張云超，黃 銘，姚 亮

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，安徽合肥230009)

0 引 言

我國有很多水利水電工程修建于建國初期[1]。經(jīng)過多年的運行，很多的水工金屬結(jié)構(gòu)仍在發(fā)揮著巨大的作用。但是，由于年代久遠(yuǎn)，加之水工金屬結(jié)構(gòu)多數(shù)處于潮濕、陰暗等惡劣的環(huán)境中，其安全性能無法得到保證，因此對其進(jìn)行檢測及安全評價顯得尤為重要。

本文以閘門為研究對象，由于閘門本身作為水利水電工程的擋水、排水的設(shè)備，所處的環(huán)境惡劣，并且常年承受靜態(tài)、動態(tài)的水壓力，因此其安全性能評判也是水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測的重點關(guān)注對象[2]。

1 模糊綜合評判

常見的水工金屬結(jié)構(gòu)安全評判方法有綜合評判法和可靠度評判法，綜合評判法是以水工金屬結(jié)構(gòu)安全的主要影響因素為框架，將多個因素轉(zhuǎn)化為一個能夠綜合反映水工金屬結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的指標(biāo)來進(jìn)行評價?？煽慷仍u估法是選擇出影響水工金屬結(jié)構(gòu)的多個因素作為隨機變量，根據(jù)這些因素的統(tǒng)計結(jié)果以及水工金屬結(jié)構(gòu)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，計算失效率和可靠指標(biāo)，進(jìn)行安全評估[3]。

模糊綜合評判是應(yīng)用模糊轉(zhuǎn)換原理，分析影響被評價事物的各種因素，確定出評價事物的因素集及評判等集，計算被評價事物的各種相關(guān)因素的隸屬度與權(quán)值，然后進(jìn)行綜合評判[4]。由于影響閘門的安全因素較多，并且各影響因素對閘門的安全影響程度也不盡相同，因此本文采用模糊綜合評判的方法對閘門進(jìn)行安全評判。

2 閘門的模糊綜合評判

2.1 評判因素集及評判框架

影響閘門安全性能的因素有很多種，由于閘門長期在陰暗潮濕的環(huán)境下工作，很容易產(chǎn)生不同程度的腐蝕[5]。較淺的腐蝕容易導(dǎo)致閘門漏水，啟閉不穩(wěn)定，嚴(yán)重腐蝕可能會使閘門失事，從而會危害到人民的生命和財產(chǎn)損失[6]。因此腐蝕應(yīng)作為鋼閘門安全檢測的重要因素；水工鋼閘門經(jīng)過長期運行，其主要結(jié)構(gòu)處的焊接部位可能會出現(xiàn)裂紋等缺陷，影響閘門的安全運行，因此焊縫應(yīng)作為鋼閘門安全檢測的重要因素。閘門經(jīng)過長時間的運行，其主要結(jié)構(gòu)部件的材料，可能會發(fā)生老化現(xiàn)象，使得閘門狀況可能與原設(shè)計不符，因此需要對閘門材料進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)以上內(nèi)容，本文對閘門的安全綜合評判采用多級評判框架，一級評判因素為

u={u1u2u3}={腐蝕 焊縫 材料}

腐蝕一般會有多個部位，將其各個部位做為二級評判因素，進(jìn)行多級評判。在工程實踐中，有時對焊縫的檢測可能只涉及到某個部位，或者多個部位的某一點，因此對焊縫可根據(jù)具體情況進(jìn)行一級或者多級評判。閘門材料涉及到其化學(xué)成分、抗拉強度等各種因素，本文重點討論抗拉強度，化學(xué)成分一般不變，本文不作為代表項目；抗拉強度涉及到多個部位，將其各個部位作為二級評判因素，進(jìn)行多級評判。

2.2 評判等級的劃分

SL101—2014《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中對閘門的安全等級分為安全、基本安全和不安全3個等級，所以本文據(jù)此將各評判因素的評判等級分為3個等級，即

v={v1v2v3}={安全 基本安全 不安全}

對于腐蝕，《規(guī)程》5.2中將腐蝕分為A、B、C、D 4級，規(guī)定A級為腐蝕不明顯、B級為腐蝕平均深度不大于1 mm、C級為腐蝕平均深度不大于2 mm、D級為腐蝕平均深度大于2 mm，又根據(jù)《規(guī)程》13.0.2中腐蝕程度為A級和B級的評定為安全，腐蝕程度為C級的評定為基本安全，腐蝕程度屬于D級的為不安全，因此本文規(guī)定腐蝕平均深度不大于1 mm的為安全，1 mm到2 mm的為基本安全，大于2 mm的為不安全?？捎孟率奖硎?/p>

(1)

對于焊縫，根據(jù)GB11345—89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，本文規(guī)定評定等級在評定線與定量線之間的為安全，在定量線與判廢線之間的為基本安全，判廢線以上的為不安全。

對于閘門材料中的抗拉強度，因為在GB700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)》中給出了抗拉強度具體相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值范圍， 因此先確定出其安全系數(shù)[7]，公式為

(2)

式中，n為安全系數(shù)；σ為檢測抗拉強度，σmin為容許最小抗拉強度。

然后確定最大安全系數(shù)，計算如下式

(3)

式中，N為最大安全系數(shù)；σmax為容許最大抗拉強度。

(4)

2.3 評判矩陣的確定

評判矩陣是由各個影響因素的隸屬度所組成的，對于閘門的腐蝕情況，腐蝕的程度越小，閘門越安全，因此應(yīng)采用偏小型分布函數(shù)確定隸屬度，常見的偏小型分布有正態(tài)分布、梯形分布、拋物線型分布等，本文以偏小型的降半正態(tài)分布函數(shù)為例(見圖1)，公式如下

(5)

圖1 偏小型降半正態(tài)分布

(6)

式中，ui為評判因素的第i個檢測值；j為評判等級的個數(shù)；σ為評判因素數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；rij為評判因素的第i個檢測值ui對于安全等級vj的隸屬度；aj為對應(yīng)評判集vj在該區(qū)域的最小值。

對于焊縫采用模糊統(tǒng)計的方法確定隸屬度，計算公式為

(7)

式中，nj為屬于評判等級vj的評判因素的檢測值個數(shù)；n為檢測值總數(shù)。

對于閘門材料中的抗拉強度，強度越高，閘門越安全，因此應(yīng)采用偏大型的分布函數(shù)確定隸屬度，常見的偏大型有正態(tài)分布、梯形分布、拋物線型分布等，本文以偏大型的梯形分布為例(見圖2)，其公式如下

(8)

對上式進(jìn)行改進(jìn)如下

(9)

圖2 偏大型梯形分布

式中，aj、bj分別為對應(yīng)評判集vj的最小值和最大值；即式(4)各個安全等級的數(shù)值。

2.4 權(quán)值的確定

根據(jù)評判對象的不同，權(quán)值的確定方法也有所不同，常見的有層次分析法、調(diào)查統(tǒng)計法、加權(quán)統(tǒng)計法和熵權(quán)法等[8]。本文根據(jù)閘門檢測的現(xiàn)有資料及其數(shù)據(jù)特征，采用層次分析法來確定腐蝕、焊縫和閘門材料的權(quán)值。對于涉及到多個部位的腐蝕，由于腐蝕在每個部位都會對閘門產(chǎn)生較大的影響，因此對于各個部位采用平均賦權(quán)；對于閘門材料抗拉強度，同樣每個部位的抗拉強度對閘門的影響是基本相同的，因此也采用平均賦權(quán)。

層次分析法具體步驟為：構(gòu)造判斷矩陣，確定兩兩元素相比的判斷值cij，cij表示元素Bi相對于的Bj“重要程度”的判斷值，常用1～9的數(shù)字來標(biāo)度各元素對于上一級的重要程度[9]。具體判斷方法如表1。

表1 1～9標(biāo)度方法

由cij形成判斷矩陣，

(10)

式中，cii=1，cij·cji=1。

根據(jù)式(10)，采用方根法計算權(quán)值

(11)

對結(jié)果規(guī)范化

(12)

對式(10)進(jìn)行相容性檢驗，定義不相容度R(C)

(13)

當(dāng)R(C)≤0.1時，式(10)的相容性較好，該方法有效，式(10)不必進(jìn)行調(diào)整；否則重新調(diào)整式(10)，直到R(C)≤0.1。

2.5 綜合評判

首先對腐蝕和閘門材料中的二級評判因素進(jìn)行單因素模糊綜合評判，確定出評判向量，然后再將腐蝕、焊縫、閘門材料三個因素的單個評判向量組合成綜合評判矩陣，根據(jù)最大隸屬度原則對閘門進(jìn)行模糊綜合評判，得出閘門安全狀態(tài)。

表2 各個部位的腐蝕隸屬度

3 工程實例

本文以某水庫壩體底孔事故閘門實測的腐蝕、焊縫和材料中的抗拉強度數(shù)據(jù)進(jìn)行閘門的安全性綜合評判。

3.1 隸屬度的計算

本文以某水庫底孔事故閘門16個部位每個部位四個測點的腐蝕狀況檢測結(jié)果為例，采用偏小型正態(tài)分布，計算出腐蝕每個部位的標(biāo)準(zhǔn)差σ將其帶入式(6)。根據(jù)式(6)求出腐蝕的隸屬度如表2。

由于各個部位的腐蝕對閘門都有很大的影響，可以認(rèn)為他們的權(quán)重相同，取這16個部位的平均值得到腐蝕的評判向量

r1={0.346 0.352 0.302}

(14)

由最大隸屬度原則，可以看出腐蝕為基本安全。

對于焊縫，選取了底孔事故閘門9個部位對其進(jìn)行檢測，由于檢測部位較少，數(shù)據(jù)比較單一，因此本文不另設(shè)下級評判。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》檢驗等級采用B級，檢測數(shù)據(jù)其缺陷性質(zhì)分為夾渣和未焊透等幾種結(jié)果。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)把檢測到的缺陷性質(zhì)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的缺陷當(dāng)量與《標(biāo)準(zhǔn)》9.2圖8距離-波幅曲線(DAC)的靈敏度圖對比，根據(jù)式(7)應(yīng)用模糊統(tǒng)計的方法確定其隸屬度，整理數(shù)據(jù)得其評判向量為

r2={0.222 0.445 0.333}

(15)

對于閘門材料中的抗拉強度，選取底孔事故閘門面板、橫梁翼板和橫梁腹板三個部位進(jìn)行檢測，由于只有三個部位，數(shù)據(jù)較為簡單，本文采用偏大型的梯形分布，根據(jù)GB700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)》取σmax為500 N/mm2，σmin為370 N/mm2，將檢測數(shù)據(jù)帶入式(2)將其數(shù)值轉(zhuǎn)化為安全系數(shù)，將σmax=500 N/mm2，σmin=370 N/mm2帶入式(3)求得N，然后將求得的值N帶入式(4)得到抗拉強度各個安全等級的數(shù)值，通過(2)式計算出的安全系數(shù)與式(4)計算出的抗拉強度各個安全等級數(shù)值的比較，確定出屬于那一個安全等級，最后將轉(zhuǎn)化為安全系數(shù)的結(jié)果帶入式(9)得抗拉強度隸屬度矩陣

對于這三個部位的抗拉強度認(rèn)為對閘門的影響程度相同，因此賦予三個部位相同的權(quán)值，取這三個部位的均值得到抗拉強度的評判向量

r3={0.188 0.406 0.406}

(16)

在對腐蝕，焊縫，閘門材料三個影響因素分別計算完成做出評判后，把他們的結(jié)果作為閘門最終評判時的隸屬度向量，得到下式

(17)

3.2 計算權(quán)矩陣

腐蝕易導(dǎo)致閘門面板變薄，應(yīng)力提高[5]，閘門的強度和剛度受到影響，因此賦予較大權(quán)值；焊縫相比閘門材料能夠直觀的表現(xiàn)出來，并且閘門材料一般不會發(fā)生大的改變，因此焊縫相對閘門材料賦予較大權(quán)值。

由表1得判斷矩陣

(18)

對其進(jìn)行相容性判斷，得R(C)≤0.1。將式(18)代入式(11)、(12)，得到評判因素腐蝕，焊縫，材料的權(quán)重向量為

W=(0.648 0.230 0.122)

(19)

3.3 閘門綜合評判

將式(17)和式(19)相乘得到評判矩陣

B=W·R=(0.298 0.380 0.322)

根據(jù)最大隸屬度原則，屬于v2評判集的數(shù)值較大，所以閘門的安全狀態(tài)屬于基本安全。

4 結(jié) 論

(1)本文利用工程實際檢測數(shù)據(jù)，運用模糊綜合評判的方法建立了閘門安全評判體系，通過對閘門重要影響因素的分析，確定出這些因素的隸屬度及權(quán)值，建立多級評判框架。通過工程實例，表明本文閘門安全評判體系合理可行。

(2)通過建立閘門安全狀態(tài)評判體系，為后期進(jìn)一步形成系統(tǒng)、完善的水工金屬結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評判奠定了基礎(chǔ)。