高速公路橋梁常見加固工程效果評估方法研究

黃相淮，張祖軍

(1.貴州交通科學研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000；2.湖南君科監測技術服務有限公司，湖南 長沙 410000)

1 橋梁加固后效果評估體系的建立

1.1 評估方法的選擇

橋梁加固效果的后評估，本質上也是屬于橋梁技術狀態評價的范疇。對于在役橋梁加固后評估，國外僅有少量研究，但總體處于起步階段。而由于我國橋梁加固技術發展的時間不長，經驗較少，因此橋梁加固后的評估尚處在基本的空白狀態。

根據目前的國內外現有的橋梁技術狀態評估理論的狀態來看，橋梁加固效果后評估采用分層綜合法是最佳選擇，基于可靠度分析的評定法雖然先進，尚不能在實際很好的應用。因此，本文采用分層綜合法進行橋梁加固后效果的評價。

1.2 評分體系的建立

對加固工程項目進行劃分是對加固效果評定的前提。一個加固工程項目從開工到完工要經過許多施工工序和階段，只有每一工序和階段、工程的各個構件和各組合部分達到規定的質量水平，才能保證整個加固工程項目達到規定的質量水平，實現加固目標，達到理想的加固效果。因此，把加固工程項目按逐級分層、相互獨立的原則劃分，分成評估指標層、類別層、目標層三個層次，如表1所示。如有需要，在評估指標層還可進一步設定子層。以評估指標層的基本指標為基本單位，運用加權平均法計算出類別層的評價分值，逐級評定，最后實現對整個加固工程項目加固效果的全面評定。

2 橋梁加固后效果評估評分方法

2.1 結構拆解方法

由于橋梁結構的復雜，各個構件、部件之間的差異性較大。在加固工程中一座橋梁可能在多個部件或者多個構件處存在多種加固方法(在此我們稱之為單項加固工程)。因此，有必要對橋梁結構拆解，利用加權平均法求得整個橋梁結構的加固效果后評估的評分方法。

表1 橋梁維修加固效果檢驗評價工程劃分

本文僅針對高速公路常見橋梁(主要為組合式梁橋)以及常見加固方法。橋梁加固后評估將從各指標層出發，分別得到單項加固工程的耐久性、安全性以及適用性評價評分。而后依次得到構件，部件，上部結構、下部結構、橋面系，橋梁整體的評分。結構層次評價方法如圖1所示。

圖1 橋梁加固工程評定指標

2.2 指標層權重確定方法——層次分析法

本文擬采用層次分析法計算指標層的權重，具體步驟如下。

(1)構造判斷矩陣

在建遞階層次架構體系后，根據上下層之間的隸屬關系，構造判斷矩陣以上一層次某因素為準則，它對下一層次諸指標有支配關系，通過兩兩比較下一層次諸指標對上一層次某因素的相對重要性，并賦予一定的分值q，建立比較判斷矩陣，如表2所示。

表2 判斷矩陣一般形式

表中：Ai(i=1，2，…，n)表示處于同一層次上的隸屬于同一因素X的各項指標；aij(i=1，2，…，n)表示各指標Ai和Aj相對于因素X的重要程度的標度，aij滿足性質：(1)aij>0；(2)aij=1/aji；(3)ajj=1。

分值Ck的確定采用Saaty教授提出的判斷矩陣標度法。常見的標度方法有9標度和3標度等，本文采用的為9標度的方法，如表3所示。通過比較兩因素之間的相對重要性，確定標度分值，將其兩兩比較后的評分矩陣作為判斷矩陣。

表3 判斷矩陣9標度法定義及說明

(2)計算步驟

根據專家的意見或通過專家打分的方式，建立研究對象的評定體系比較矩陣，判斷矩陣給出方式如上所述，這里不再給出。

利用專家評分給出的判斷矩陣，計算其對應的傳遞矩陣C=(cij)n×n

C=lgA

(1)

即：cij=lgbij

計算傳遞矩陣C的最優傳遞矩陣D=(dij)n×n

(2)

建立擬優一致性矩陣

(3)

(4)

歸一化處理求權重，用式(5)表示

(5)

A中每一列元素求和，用式(6)表示

(6)

計算λmax的值，用式(7)表示

(7)

2.3 結構層次權重的確定以及指標層權重的確定

(1)單項加固工程權值的確定

根據上述層次分析法，經過廣泛調研，計算得出各單項加固工程權值。如表4及表5所示。

表4 上部結構構件單項加固工程評分權重表

表5 下部結構構件單項加固工程評分權重表

在實際橋梁加固工程中，可能只包括上述其中幾項單項加固工程，這時實際工程中的權重分布可按式(8)進行計算。

(8)

即將未包含加固項目權重分配給實際包含加固項目。

(2)其他結構拆解權值的確定

部件權重可按表6進行取值。

表6 高速公路常見橋梁各部件權重值

上部結構、下部結構以及橋面系權值如表7所示。

表7 高速公路常見橋梁各結構權值

(3)各指標層權值的確定

耐久性控制指標的權重如表8所示，安全性控制指標的權重如表9所示，適用性指標的權重如表10所示。

表8 耐久性控制指標權重表

表9 安全性控制指標權重表

表10 適用性控制指標權重表

2.4 結構層次評分的計算方法

單項加固工程的評估評分法如式(9)所示。

單項加固工程評估評分=∑(控制指標權重×控制指標評分)

(9)

構件加固工程的評估評分法如式(10)所示。

構件加固工程評估評分=∑(單項工程權重×單項工程評分)

(10)

部件加固工程的評估評分法如式(11)所示。

部件加固工程評分=構件評分均值-(100-所含構件最低分值)/t

(11)

t的取值可按照文獻中表4.1.2的方法進行計算。

橋梁上部結構、下部結構、橋面系的加固工程耐久性評分可按式(12)計算。

橋梁上部結構(下部結構或橋面系)=∑(部件評分×部件權重)

(12)

橋梁總體加固工程耐久性評估評分計算方法如式(13)所示。

橋梁總體加固評分=各部結構評分×各部結構權重

(13)

根據各類別層所含的指標層評估評分可計算出各類別層單項加固工程的評估評分。依據單項加固工程的評估評分即依次可計算出橋梁構件、部件、各部分結構以及橋梁整體評估評分。

3 橋梁加固后耐久性評估方法研究

對于不同的單項工程，需要選取不同的檢驗項目作為控制指標的下層評價指標。通過參考相關規范，對表4及表5中的單項加固工程進行耐久性的評估。評估時分別得到各單項加固工程的設計吻合度、外觀質量以及施工質量的評分。由于篇幅限制，以上三項控制指標的評分細則不在此處一一列舉。這里以裂縫表面封閉工程為例進行說明，表11～表13分別為裂縫表面封閉工程設計吻合度指標、外觀質量檢驗指標和施工質量指標的評分細則表。在對控制指標依次評分后，利用式(9)即可得到單項加固工程的評分。而后依次評價結構構件、部件、各部結構以及橋梁整體的耐久性評價評分

表11 裂縫表面封閉工程材料吻合度檢驗

表12 裂縫表面封閉工程外觀質量檢驗

表13 裂縫表面封閉工程評價表

4 橋梁加固后安全性評估方法研究

4.1 安全性評價指標

加固效果的安全性評價方面，選取由涉及加固安全方面的基礎指標進行評價，包括承載力提高率評價、活荷載分擔率評價以及剛度變化率評價等三個方面。以上三個安全性指標的定義可參考文獻中的詳細描述。本文中承載能力提高率用Kc表示、活載分擔率用KH表示、剛度變化率用KG表示。

4.2 安全性指標評價評分流程

在安全性指標評價評分時，首先利用原結構基于檢測的理論計算結果以及原結構加固設計理論計算的結果可以得到各控制指標的理論計算值。由于計算所得的承載能力提高、活載分擔率以及剛度變化率均為理想狀態下的設計理論值。然而，加固工程由于設計、施工、現場環境等影響，會導致加固后的橋梁狀態與設計值產生偏差。因此，需要利用耐久性方面的控制指標(設計吻合度、外觀質量以及施工質量指標)對安全性指標進行修正。而后利用評分計算公式，計算各安全性指標的評分。最后可以利用式(10)或式(11)得到構件或部件加固工程的安全性評價評分。

圖2 各指標評價評分計算流程

4.3 耐久性對安全性的影響修正

修正后的承載能力提高率、活載分擔率、承載能力提高率可表示為

KCx=ηe·(KC+1)

(14)

KHx=ηe·KH

(15)

KGx=ηe·(KG+1)

(16)

式中：K·x—修正后的安全性指標；ηe—修正系數；K·—計算得到理論安全性指標。

修正系數可表示為

ηe=0.9+(αmaxλmin+αminλmax+αmidλmid)/1 000

(17)

當α1+α2+α3中存在一項值小于60時，即在所得的ηe中減去0.05；當α1+α2+α3存在兩項小于60時，即在所得的ηe中減去0.07；當存在三項小于60時，即在所得的ηe中減去0.1。

4.4 安全性評價評分方法

Kx修正后的安全性指標。當Kx=0時，評分可為0；當Kx=1時，評分可為60；當K=n時(n為該項加固方法對應的安全性指標極值)，評分可為100。利用分段函數建立橋梁加固后各指標的評分計算函數。可得

(18)

式中：y—剛度變化率提高的評分。

5 橋梁加固后安全性適用性評估方法研究

5.1 適用性評價指標

加固效果的適用性評價方面，選取由涉及加固適用方面的基礎指標進行評價，包括加固材料利用率及運營檢驗效果兩個方面。

(1)加固層利用率KJ的定義為加固后控制截面加固層的最大荷載效應與其承載能力之比

(19)

加固材料利用率的耐久性影響修正方法與上節中關于安全性指標修正方法一致。

(2)運營檢驗效果。根據不同的橋梁類型，提供對原結構病害在現場運營荷載條件下的加固效果評價，反映加固后整體的效果。

5.2 適用性評價評分方法

(1)加固層利用率評分

由于加固方法的不同，加固層的最高利用率亦不同。因此，加固層利用率的最高值是由加固方法的不同而進行取值的。設加固工程的最高加固層利用率為KMmax，(0

(20)

(2)運營檢驗效果評分

可根據現場檢驗的實際情況，對橋梁加固后原病害的調查進行評分。運營效果檢驗評價評分總分為100分，可根據實際情況進行打分。

6 結 論

(1)根據現行可靠度設計標準以及分層綜合法，將橋梁加固工程效果評價分為三個層面的評價——安全性、耐久性以及適用性。并且根據各層面的含義不同，將它們再次分為不同的指標層。建立起橋梁加固工程效果評價體系。

(2)在《公路橋涵技術狀況評定規程》的基礎上，本文提出了一套適合于橋梁加固后評估的結構拆解方法。并利用此方法建立了加固后結構層次分析評價評分體系及評分方法。

(3)在層次分析評分方法研究中，本文利用層次分析法提出了加固效果各級指標以及結構層次的合理權值。

(4)提出了包括結構耐久性、安全性以及適用性各項指標的評價評分方法。

(5)在以往研究中，結構耐久性、安全性以及適用性的評價是平行獨立的。然而實際中，結構性的降低會導致安全性及適用性不同程度的受到影響。因此，在本文中，針對橋梁加固工程安全性及適用性的評價考慮了加固工程耐久性的影響。

通過本文的研究，提出一套針對高速公路常見橋梁及常見加固方法的加固后效果評估方法。本方法結合了現行規范以及加固工程的特點，適用性強，適合廣泛的工程評估人員使用，能在將來切實的運用到實際的橋梁加固后評估中。