(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江 杭州 310015)

基于改進(jìn)模糊綜合評(píng)估法大跨斜拉橋評(píng)估研究

邱國(guó)陽(yáng)

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江 杭州 310015)

對(duì)在役橋梁有一個(gè)合理的評(píng)估，可以為決策者提供良好的維修加固參考。針對(duì)模糊綜合評(píng)估法合成算子的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新的合成算子，并采用模糊貼近度的對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)一座既有斜拉橋進(jìn)行評(píng)估，證明了方法的可行性。

斜拉橋； 模糊綜合評(píng)估； 模糊合成算子； 綜合評(píng)估

0 引言

近年來，隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)修建了越來越多的大跨斜拉橋。這些橋梁的安全關(guān)系到人們?nèi)粘３鲂屑吧?cái)產(chǎn)安全，在國(guó)家城市發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用，如何對(duì)這些橋梁有一個(gè)正確的評(píng)估越來越得到學(xué)者的關(guān)注。目前橋梁綜合評(píng)估的方法主要有：層次分析法、專家系統(tǒng)法、缺損狀況指標(biāo)法、灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估法、模糊綜合評(píng)估法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1-3]。其中模糊綜合評(píng)估方法能較好地解決事物的模糊性和算法的確定性這一矛盾，是對(duì)橋梁各部件及整體工作狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估診斷的一種理想方法。在模糊綜合評(píng)估法中權(quán)重的確定以及模糊合成算子一直是研究的熱點(diǎn)，本文采用不確定AHP法確定各指標(biāo)的權(quán)重向量，并提出一種新的模糊合成算子，采用“貼近度”的方法驗(yàn)證算子的可靠性。

1 建立橋梁綜合評(píng)估模型

1.1 確定因素集

因素集即影響評(píng)判對(duì)象的各個(gè)因素，可表示為：U=[u1,u2,…,un]，ui代表各個(gè)影響因素。對(duì)于大跨斜拉橋影響其總體性能的各個(gè)因素如圖1。

圖1 大跨斜拉橋綜合評(píng)估模型

1.2 建立評(píng)判集

評(píng)判集即確定評(píng)判因素的等級(jí)程度，無論評(píng)判目標(biāo)有多少個(gè)，評(píng)判集僅有一個(gè)，設(shè)有n種判斷所構(gòu)成的評(píng)判集，則評(píng)判集V可表示為：V=(v1,v2,…,vn)。參考規(guī)范將橋梁工作狀態(tài)劃分為5個(gè)級(jí)別，設(shè)論域U=[0,100]，在U建立5個(gè)模糊集，分別為A=優(yōu)級(jí)，B=良級(jí)，C=中級(jí)，D=差級(jí)，E=劣級(jí)。根據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范可以知道對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)分別為88～100，60～88，40～60，20～40，0～20分。采用梯形分布函數(shù)作為隸屬函數(shù)(如圖2)。

圖2 大跨斜拉橋綜合評(píng)估隸屬函數(shù)

1.3 計(jì)算權(quán)重向量

對(duì)于因素集U=[u1,u2,…,un]，定義對(duì)于各因素ui的權(quán)重向量為：A=[w1,w2,…,wn]。權(quán)重向量采用專家討論的方式確定。

1.4 建立模糊關(guān)系矩陣

假設(shè)有n種判斷，某種判斷有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則模糊關(guān)系矩陣R形式如下：

1.5 模糊綜合評(píng)判

表1 常用模糊算子合成類型類型算子含義M(∨，∧)a∧b=min(a，b)a∨b=max(a，b)M(?，∨)a?b=a?ba∨b=max(a，b)M(∧，⊕)a∧b=min(a，b)a⊕b=min(a+b，1)M(?，⊕)a?b=a?ba⊕b=min(a+b，1)

模型M(∨,∧)和模型M(∧,⊕)由于首先需要進(jìn)行“取大”和“取小”操作，這樣就會(huì)舍去很多已有的信息，導(dǎo)致出現(xiàn)很多“盲點(diǎn)”。同時(shí)這2種算法將權(quán)重和指標(biāo)評(píng)價(jià)的隸屬度進(jìn)行對(duì)比分析，將2個(gè)不同性質(zhì)的物理量進(jìn)行比較，會(huì)“淹沒”太多的評(píng)估信息，故在橋梁綜合評(píng)估中并不適用。模型M(*,∨)是一種“主因素突出型”，模型M(*,⊕)為“加權(quán)平均型”。在橋梁綜合評(píng)估中既要考慮評(píng)估指標(biāo)的全面性，并且也要兼顧一些特殊指標(biāo)的突出性。因此本論文以“M(*,∨)算子”和“M(*,⊕)算子”為基礎(chǔ)提出一種新的算子M(bj)。

(1)

(2)

(3)

先利用公式：

(4)

(0.06,0.24,0.1,0.096,0);

(0.06,0.24,0.1,0.096,0)。

歸一化可得：

根據(jù)式(1)可得：

(0.025,0.799,0.113,0.063,0)

根據(jù)式(4)可得：

可見這種合成方法是比較合理的。

2 評(píng)估實(shí)例

對(duì)于底層指標(biāo)評(píng)估，按照數(shù)據(jù)類型可以分為3類：①僅對(duì)橋梁構(gòu)件的狀態(tài)描述或進(jìn)行簡(jiǎn)單的等級(jí)劃分，而沒有數(shù)值結(jié)果(如：砼裂縫，構(gòu)件缺損等)；②檢測(cè)結(jié)果為一數(shù)值(如：砼強(qiáng)度、保護(hù)層厚度等)；③檢測(cè)結(jié)果為一數(shù)據(jù)序列(如：應(yīng)力、撓度、索力等)。對(duì)第1類，采用現(xiàn)行有關(guān)橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范及專家系統(tǒng)對(duì)缺損程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]；對(duì)第2類，可采用正指標(biāo)、負(fù)指標(biāo)和適度指標(biāo)3種模型進(jìn)行歸一化轉(zhuǎn)換；對(duì)于第3類，經(jīng)過量綱歸一化后，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分為均勻變化和非均勻變化兩部分，采用底層指標(biāo)評(píng)價(jià)值=均勻變化得分×非均勻性變化系數(shù)的形式確定其評(píng)估結(jié)果[6]。

2.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)估

對(duì)于第1類和第2類評(píng)估指標(biāo)評(píng)語集的確定比較簡(jiǎn)單，本文以浙江省某一斜拉橋監(jiān)測(cè)撓度為例進(jìn)行評(píng)估，說明第3類指標(biāo)的評(píng)估方法。對(duì)于應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、撓度測(cè)點(diǎn)以及索力測(cè)點(diǎn)定義如表2評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[7,8]。

表2 大跨斜拉橋監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)狀況評(píng)定準(zhǔn)則評(píng)分優(yōu)級(jí)測(cè)點(diǎn)值在標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)88～100良級(jí)測(cè)點(diǎn)值在標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值之間60～88 中級(jí)測(cè)點(diǎn)值在設(shè)計(jì)值的110%以內(nèi)40～60 差級(jí)測(cè)點(diǎn)值在設(shè)計(jì)值的110%～120%之間20～40 劣級(jí)測(cè)點(diǎn)值在設(shè)計(jì)值的120%～140%之間 0～20

1) 主梁撓度(表3)。

表3 主梁撓度評(píng)估結(jié)果測(cè)點(diǎn)編號(hào)監(jiān)測(cè)值/mm標(biāo)準(zhǔn)值/mm設(shè)計(jì)值/mm評(píng)分1-6744-10359-145379222-3541-32474-939688673-8439-7709-1769038604-1256-123641-283757877

考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在的均勻變化和非均勻變化，采用底層指標(biāo)評(píng)價(jià)值=均勻變化得分×非均勻性變化系數(shù)的形式確定其評(píng)估結(jié)果，非均勻性變化系數(shù)采用灰色關(guān)聯(lián)度γ(X0,Xi)進(jìn)行確定，一般采用斜率關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算。

其中：

a(1)(x0(k+1))=x0(k+1)-x0(k),

k=1,2,…,n-1；

a(1)(xi(k+1))=xi(k+1)-xi(k),

k=1,2,…,N。

可以計(jì)算得到斜率關(guān)聯(lián)度γ(X0,Xi)=0.95，由于各個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)權(quán)重相同，則可得撓度最終評(píng)估值為：83.7分，模糊向量為(0.247，0.753，0，0，0)。

2) 主梁應(yīng)力(表4)。

同理可得不均勻變化系數(shù)為：γ(X0,Xi)=0.96，可得應(yīng)力評(píng)估最終得分為：84.8分，模糊向量為(0.32，0.68，0，0，0)。

表4 主梁應(yīng)力評(píng)估結(jié)果測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力/MPa標(biāo)準(zhǔn)值/MPa設(shè)計(jì)值/MPa評(píng)分1上緣-194-193-291877下緣22472334488842上緣-209-210-301883下緣18031854028833上緣-1445-155-369888下緣2136223596885

3) 索力(表5)。

可得不均勻變化系數(shù)為：γ(X0,Xi)=0.94，可得應(yīng)力評(píng)估最終得分為：86.7分，模糊向量為(0.447，0.553，0，0，0)。

表5 斜拉索索力評(píng)估結(jié)果索號(hào)索力/kN標(biāo)準(zhǔn)值/kN設(shè)計(jì)值/kN恒載索力/kN評(píng)分15984639867375152714924248994946658421405608863405142774504443524691643458371544270629358920529013450138548269979686265127643314572129490172599292903266122417938

2.2 橋梁綜合評(píng)估

針對(duì)離線指標(biāo)，參考橋梁評(píng)定規(guī)范要求，采用缺損度評(píng)估方法對(duì)各構(gòu)件狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定。并結(jié)合本文監(jiān)測(cè)指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(見表6)，得出橋梁的綜合評(píng)估結(jié)果為：V=(0.974,0.026,0,0,0)，根據(jù)最大隸屬度原則可知，本斜拉橋評(píng)估結(jié)果為優(yōu)級(jí)，橋梁狀態(tài)良好。

表6 大跨斜拉橋綜合評(píng)估結(jié)果二級(jí)指標(biāo)權(quán)重評(píng)估結(jié)果綜合評(píng)估主梁0221(0767，0232，0，0，0)索塔0242(1，0，0，0，0)斜拉索0312(0819，0181，0，0，0)(0974，0026，0，0，0)附屬設(shè)施0201(0996，0004，0，0，0)下部結(jié)構(gòu)0024(1，0，0，0，0)

3 結(jié)語

本論文對(duì)模糊綜合法的模糊合成算子進(jìn)行分析，提出一種新的合成算子，采用“貼近度”進(jìn)行算法的驗(yàn)證，并對(duì)浙江省某一斜拉橋進(jìn)行綜合評(píng)估，驗(yàn)證了算法的可行性。同時(shí)針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估，由于規(guī)范中沒有明確的規(guī)定，本論文給出詳細(xì)的評(píng)估過程，為相應(yīng)工程提供參考。

[1] 南宇宏，劉新，趙頌，等.既有橋梁評(píng)估方法探究[J].甘肅科技，2013，29(6):106-109.

[2] E.Zio.On the use of the analytic hierarchy process in the aggregation of expert judgments[J].Reliability Engineering and System Safety,1996,53:127-138.

[3] HitoshiFuruta,Jianhong He, EiichiWatanabe. A Fuzzy Expert System for Damage Assessment Using Genetic Algorithms and Neural Networks [J]. Journal of Computing in Civil Engineering,1996, 11: 37-45．

[4] 宋光興，楊德禮.基于決策者偏好及賦權(quán)法一致性的組合賦權(quán)法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26(9)：1226-1230，1290.

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

[6] 蘭海，史家鈞.灰色關(guān)聯(lián)分析與變權(quán)綜合法在橋梁評(píng)估中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(1)：50-54.

[7] 任遠(yuǎn)，黃僑，李輝.大跨度斜拉橋的綜合評(píng)估理論體系研究[A]. 全國(guó)既有橋梁加固、改造與評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2008.

[8] 李毅.基于城市橋梁集群監(jiān)測(cè)平臺(tái)的系桿拱橋健康監(jiān)測(cè)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

1008-844X(2017)03-0135-04

U 448.27

A

2016-11-17

浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2015B04)

邱國(guó)陽(yáng)(1979-)，男，高級(jí)工程師 ，從事橋梁試驗(yàn)檢測(cè)工作。