王明俊，饒瑞，陳婉其

（1.廣州市中心區(qū)交通項(xiàng)目管理中心；2.廣州大學(xué)風(fēng)工程與工程振動(dòng)中心）

1 引言

我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，橋梁結(jié)構(gòu)承受的車輛荷載日益增大，而橋梁結(jié)構(gòu)性能卻隨著材料老化、外部環(huán)境變化等因素逐漸降低，故對(duì)橋梁進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的安全評(píng)估非常重要。在信息融合方面，曾麗[1]提出基于節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度的傳感器數(shù)據(jù)融合方法，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)融合精度不高、安全性不高的問題。在融合模型方面，人們基于深度學(xué)習(xí)建立了多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[2-3]。

本文從層次分析法入手，以多源信息技術(shù)收集到的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建分析模型，進(jìn)而對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。本文針對(duì)大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多的特點(diǎn)，融合多源信息，構(gòu)建狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系，從指標(biāo)選取、評(píng)分和權(quán)重計(jì)算三方面展開討論，提出建議，為層次分析法在斜拉橋狀態(tài)評(píng)估中的推廣應(yīng)用提供參考。

2 評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)選取

根據(jù)層次分析法的思想和橋梁結(jié)構(gòu)各部件、構(gòu)件之間的關(guān)系，將大跨徑斜拉橋狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系分為四層：結(jié)構(gòu)層、部件層、構(gòu)件層及局部層（見圖1）。

圖1 斜拉橋指標(biāo)體系

第一層為斜拉橋的結(jié)構(gòu)層。該層指標(biāo)只有橋梁綜合評(píng)估指數(shù)，表征斜拉橋橋梁最終的評(píng)估結(jié)果。

第二層為部件層。對(duì)大跨徑斜拉橋而言，其索塔、斜拉索體系對(duì)結(jié)構(gòu)而言至關(guān)重要。而橋面系的承載能力對(duì)橋梁無直接影響，可歸為附屬設(shè)施。為充分考慮斜拉橋特殊部件的重要性，同時(shí)減輕不重要的非承重構(gòu)件比重，第二層指標(biāo)劃分為主梁、索塔、斜拉索、下部結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施。

第三層則為構(gòu)件層。該層指標(biāo)隸屬于第二層指標(biāo)。例如，隸屬于主梁的有外觀檢查、主梁應(yīng)力、主梁撓度等；隸屬于索塔的有索塔外觀檢查、索塔偏位等；隸屬于斜拉索的有斜拉索外觀檢查及索力等。

第四層為局部層。該層指標(biāo)為第三層指標(biāo)對(duì)應(yīng)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》[4]所描述的各種病害或一組序列指標(biāo)里面具體某個(gè)測(cè)點(diǎn)的值。該層指標(biāo)的選取無硬性規(guī)定，可根據(jù)橋梁的實(shí)際情況選取。

2.2 指標(biāo)分類及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

①定性指標(biāo)，如混凝土破損、索塔偏位、排水情況等，這類指標(biāo)沒有具體的數(shù)值。為此，需先建立等級(jí)與評(píng)分的對(duì)應(yīng)關(guān)系。假設(shè)兩者呈線性關(guān)系，以索塔偏位這一指標(biāo)為例，規(guī)范對(duì)索塔偏位的描述從好到壞分為1～5個(gè)標(biāo)度。設(shè)定標(biāo)度1對(duì)應(yīng)100分，標(biāo)度5對(duì)應(yīng)40分，中間標(biāo)度通過線性內(nèi)插獲得。

②定量指標(biāo)，如裂縫寬度、混凝土碳化深度等，這類指標(biāo)有具體的數(shù)值。該指標(biāo)需要消除單位、數(shù)量級(jí)不同屬性的影響，確定各等級(jí)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)范圍，明確各分值與等級(jí)類的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在每個(gè)等級(jí)內(nèi)，分?jǐn)?shù)按指標(biāo)的具體數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插。

③序列指標(biāo)[5]，如主梁撓度、斜拉索索力等，這類指標(biāo)是一組有具體數(shù)值的序列。由于該類指標(biāo)各個(gè)測(cè)點(diǎn)值是變化的，借用灰色關(guān)聯(lián)分析理論進(jìn)行計(jì)算，用非均勻變化系數(shù)表示曲線之間的相似程度，考慮變權(quán)得到序列數(shù)據(jù)的均勻變化得分值。

2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

建立指標(biāo)體系之后，需計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重反映了部件對(duì)整體橋梁結(jié)構(gòu)的重要性，在工程上常用標(biāo)度法結(jié)合特征向量法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重[6-7]。標(biāo)度是量化定性判斷的一種尺度，利用標(biāo)度可以將主觀的判斷量化，其中常用的標(biāo)度法有1～9標(biāo)度法、指數(shù)標(biāo)度法等。現(xiàn)分別基于1～9標(biāo)度法、指數(shù)標(biāo)度法以下部結(jié)構(gòu)的子構(gòu)件層的權(quán)重計(jì)算為例，結(jié)果如表1。

表1 標(biāo)度法對(duì)比

隨機(jī)一致性比值C.R（Consistent Ratia）能夠反映構(gòu)造矩陣的邏輯一致性，C.R越小，則矩陣的一致性就越好?？傻?，1～9標(biāo)度法和指數(shù)標(biāo)度法的邏輯性都符合要求，但前者的隨機(jī)一致性比值C.R低，表明前者的隨機(jī)一致性優(yōu)于后者。因而本文推薦選取1～9標(biāo)度法作為權(quán)重計(jì)算的方法。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

對(duì)洛溪大橋拓寬工程進(jìn)行實(shí)例分析，本橋布置有溫濕度儀、靜應(yīng)變計(jì)、索力加速度計(jì)、撓度傳感器、GNSS五種傳感器，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度、結(jié)構(gòu)靜應(yīng)變、斜拉索索力、主梁撓度、結(jié)構(gòu)空間變形。后續(xù)橋梁狀態(tài)評(píng)估基于傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2 評(píng)估過程

3.2.1 主梁評(píng)估

從主梁應(yīng)力、主梁撓度及外觀檢查三個(gè)指標(biāo)對(duì)主梁進(jìn)行評(píng)估。對(duì)新建橋梁，其外觀檢查取100分。主梁應(yīng)力、主梁撓度按序列指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，采取均勻變化得分乘以非均勻變化系數(shù)的方法對(duì)單個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)分，由變權(quán)綜合原理對(duì)不同的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行權(quán)重分配。表2為對(duì)左右幅橋Z3主要梁段應(yīng)力及對(duì)左右幅橋主梁內(nèi)外測(cè)點(diǎn)撓度的評(píng)分值。

表2 主梁應(yīng)力、撓度評(píng)估

續(xù)表

對(duì)主梁撓度取外側(cè)點(diǎn)評(píng)分進(jìn)行后續(xù)的主梁評(píng)估。經(jīng)1～9標(biāo)度法計(jì)算得到主梁應(yīng)力、主梁撓度及外觀檢查權(quán)重分別為0.28、0.26、0.46，根據(jù)上述評(píng)分得到主梁最終評(píng)分為97.05。

3.2.2 索塔評(píng)估

索塔評(píng)估主要看外觀檢查和索塔偏位兩個(gè)指標(biāo)評(píng)分。索塔偏位為定性指標(biāo)，為了消除主觀誤差，本文對(duì)索塔的評(píng)定結(jié)合《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》和專家意見扣分值。

對(duì)洛溪大橋4#塔塔頂在一年內(nèi)的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，索塔偏位定性描述為無傾斜變形，評(píng)定標(biāo)度為1，但其實(shí)際位移有偏差，故需進(jìn)行扣分，所以索塔偏位評(píng)分為95分。索塔偏位和外觀檢查的權(quán)重分別為0.6、0.4，索塔最終評(píng)分為97分。

3.2.3 斜拉索評(píng)估

對(duì)斜拉索進(jìn)行評(píng)估從外觀檢查和索力兩個(gè)指標(biāo)評(píng)分。其外觀檢查主要檢查斜拉索、錨具、拉索護(hù)套和減震裝置等。索力按序列指標(biāo)評(píng)估進(jìn)行評(píng)定，經(jīng)計(jì)算左右幅的均勻變化得分分別為98.17、98.42，其非均勻變化系數(shù)分別為0.985、0.984，綜合考慮左右幅索力得到評(píng)分值為96.77。索力和外觀檢查按權(quán)重0.5、0.5分配，得到斜拉索的最終評(píng)分為98.38。

3.2.4 下部結(jié)構(gòu)評(píng)估

下部結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)、橋墩、橋臺(tái)、支座四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，這四個(gè)指標(biāo)均為定性指標(biāo)。對(duì)于本橋評(píng)估，新建橋梁默認(rèn)無相應(yīng)的病害影響，故基礎(chǔ)、橋墩、橋臺(tái)、支座可均取100分。但本橋橋墩處設(shè)置的四個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)顯示橋墩出現(xiàn)一定的沉降，綜合考慮橋墩評(píng)分取95分。根據(jù)上述章節(jié)1～9標(biāo)度法的下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件權(quán)重，結(jié)合各構(gòu)件評(píng)分得到下部結(jié)構(gòu)最終的評(píng)分為98.85分。

3.2.5 綜合評(píng)估

基于本文所討論方法對(duì)該橋進(jìn)行綜合評(píng)估。結(jié)果如下表所示。對(duì)新建橋梁，附屬設(shè)施設(shè)備完好，評(píng)分為100分。根據(jù)討論得到部件層指標(biāo)的評(píng)分，分配權(quán)重之后得到橋梁綜合評(píng)估值，如表3所示。

表3 橋梁整體評(píng)估

橋梁綜合評(píng)分值為98.15，根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》該橋評(píng)估結(jié)果為1類，表明大橋功能完好，與實(shí)際情況吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論了斜拉橋狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)的選取、指標(biāo)評(píng)分和權(quán)重三個(gè)問題，并給出相應(yīng)的評(píng)估案例，以期對(duì)大跨徑橋梁狀態(tài)評(píng)估方法提供思路，得出結(jié)論和建議。

①根據(jù)大跨徑斜拉橋的特點(diǎn)，將其斜拉橋狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系分為四層：結(jié)構(gòu)層、部件層、構(gòu)件層及局部層。

②在計(jì)算定性、定量指標(biāo)得分時(shí)，可按線性內(nèi)插計(jì)算中間等級(jí)或取值對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)；計(jì)算序列指標(biāo)評(píng)分時(shí)，應(yīng)考慮序列內(nèi)各取值的均勻性和關(guān)聯(lián)度。

③利用標(biāo)度法并結(jié)合特征向量計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。本文推薦選取1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，再通過特征向量法計(jì)算權(quán)重。