劉銳生

(廣東能達(dá)高等級公路維護(hù)有限公司， 廣東 廣州 510030)

隨著公路橋梁服役年限的延長，橋梁不可避免地出現(xiàn)各種病害，需采取必要的維修加固措施。對公路橋梁加固維修方案進(jìn)行評價(jià)，有利于決策者選擇合理的加固方案，消減人為主觀評價(jià)帶來的誤差。而影響橋梁加固方案選擇的因素很多，以往研究采用層次分析法、模糊綜合評判法等對加固方案進(jìn)行評價(jià)，以不同方式構(gòu)建橋梁加固方案決策模型。但這些方法存在決策方法單一且非一致性問題，同時(shí)部分加固決策理論與實(shí)際加固應(yīng)用存在脫節(jié)的情況，盡管研究人員給出了評判方法與計(jì)算步驟，但部分模型仍存在計(jì)算復(fù)雜的情況。為解決上述問題，該文基于模糊數(shù)學(xué)理論，建立專家調(diào)查+層次分析法的服役橋梁維修加固方案模糊綜合評價(jià)體系，從初步考慮經(jīng)濟(jì)性與安全性可行方案中優(yōu)選最佳加固方案，達(dá)到加固服役橋梁技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工便捷的目標(biāo)。

1 既有橋梁維修備選方案確定

如圖1所示，先根據(jù)服役橋梁的功能性要求(主要包括橋梁凈空是否滿足車輛通行、航道要求，橋面凈空及高程是否滿足斷面設(shè)計(jì)及路線縱斷面要求)進(jìn)行評判，對于不滿足功能性要求的服役橋梁，進(jìn)行拆除重建或改造利用。對于功能性滿足要求的服役橋梁，對其安全性和技術(shù)狀況進(jìn)行評定，兩者均較好者直接利用；安全性不滿足或技術(shù)狀況較差者，對其進(jìn)行二次評估，確定服役橋梁加固維修方案。最后從施工期的經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度、交通影響、環(huán)境影響和運(yùn)營期的安全適應(yīng)性、養(yǎng)護(hù)工程量、耐久性、美觀性等方面對橋梁加固方案進(jìn)行綜合比選，確定最優(yōu)橋梁加固方案。

圖1 公路服役橋梁綜合利用方案的初步擬定流程

現(xiàn)階段橋梁加固方案較多，基本可分為加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)、增加或更換橋梁構(gòu)件、改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系3種。橋梁常用加固方法有粘貼碳纖維、粘貼鋼板、預(yù)應(yīng)力鋼絲繩+聚合物砂漿加固、體外預(yù)應(yīng)力加固、橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固、改變結(jié)構(gòu)體系等。佛開(佛山—開平)高速公路車流量大，交通繁忙，對其加固方式的選取應(yīng)考慮對現(xiàn)有交通的影響。在常用加固方式中，改變結(jié)構(gòu)體系、橋面補(bǔ)強(qiáng)加固等均需封閉交通，對正常交通出行影響較大。同時(shí)加固方案還需結(jié)合服役橋梁實(shí)際抗彎、抗剪和技術(shù)狀況等綜合考慮確定。綜合考慮，佛開高速公路橋梁加固主要考慮粘貼碳纖維、粘貼鋼板、橋面補(bǔ)強(qiáng)層3種方案(見圖2)。

圖2 佛開高速公路橋梁加固備選方案

2 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

傳統(tǒng)的層次分析方法具有簡潔、實(shí)用、系統(tǒng)性和適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但對各指標(biāo)賦權(quán)時(shí)存在諸多不足，受主觀因素影響較大，評價(jià)結(jié)果的客觀性和合理性尚待商榷。專家調(diào)查法具有主觀、定性的特點(diǎn)，涉及評估指標(biāo)過多時(shí)，專家對指標(biāo)的認(rèn)識(shí)程度、指標(biāo)之間相互重要程度取值存在不確定性，且單一專家評判受主觀因素的影響較大，如評判者背景、偏好或?qū)υu判對象的了解程度都可能影響評價(jià)結(jié)果的客觀性。專家調(diào)查+層次分析法采用群組決策的方式代替單一專家評判，構(gòu)造判斷矩陣時(shí)邀請多位專家進(jìn)行評判。各專家以上一層次指標(biāo)為準(zhǔn)則對下一層次各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，獲得以區(qū)間數(shù)構(gòu)成的不確定性判斷矩陣，采用最優(yōu)傳遞矩陣的方法，在最優(yōu)(最小二乘)的意義下調(diào)整人們認(rèn)識(shí)中的不一致性，確定一個(gè)擬優(yōu)一致矩陣，以此作為確定各指標(biāo)權(quán)重的依據(jù)。佛開高速公路橋梁加固方案采用專家調(diào)查+層次分析法，結(jié)合模糊綜合評判法進(jìn)行模糊評價(jià)，評價(jià)體系建立流程見圖3。

圖3 橋梁加固方案評價(jià)體系建立流程

結(jié)合佛開高速公路既有橋梁的維修特點(diǎn)建立綜合評價(jià)指標(biāo)體系，其由方案層、準(zhǔn)則層、目標(biāo)層組成(見表1)。首先對模型中的目標(biāo)層進(jìn)行評估計(jì)算，最后對方案層進(jìn)行綜合評估。主要對指標(biāo)進(jìn)行定性、定量評估，其中定量指標(biāo)是有具體數(shù)據(jù)的硬指標(biāo)，主要以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法律要求為依托，以實(shí)地調(diào)研、綜合評估等形式確定評價(jià)等級。對于定性指標(biāo)，主要根據(jù)實(shí)際狀況結(jié)合主觀意識(shí)來評估，邀請20位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，通過專家打分的形式確定評價(jià)等級。

表1 佛開高速公路既有橋梁維修方案綜合評價(jià)指標(biāo)

3 佛開高速公路橋梁維修方案綜合評價(jià)

3.1 計(jì)算隸屬度矩陣

依據(jù)高速公路服役橋梁維修方案評價(jià)內(nèi)容，將維修方案分為5個(gè)評價(jià)等級(見表2)。

表2 高速公路服役橋梁維修方案評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

20位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍Ψ痖_高速公路服役橋梁加固方案評價(jià)指標(biāo)體系中的二級指標(biāo)(目標(biāo)層)進(jìn)行打分，得出評價(jià)指標(biāo)不同等級的比例分布，繼而得到隸屬度矩陣。以加固方案一為例，其單因素指標(biāo)隸屬度見表3。

由表3得評價(jià)指標(biāo)的隸屬矩陣如下：

表3 加固方案一不同評價(jià)指標(biāo)的單因素指標(biāo)隸屬度

3.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

對項(xiàng)目的一級和二級風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行兩兩比較評分，將各自打分結(jié)果進(jìn)行整理，采用加權(quán)平均的方法得出各指標(biāo)的權(quán)重。

(1)A-B層次判斷矩陣計(jì)算。在A準(zhǔn)則下，兩兩判斷確定第一層判斷矩陣(見表4)。對該矩陣進(jìn)行歸一化，結(jié)果見表5。計(jì)算得：矩陣最大特征根λmax=2,一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI=(λmax-n)/(n-1)=0(n為階數(shù)),隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI=0(RI為隨機(jī)一致性指標(biāo))，CR<0.1，判斷矩陣具有一致性。

表4 A-B層次判斷矩陣

表5 A-B層次判斷矩陣歸一化結(jié)果及指標(biāo)權(quán)重

(2)B1-C層次判斷矩陣計(jì)算。在B1準(zhǔn)則下，兩兩判斷確定第二層判斷矩陣(見表6)。對該矩陣進(jìn)行歸一化，結(jié)果見表7。計(jì)算得：λmax=4.071,CI=0.023 7,CR=0.026<0.1，判斷矩陣具有一致性。

表6 B1-C層次判斷矩陣

表7 B2-C層次判斷矩陣歸一化結(jié)果及指標(biāo)權(quán)重

(3)B2-C層次判斷矩陣計(jì)算。在B2準(zhǔn)則下，兩兩判斷確定第二層判斷矩陣(見表8)。對該矩陣進(jìn)行歸一化，結(jié)果見表9。計(jì)算得：λmax=4.031,CI=0.010 3,CR=0.011 5<0.1，判斷矩陣具有一致性。

一級指標(biāo)及二級指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重值見表10。對應(yīng)權(quán)重集為：

表8 B2-C層次判斷矩陣

表9 B2-C層次判斷矩陣歸一化結(jié)果及指標(biāo)權(quán)重

表10 佛開高速公路既有橋梁維修方案綜合評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

3.3 模糊綜合計(jì)算

對方案一進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，設(shè)評價(jià)向量為μi(i=1，2,3，4,5)，得：

μ1=w1×R1=(0.52,0.38,0.09,0.03,0)

μ2=w2×R2=(0.42,0.38,0.13,0.07,0)

佛開高速公路既有橋梁維修方案綜合評價(jià)指標(biāo)μ為：

μ=WR=W(μ1μ2)T=

評語集為：V=(一級，二級，三級，四級，五級)

根據(jù)最大隸屬度原則，A=max(μ)=0.49，對應(yīng)評價(jià)等級為一級，即方案一的綜合評價(jià)結(jié)果為優(yōu)。

同理得方案二、方案三的綜合評價(jià)結(jié)果分別為：

對應(yīng)評價(jià)等級分別為一級、二級。從最終隸屬度值可得方案一為最佳加固方案，方案二次之。

4 結(jié)語

影響服役橋梁維修加固方案評價(jià)的因素主要有施工期間的經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度、交通影響、環(huán)境影響和運(yùn)營期間的安全適應(yīng)性、養(yǎng)護(hù)工程量、耐久性、結(jié)構(gòu)美觀性。以佛開高速公路橋梁加固方案為例，對粘貼碳纖維、粘貼鋼板、橋面補(bǔ)強(qiáng)層3種橋梁加固方案采用模糊層次分析法進(jìn)行識(shí)別及評估，得粘貼碳纖維為最佳加固方案，粘貼鋼板方案次之。結(jié)合該項(xiàng)目橋梁病害及特點(diǎn)，最終對“佛開高速公路部分橋梁耐久性維修工程及涵洞病害維修整治工程TJI標(biāo)段”中的橋梁采用粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固、粘貼鋼板加固這兩種方案。