhǔn)差求和能夠得出該專家對所有評判指標(biāo)的評判值。將各專家對指標(biāo)的評分CI得出專家權(quán)重向量的標(biāo)準(zhǔn)差和對CI的評判值，重復(fù)以上步驟能夠得出模型的評判值匯總。將評判值帶代入公式將評判值歸一化，得出該模型專家對權(quán)重判斷的差異性系數(shù)匯總。另外還要計算群判斷的相似性，按照向量夾角余弦公式來對專家權(quán)重向量之間的夾角余弦值，然后將夾角帶入公式來計算該專家和其他專家之間的相似性之和，也就是向量夾角余弦值的和，最后將相似性的和應(yīng)用公式歸一化，能夠得到模型專家判斷權(quán)重的相似性系數(shù)。最后結(jié)合專家判斷權(quán)重的差異性系數(shù)和相似性系數(shù)能夠得出可信度系數(shù)。

表2 判斷矩陣打分問卷—Cl為例

然后是確定扣分值系數(shù)，將專家得出的指標(biāo)權(quán)重值和群決策法的可信度相乘，能夠得出該指標(biāo)的扣分值系數(shù)。最后是建立新扣分值表，將第四層對第一層的權(quán)重命名為扣分值系數(shù)，從而建立預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋技術(shù)狀況模型。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的壽命期預(yù)測

3.1 橋梁壽命預(yù)測的理論

使用壽命指的是橋梁在不養(yǎng)護和維修的情況下能夠使用的時間，也就是是建筑在建造后，在預(yù)定的維修條件和使用條件下，結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性都能滿足實際運營年限。然而在實際情況下，橋梁的使用壽命和設(shè)計壽命是不同的，所以必須要做好對橋梁壽命的預(yù)測工作，因為橋梁在細(xì)部構(gòu)造、施工質(zhì)量、使用環(huán)境和養(yǎng)護頻率等改變后都能改變實際使用壽命。因此橋梁的使用壽命一般會少于設(shè)計使用壽命。因為使用壽命定義和分類不同，其角度分類和定義也會不同，預(yù)應(yīng)力構(gòu)建使用壽命的定義和分類方面主要有材料劣化、維修困難、承載力降低等。橋梁的使用時間極大決定橋梁缺陷情況的出現(xiàn)，除此之外，橋梁類型、檢測頻率、結(jié)構(gòu)設(shè)計、養(yǎng)護維修、車輛荷載、車流量、自然災(zāi)害等都會對橋梁出現(xiàn)缺陷的時間造成影響。部分橋梁雖然使用年限不足十年，但是也出現(xiàn)了缺陷，主要是因為，設(shè)計時選取的保證設(shè)計值較低，難以在建成后滿足實際需求，導(dǎo)致功能過時太早出現(xiàn)。部分橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計因為沒有實際經(jīng)驗，導(dǎo)致缺陷容易出現(xiàn)。部分橋梁因為常受到自然災(zāi)害和極端天氣的影響。橋梁壽命預(yù)測主要依靠橋梁體系的承載能力以及橋梁構(gòu)件的技術(shù)狀況等，橋梁技術(shù)狀況評價和結(jié)構(gòu)可靠度聯(lián)系密切，如果結(jié)構(gòu)可靠度出現(xiàn)問題，橋梁技術(shù)狀況評價也會出現(xiàn)病害，如果橋梁技術(shù)狀況評價等級差，結(jié)構(gòu)可靠性也會降低。對橋梁技術(shù)狀況進行評價來對預(yù)測出橋梁壽命有以下優(yōu)點。首先，數(shù)據(jù)來源穩(wěn)定，因為公路橋梁管理部門會對橋梁定期進行技術(shù)狀況評價，會得到較豐富的數(shù)據(jù)。其次，數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，檢測的頻率很有保證。最后，具有經(jīng)濟性，承載能力檢測需要投入較多的費用，成本較高，難以實際應(yīng)用。對于公路橋梁壽命預(yù)測主要有以下辦法：①是經(jīng)驗預(yù)測法，主要是應(yīng)用大量的現(xiàn)場經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)來評價預(yù)測橋梁的使用壽命，但是如果橋梁設(shè)計壽命太長，或者自然環(huán)境惡劣，這種方式?jīng)]有實際效果；②比較預(yù)測法，它假設(shè)混凝土在相同條件下壽命相同，但是其并沒有對混凝土的材料、施工質(zhì)量、環(huán)境及荷載進行考慮；③加速試驗預(yù)測法，它將材料處在較差的環(huán)境下，讓材料加速劣化，但是這種方式缺乏長期觀測數(shù)據(jù)，只能應(yīng)用數(shù)學(xué)手段來建立模型從而預(yù)測橋梁壽命；④數(shù)學(xué)模型預(yù)測法，這種方法適用性較好，應(yīng)用很廣泛，但是其準(zhǔn)確度容易受到模型的合理性、數(shù)值范圍等的影響。養(yǎng)護維修策略的制定，需要按照病害原因、程度以及橋梁剩余壽命綜合考慮。養(yǎng)護方式可以有正常養(yǎng)護、加固處理以及小修三方面。加固處理一般應(yīng)用在以下情況。第一，橋梁裂縫寬度超過0.01mm。第二，存在潛在安全隱患，讓橋梁的使用質(zhì)量和壽命都不能保證。采用這種養(yǎng)護方式需要考慮到：橋梁加固的費用，必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橋梁的新建費用；持久性，加固處理要延長的設(shè)計壽命的20%；是安全性，加固處理不能影響橋梁的正常功能和原有結(jié)構(gòu)。

3.2 工程實例

回歸預(yù)測是變量X、Y的一種依賴關(guān)系，X可以部分決定Y值，但是不能完全決定，Y值還受到其他未被考慮因素的影響，這種未考慮因素即是e值。某工程路段含有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋40座，修建于1995年，其結(jié)構(gòu)皆采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁、鋼筋混凝土柱式墩臺、橡膠支座以及鉆孔灌注樁等，在2008年到2013年每年都測出其橋梁技術(shù)狀況評價，假設(shè)橋梁竣工時技術(shù)狀況評分是100分，橋梁技術(shù)狀況Y和使用年限X相關(guān)，不受其他因素影響。先建立線性回歸、指數(shù)函數(shù)、高斯函數(shù)、三角函數(shù)等模型，將數(shù)據(jù)帶入模型中，應(yīng)用MATLAB對曲線擬合，求出模型參數(shù)。再選取負(fù)相關(guān)函數(shù)、調(diào)整復(fù)相關(guān)系數(shù)、誤差平方和以及均方根誤差四種模型檢驗參數(shù)。最后是點預(yù)測，將2013年的評價數(shù)據(jù)代入建立的模型中，算出Y的預(yù)測值，將預(yù)測值和實際值比較，來采用擬合優(yōu)度較好的模型。各橋的技術(shù)狀況差異較大，本次排除了擬合誤差較大的樣本，采用了剩余的橋梁樣本進行分析。從而得出路段橋梁從二類橋變成三類橋的時間，為養(yǎng)護維修提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

橋梁的質(zhì)量和壽命直接影響了公路的暢通，為了有效地為橋梁進行養(yǎng)護，需要掌握好橋梁的技術(shù)狀況以及壽命預(yù)測。因此，相關(guān)人員要應(yīng)用層次分析法、群決策以及回歸預(yù)測，從而為橋梁的有效維護提供數(shù)據(jù)支持。

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