快速路高架橋匝道安全評估研究

高 珊，袁 磊

(1.成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106;2.四川華西綠舍建材有限公司，四川 成都 610081)

0 引 言

隨著社會經濟和交通運輸的快速發展，城市快速路高架橋已經成為各大城市交通發展的重要組成部分.然而，根據實際工程檢測發現，高架橋的匝道連接部位，由于其獨特的結構狀態和受力機理，在實際運營過程中產生了許多病害，尤其是近些年的匝道橋頻發橋毀人亡的嚴重事故［1－2］.高架橋匝道結構安全性問題己經引起工程界、橋梁管理部門的關注，建立一種安全有效的高架橋匝道安全評估體系勢在必行.目前，對既有橋梁的損傷評定是一個比較復雜的問題，在橋梁結構損傷評定中存在大量的不確定因素和信息，至今尚無統一的評判標準.然而，影響快速路高架橋匝道橋梁損傷的因素的多樣性以及橋梁結構本身的復雜性，造成了橋梁損傷類型的多樣性和多層性，而僅用少數幾個指標很難反映橋梁損傷的實際情況，需要建立一個完整的評價指標體系.對此，本研究根據獨柱匝道橋梁結構的構造特點，采用AHP 層次分析法，把系統分解成幾個子系統，再對各個子系統建立評價指標體系，分析各個評價指標的損傷等級標準，并對各個指標進行評估，從而建立起一套完整的獨柱匝道橋梁安全評估體系.

1 高架橋匝道安全評估體系建立

1.1 一票否決制

從諸多高架橋匝道安全事故中發現，超載車輛偏載作用下引發支座脫空是引發橋梁梁體側翻整體垮塌的主要因素.因此，在運用獨柱匝道橋安全評估體系對獨柱匝道橋進行安全評估之前，首先要對獨柱匝道橋進行穩定性分析.如果在使用階段偏載、支座沉降及溫度荷載各工況作用下，支座出現負反力，則表示支座在相應荷載組合工況下，有脫空現象，則預示該橋梁在運營階段存在主梁傾覆的可能性.那么，該獨柱匝道橋可直接評定為“壞的”或“危險”狀態，必須進行改造.若在各工況作用下，匝道橋的支座未出現負反力，則可以采用獨柱橋安全評估體系對匝道橋的安全狀況進行進一步的評估［3－5］.

1.2 AHP 法建立快速路高架橋匝道安全評估體系

本研究在原有評估體系研究的基礎上，采用層次分析法(AHP 法)對橋梁結構耐久性、承載力和使用狀況，通過3 個一級子系統建立評估模型進行評價，具體如圖1 所示.評價指標體系是關系到評估結果是否準確可靠的關鍵.

建立了評估體系的層次結構模型，在評估結構狀態之前還必須要確定各層指標之間的相對重要性——權重值，此可以用判斷矩陣來計算.首先，建立指標的兩兩判斷矩陣，然后，對判斷矩陣進行一致性檢驗，最終，確定指標的權重.在綜合評估方法的實際運用中，評估指標還需要考慮均衡性問題，即評估指標的權重應該是變化的.當某一指標水平處于極差的狀態時，應該加大對此指標的重視程度，即加大此評估指標的權重，甚至可以由這個指標判斷結構整體的狀態.因此，進行狀態評估時，應當利用變權原理來反映指標的不均勻性.整個評估的基本流程如圖2 所示.

圖1 快速路高架橋匝道損傷指標層次結構圖

圖2 快速路高架橋匝道橋梁安全評估流程

我國《公路橋涵養護規范》(JTGHll-2004)將橋梁狀態總體技術評定結果分為五類:一類為完好、良好狀態;二類為較好狀態;三類為較差狀態;四類為壞的狀態;五類為危險狀態.為了與我國現行有關規范和標準保持一致，本研究將快速路高架橋匝道安全評估的評語集設為v={v1，v2，v3，v4，v5}={無損傷，輕微損傷，中等損傷，嚴重損傷，破壞性損傷}，并對應上述每一個評語作如下的規定:無損傷為符合國家現行的規范要求，只需日常的清潔保養;輕微損傷為略低于國家現行的規范要求，但不影響安全及正常使用，需進行小修保養;中等損傷為中度不符國家現行的規范要求，已中度影響安全或正常使用，需進行中修;嚴重損傷為較嚴重不符國家現行的規范要求已較嚴重影響安全或正常使用，需進行大修或加固;破壞性損傷為嚴重不符國家現行的規范要求，已危及安全或不能正常使用，必須立即采取措施.

一級模糊綜合評判是對影響快速路高架橋匝道損傷最基本的因子，如混凝土裂縫狀況等C1 ～C14 14 個因子進行評估;對耐久性、承載力、使用狀況等B1 ～B3 進行模糊綜合評判，屬于二級模糊綜合評判范疇.

1.2.1 一級模糊綜合評判.

首先建立單個因素的評價矩陣，然后確立因素集中的各個因子的權重向量，最后對該因素的損傷狀態進行模糊綜合評判.

1.2.2 二級模糊綜合評判.

橋梁損傷的二層次模糊綜合評判是在一級模糊綜合評判得到的耐久性評價向量B1，承載力評價向量B2，橋梁使用狀況評價向量B3 的基礎上，組成單因素評判矩陣，

然后乘以B1、B2、B3 3 個因素所對應的權重向量，A= (a1，a2，a3)，將3 個損傷因素進行二級模糊綜合評判，

在求出B 之后，對評判結果進行歸一化處理，則有，

通過上述給出的橋梁結構各指標的損傷評估等級向量，根據各項損傷對橋梁整體技術狀態的影響確定其權重，從而給出橋梁的總體損傷程度.

2 工程實際應用

分析對象的五鄉互通立交位于寧波繞城高速公路東段，全線長2.55 km，包含8 條互通匝道(見圖3).匝道橋梁上部結構采用預應力混凝土連續箱梁，3～5 跨一聯;下部結構采用鉆孔灌注樁基礎，柱式墩，中墩采用獨柱式，交接墩采用雙柱式，共計有獨柱墩連續箱梁27 聯.現以B 匝道與E 匝道為例進行匝道安全評估.B 匝道橋的計算聯為4 m×20 m 的現澆鋼筋混凝土連續箱梁，橋梁下部結構采用鉆孔樁基礎配以獨柱墩，僅在聯間設有蓋梁，橋臺為U 型橋臺.E 匝道上部結構為4 m×30 m 預應力混凝土連續箱梁，橋面總寬8.5 m.下部結構10 號墩、14 號臺采用雙支座，支座間距3 m，11 ～13 號墩采用獨柱墩［6］.

圖3 五鄉互通立交示意圖

在分析時，首先對獨柱匝道橋進行穩定性分析.本次驗算使用階段的荷載組合為，恒載+預應力效應+汽車荷載(含沖擊力、曲線半徑小于250 m 計離心力)+支座變位+整體升(降)溫+梯度升(降)溫.為安全起見，汽車荷載標準按以下3 種工況進行上部結構抗傾覆驗算.

1)工況1.《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60－2004)公路-Ⅰ級荷載.

2)工況2.1.3 倍公路-Ⅰ級車道荷載.其定義如下:計算在《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60－2004)相關條文規定基礎上，按均布荷載標準值qk乘以1.3 的系數，集中荷載標準值pk 乘以1.3 的系數進行計算，按實際的車道數進行加載.

3)工況3.集裝箱車隊自定義車輛荷載.其定義如下:按1.2 倍的規范、55 t 車輛荷載進行加載計算，車隊縱向的前后輪輪距為10 m，按實際的車道數進行加載.

2.1 工程實例一(一票否決制)

E 匝道采用Midas Civil 建立空間有限元模型(見圖4).經過詳細計算得出E 匝道在不同荷載工況下的支座反力如表1 所示.

圖4 五鄉互通立交E 匝道結構有限元模型

表1 五鄉互通立交E 匝道支座反力計算表

計算結果表明，在3 種工況下E 匝道各支座均有負反力產生，即支座會有脫空現象，則本橋在運營階段存在箱梁整體傾覆的可能性，因此，該匝道橋符合一票否決原則，直接評定其安全等級為差的或危險狀態，必須對其進行改造.

2.2 工程實例二

2.2.1 匝道抗傾覆性驗算.

B 匝道采用Midas Civil 建立空間有限元模型(見圖5).經過詳細計算得出B 匝道在不同荷載工況下的支座反力如表2 所示.

圖5 五鄉互通立交B 匝道結構有限元模型

計算結果表明，在3 種工況下B 匝道支座均出不現負反力，即支座不會有脫空現象，說明B 匝道不存在橋梁傾覆危險.因此，可直接用匝道橋安全評估系統對該橋進行安全評估.

2.2.2 匝道橋安全評估系統的建立.

根據獨柱匝道橋安全評估體系，本研究從耐久性、承載力及橋梁使用狀況3 個方面14 個指標對B匝道橋進行安全評估.分析時，參考浙江省交通科學研究所提供的五鄉互通立交橋定期檢查報告及寧波市交通局提供的相關資料［6］，確定各項評價指標情況，采用Super Decisions 軟件創建層次分析模型(見圖6).以Super Decisions 超級決策軟件中的判斷矩陣為模板，創建調查問卷，將收回的問卷數據輸入Super Decisions 超級決策軟件，獲得該匝道橋各指標權重和隸屬度如表3 所示.

表2 五鄉互通立交B 匝道支座反力計算表

圖6 基于Super Decisions 的層次分析(AHP)模型圖

在權重集及隸屬度確定之后，結合C 級指標的權重，對B 級指標的評價向量進行多級模糊計算，其計算過程及結果如下:

耐久性=(0.22，0.16，0.49，0.13)·

表3 評價指標權重及隸屬度

承載力=(0.17，0.07，0.26，0.33，0.06，0.11)

根據最大隸屬度原則，“耐久性”指標的最大隸屬度值為0.4111，其對應的評語為“良好”;“承載力”指標的最大隸屬度值為0.3511，其對應的評語為“一般”;“橋梁使用狀況”指標的最大隸屬度值為0.346，其對應的評語為“較差”.

根據C 級指標權重與隸屬度計算得出的各個B級指標的評價向量，結合B 級指標的權重，計算評價目標的評價結果，其計算過程及結果如下:

獨柱匝道橋梁安全評估

=(0.0604，0.1961，0.2887，0.3000，0.1548)

根據最大隸屬度原則，在向量(0.0604，0.1961，0.2887，0.3000，0.1548)中，最 大 隸 屬 度 值 為0.3000，其對應評語為“嚴重損傷”.

運用AHP-多級模糊綜合評價法對該獨柱匝道工程項目的總體評價結果為:嚴重損傷，應對其進行維修加固處理.該結論與浙江省交通科學研究院提供的五鄉互通立交橋定期檢查報告中給出的檢測結果一致，表明了本快速路高架橋匝道安全評估體系的正確性和適用性.

3 結 論

本研究針對目前快速路高架橋匝道結構研究中存在的問題，結合快速路高架橋匝道結構的力學特性，明確了影響快速路高架橋匝道安全性的各種因素，采用層次分析法(AHP)建立了快速路高架橋匝道結構的安全評估模型.同時，以寧波五鄉互通立交匝道為工程實例，分別對其B 匝道及E 匝道進行安全評估，驗證了本快速路高架橋匝道結構的安全評估體系的可行性和適用性.

［1］朱漢華，周智輝，等.土木工程結構受力安全問題的思考［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［2］陳慶華.淺析彎梁橋的存在問題及構造設想［J］.四川建材，2007，33(6):19－20 +22.

［3］E.C.漢勃利.橋梁上部構造性能［M］.郭文輝譯.北京:人民交通出版社，1982.

［4］邵容光，夏淦.混凝土彎梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［5］徐秋實.高速公路互通式立交橋安全設計方法研究［D］.北京:北京工業大學，2008.

［6］寧波五鄉互通立交橋梁定期檢查報告［R］.杭州:浙江省交通科學研究院，2010.