國內規范的在役混凝土梁橋性能評定方法探析

魏津昌

(廈門大學嘉庚學院土木工程系 福建漳州 363105)

0 引言

我國當前的橋梁性能評估規范有《公路橋涵養護規范》《公路橋梁技術狀況評定標準》和《公路橋梁承載能力檢測評定規程》等。《公路橋涵養護規范》[1]是針對各類橋梁評估和養護的的規范，在對混凝土梁橋的評估中存在部件權重固定，沒有設置規范預定部件的橋梁總評分過高，沒有直接將橋梁評估為五類橋梁的條件等問題?！豆窐蛄杭夹g狀況評定標準》[2]是針對各類橋梁評估的標準，其基本上克服了《公路橋涵養護規范》在混凝土梁橋評估上的不足，能夠比較合理地評估混凝土梁橋的服役性能，但是其評估過程偏重于橋梁的外觀缺損?！豆窐蛄撼休d能力檢測評定規程》[3]涉及到橋梁靜動載試驗，雖然能比較好地評估橋梁的承載能力，但評估費用高且耗時長。綜合來說，我國目前的3個主要規范是從缺損性和承載力角度評估橋梁性能而缺乏對橋梁適用性的探討，其中對于承載力的評估花費較高。

本文參考美國AASHTO橋梁評估規范[4]，采用模糊數學、AHP法和隸屬度函數從橋梁缺損性、承載力和通行能力等多個方面評估橋梁服役性能。研究成果可供橋梁管理部門參考，以更為完善、經濟和快速地了解橋梁的服役情況。

1 單項指標評定體系

在役混凝土梁橋服役性能，可從耐久性、安全性和適用性3個方面來考慮，因此，可以引入缺損性指標、承載力指標和通行能力指標來定量描述在役混凝土梁橋服役性能。

1.1 橋梁缺損性評定

對在役混凝土梁橋進行缺損性評定，實際上是進行耐久性評定。本文結合《公路工程混凝土結構耐久性設計細則》[5]和橋梁各部件失效對橋梁整體性能的影響，將混凝土梁橋不可更換或難更換部件定義為關鍵部件；可更換部件中對橋梁整體性能影響較大的部件定義為次關鍵部件；可更換部件中對橋梁整體性能影響較小的部件定義為附屬部件，部件分類如表1所示。

表1 混凝土梁橋部件分類表

根據表1的分類方法，橋梁的缺損性評分BDI應滿足：

(1)

式(1)中：Ki為橋梁各部件組的權重，i=1,2,3分別表示關鍵部件組，次關鍵部件組和附屬部件組。默認情況下將《公路橋梁技術狀況評定標準》[2]中定義的混凝土梁橋各部件的權重按表1分別進行累加得到K1=0.63；K2=0.27；K3=0.10。Mi(i=1,2,3)為橋梁部件組的評分值，部件組中各部件的評分值為Cj。

(1)對于關鍵部件組，M1=minCj，j=1,2,3,4分別表示關鍵部件中的主梁、橋墩、橋臺、基礎；

橋梁缺損性評分是一個主客觀結合的過程，要獲得評分值，需根據病害情況參考表[2]對橋梁的各個部件評分：即根據病害先確定部件所在的狀態等級，再依據病害嚴重程度評分。

1.2 橋梁承載能力評定

(1)模糊綜合評判原理

設因素集Up={u1,u2,…,um}共有m個因素；備擇集V={v1,v2,…,vn}共有n種評判結果；Ri={ri1,ri2,…,rim}為第i(i=1,2,…,m)個因素對備擇集的隸屬度，rij為第i個因素對于第j(i=1,2,…,n)個評判結果的隸屬度，其中rij∈[0,1]，0表示完全不屬于，1表示完全屬于； 通過專家和隸屬度函數[6]結合的辦法確定。

在綜合評判的過程中，因素集合Up上的模糊子集A={a1,a2,…,am}是考慮各因素對評判結果所起作用大小的度量，其中ai表示第i(i=1,2,…,m)個因素的權重，即單獨考慮因素ui對評判結果所起作用大小的度量。

A的確定方法為AHP法：設因素i下層有q個子因素，用aiek表示因素i下層第e個子因素與第k個子因素相互比較后對因素i的影響程度，此影響程度用1至9共9個級別表示，如表2所示。

將按上面方法得到的q個因素之間的標度qiek，按組成方法Ai=(aiekq×q組成判斷矩陣Ai，并求得其最大病害值及其對應的特征向量。將求得的特征向量歸一化處理，且進行矩陣一致性檢驗[7]：

表2 層次分析法判斷矩陣標度及其含義

(2)

式(2)中，λmax為判斷矩陣的最大特征值；m為因素集因素個數，AHP法中2≤m≤9；RI為判斷矩陣的一致性指標，按表3取值。若CR<0.10，則認為判斷矩陣具備滿意的一致性，權重分配是合理的。否則，要調整判斷矩陣的權重直到滿足CR<0.10的一致性要求。

表3 一致性指標取值表

在確定A和R后進行模糊綜合評判過程為[7]：

(3)

(2)承載能力三級模糊評定

橋梁承載能力評定，實際上是橋梁安全性評定?；炷亮簶虻湫筒『Γ袠蛎驿佈b病害、墩臺病害和主梁(板)病害。在考慮混凝土梁橋整體(或某跨)承載力時，應重點考慮墩臺承載力和主梁承載力。本文將橋梁承載力的三級模糊評判層次表達如圖1所示。

圖1 承載能力三級模糊評定層次圖

其中，一級模糊綜合評判中因素集u21={銹蝕電位、裂縫寬度、電阻率、混凝土強度、碳化深度和氯離子濃度}6個因素，u22={銹蝕電位、裂縫寬度、電阻率、混凝土強度、碳化深度、氯離子濃度和墩臺變位}7個因素。二級模糊綜合評判中，因素集U1={設計水平、施工質量和建材優劣}3個因素；U2={主梁承載力、墩臺承載力和受載后結構變形}3個因素；U3={預防性維護、糾正性維護和意外損失}3個因素。三級模糊綜合評判中，因素集U={建設期、運營期和維護期}3個因素。3個等級的模糊評判備擇集V={很好、良好、一般、差和很差}5種評判結果。

(3)橋梁的承載力評分

承載力評分，用加權平均法考慮所有評判指標的貢獻。為了突出重要性大的因素作用，對評判結果B的各因素B1,B2,…,Bn的平方值進行加權平均。SMi(i=1,2,,5)表示5個承載力等級的評分值中值：97.5，87.5，70，50，20[2]。橋梁承載力BBC為：

(4)

其中，當BDI∈[0,60)、需改變荷載等級的橋梁、遭受重大災害的橋梁等情況下，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》[3]進行荷載試驗進而準確判斷橋梁的承載能力。

1.3 橋梁通行能力評定

橋梁通行能力，實際上是橋梁適用性。交通流量和車輛載荷的不斷增大，對橋梁提出了更高的要求，不僅要求橋梁安全、耐久，還要求行車暢通和舒適。因此，橋梁性能評定，還要考慮包括橋梁泄洪能力、行車穩定性、橋梁美觀性等在內的橋梁通行能力。為了定量表示橋梁通行能力引入幾個指標：

(1)橋梁寬度適應性BWA

(5)

式(5)中：Wb為橋梁寬度和道路寬度中的較小值，單位為m；wr為橋梁寬度和道路寬度中的較大值，單位為m。

(2)橋頭跳車適應性JSC(適用于有限速的大跨徑橋梁)

(6)

式(6)中：d為臺背下沉值，單位為mm；v為車輛行駛速度，單位為km/h。

(3)橋梁高度適應性HSC(適用于大跨徑橋梁)

(7)

式(7)中：h為橋下凈高，H為規范要求的橋下凈高，兩者單位為m。

(4)橋梁長度適應性LSC(適用于大跨徑橋梁)

(8)

式(8)中：l為橋實長，L為規范要求的橋長，兩者單位為m。

(5)橋梁環境適應性BEA

橋梁環境適應性系數BEA,描述橋梁與橋址處自然、人文和社會環境的適應程度，通過專家打分表來確定，如表4所示。

表4 橋梁適應性專家打分表

注：表中“☆”表示專家的打分值。

(6)橋梁行車條件適應性BDC

BDC=K1×BWA+K2×JSC

(9)

式(9)中，K1和K2分別為BWA和JSC的權值，按AHP法確定。

(7)橋梁通過能力適應性BTC

BTC=K3×HSC+K4×LSC

(10)

式(10)中，K3和K4分別為HSC和LSC的權值，按AHP法確定。

(8)橋梁整體通行能力BAE用(6)、(7)、(5)加權平均得到

BAE=K5×BDC+K6×BTC+K7×BEA

(11)

式(11)中，K5、K6和K7分別為BDC、BTC和BEA的權值，按AHP法確定。

2 橋梁性能綜合評定

為了整體上了解橋梁的服役性能，需要定義一個橋梁性能綜合評分值TCI。TCI的計算，考慮對缺損性指標BDI、承載力指標BBC和通行能力指標BAE進行加權求和：

TCI=K8×BDI+K9×BBC+K10×BAE

(12)

式(12)中，K8、K9和K10分別為BDI、BBC和BAE的權值，按AHP法確定。

根據TCI值的大小，對應表5評分值范圍確定橋梁總體性能狀態。橋梁總體性能狀態分為5級：1級為總體性能狀態很好，進行日常養護；2級為總體性能狀態良好，進行小修；3級為總體性能狀態一般，酌情進行交通管制；4級為總體性能狀態差，進行大修或改造并進行交通管制；5級為總體性能狀態很差，進行改建或重建并關閉交通。

表5 橋梁性能綜合評定參考表

3 算例

某混凝土梁橋病害如下，承載力影響因素檢查結果如表6所示。

表6 現有承載能力影響因素檢查結果

(1)主梁存在裂縫總共有116條，其中橫向裂縫4條，其余均為縱向裂縫或斜向裂縫，裂縫長度為30cm～1200cm，寬度為0.03mm～0.2mm；混凝土剝落共出現15處，累計面積2875cm2；蜂窩麻面1處，面積225cm2。橋臺和基礎未見明顯病害。

(2)蓋梁混凝土剝落露筋3處，累計面積600cm2；2處裂縫，裂縫長度為30cm，寬度為0.07mm～0.2mm；2處滲水，病害范圍12000cm2。橋墩墩柱混凝土剝落露筋3處，累計面積800cm2；裂縫11處，縫長為40mm～100cm，縫寬為0.2mm～1.3mm。

(3)橋面鋪裝1處板角斷裂，2處混凝土剝落露筋，面積范圍為1000cm2和23 100cm2。

(4)伸縮縫堵塞和橡膠條損壞達到22%，凹凸不平差1.1cm。

(5)排水設施和橫向聯系未發現明顯病害。

(6)20個支座不密貼，占總數8%。

(7)欄桿大量腐蝕嚴重，總面積達到30%以上。

(8)人行道出現少量坑槽、孔洞、裂縫，總面積約10%。

(9)橋上標志輕微模糊。

(10)其他附屬部件未發現明顯病害。

3.1 橋梁缺損狀況評定

橋梁部件評分如表7所示；橋梁部件組評分如表8所示。

表7 橋梁部件評分

表8 橋梁部件組評分

3.2 橋梁承載力評定

(1)一級模糊綜合評定

使用AHP法，通過分析各因素影響橋梁承載力的相對重要程度并咨詢有關專家，得到主梁承載力因素u21的判斷矩陣A21、墩臺承載力因素u22的判斷矩陣A22如下：

A21存在唯一的最大特征值λmax=6.110，λmax對應的特征向量為WT=(0.408,0.229,0.098,0.057,0.110,0.098)進行一致性檢驗：

(13)

因此，主梁承載力影響因素的權重向量為：

評判備擇集V={很好，良好，一般，差和很差}共有5種評判結果。通過隸屬度函數得到主梁承載力因素u21的隸屬度矩陣R21和墩臺承載力因素u22的隸屬度矩陣R22如下：

對6個主梁和7個橋墩承載力因素進行模糊評判：

(2)二級模糊綜合評定

對建造期3因素、運營期3因素和維護期3因素模糊評判：

(3)三級模糊綜合評定

模糊綜合評定結果為：

計算橋梁承載力：

(14)

3.3 橋梁通行能力評定

橋梁寬度為23m，橋頭兩側道路寬度為17m；臺背下沉值為0mm，行車速度均值為30km/h；橋下凈高為4m，規范要求橋高為4m；橋梁實際長度為209.5m，規范要求的橋長為209.5m?？梢郧蟮肂WA=69.39;JSC=100;HSC=100;LSC=100,專家通過表4打分并取平均值得BEA=85。通過AHP法可得橋梁寬度適應性和橋頭跳車適應性的判斷矩陣為：

3.4 橋梁性能綜合評定

通過AHP法構建橋梁缺損性、承載力和通行能力判斷矩陣：

4 結語

本文從缺損性、承載力、通行能力和橋梁綜合性能4個方面建立混凝土梁橋服役性能評定體系，并通過算例驗證了體系的可行性。該體系對橋梁管理部門進行橋梁性能評定具有參考意義。