基于監測數據的預應力混凝土梁施工質量評價

吳小平，阮映輝，陳岳飛，劉志文，張英杰

（1.浙江省公路與運輸管理中心，浙江 杭州 310009；2.浙江臺州市沿海高速公路有限公司，浙江 臺州 318000；3.湖南大學風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；4.湖南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410082；5.長沙旭輝房地產開發有限公司，湖南 長沙 410082）

0 引 言

隨著我國交通基礎設施建設的持續推進，高速公路建設項目管理信息化要求日益提高。高速公路建設項目具有規模大、投資數額大、技術要求高、參建單位和人員多等特點，采用傳統的工程項目管理方法無法及時更新動態信息，管理效率和質量均難以滿足要求。因此，如何結合現代信息技術對工程質量和施工管理水平進行合理評價是高速公路建設管理面臨的一個重要問題。

國內外許多學者針對基礎設施建設的施工質量評價方法和體系開展了大量的研究工作。在高速公路施工質量評價方面，Zambrano等開展了路基壓實施工質量監控研究，提出路基先進密實質量控制方法（advanced compaction technology,ACT），實現了路基壓實過程中的自動監測控制技術[1]。盧曉紅從評價指標體系構建、指標篩選方法、標準化方法和權重確定四個方面，對道路交通建設項目評價指標體系進行了深入分析與總結。最后以廣西水任至南寧高速公路環境質量評價為例進行了實證分析[2]。杜鵬以公路建設項目目標評價指標和評價方法的構建為主，建立了模糊綜合評價模型[3]。蘇燕將層次分析方法與模糊評價方法相結合，建立了多層次模糊綜合評價方法，對北京市蓮花池項目進行了實例分析[4]。張穎紅等將模糊可變評價模型應用于鋼筋混凝土施工質量評價中，建立了鋼筋混凝土施工質量模糊可變評價模型，采用模板工程、鋼筋工程、混凝土工程的施工質量作為評價指標來評價鋼筋混凝土施工質量。結果表明：模糊可變評價模型誤判率低，識別正確率高[5]。張瑋等采用模糊綜合評價方法建立了公路施工質量評價體系，建立評價模型的評判集，并對云南某高速公路整體施工質量進行了評價[6]。郭月紅等在模糊層次分析法基礎上，提出“比例法”來代替隸屬度函數法確定隸屬度矩陣，并以實際工程為例進行驗證。結果表明：比例法以實際檢測結果為基礎，構造的隸屬度矩陣與橋梁施工質量真實情況較符，消除了隸屬度函數法給評價結果帶來的主觀性影響[7]。仇志明將模糊數學、層次分析法與德爾菲專家法相結合建立了鋼筋混凝土梁施工質量綜合評價指標體系（Fuzzy Analytic Delphi，FAD），并結合塔韓鐵路大罕臺川特大橋鋼筋混凝土梁進行分析，對該工程鋼筋混凝土梁質量進行了評價，評價結果與現場實際情況吻合較好[8]。

重大水利水電基礎設施施工質量控制關系大壩安全，常規質量控制手段由于人為干擾大，管理粗放，難以確保填筑碾壓過程質量，因此，如何準確、合理評價大壩的施工質量也受到許多學者關注。馬洪淇等針對常規人工控制手段難以確保高心墻堆石壩施工質量，以及高強度連續施工下高混凝土壩施工進度難以實時控制等問題，提出了大壩填筑碾壓實時監測技術、壩料運輸實時監控及施工質量動態信息PDA實時采集技術等，提出了網絡環境下數字大壩系統集成技術[9]。鐘登華等針對混凝土壩振搗施工質量評價問題，提出了基于雙測距儀聯合測距的混凝土振搗施工質量實時監控方法，建立了考慮混凝土特性參數不確定性的混凝土振搗質量動態評價模型[10]。

本文在綜述國內外基礎設施施工質量評價方法的基礎上，依托浙江沿海高速公路臺州段信息化平臺監測數據，將層次分析法與模糊評價方法相結合，建立了預應力混凝土梁施工質量評價方法，并針對浙江沿海高速臺州段主要標段混凝土梁施工質量進行評價。

1 信息化管理平臺簡介

為了提升施工管理水平、確保工程建設質量，根據浙江沿海高速公路臺州段工程項目管理信息化的實際需求，建立了以物聯網、移動終端、二維碼等信息技術為特征的工程建設信息化綜合管理平臺。該信息化綜合管理平臺包括6大管理系統、9大監測系統，“6+9”管理模式讓工程質量管理與控制從“事后監管”轉向“事中監管”，從被動監測變為主動監管；各種數據的實時采集、分析匯總，可有效避免偷工減料與數據造假，并可有效提升管理效率與水平。

2 預應力混凝土梁施工質量評價體系

2.1 評價指標確定

預應力混凝土梁廣泛應用于高速公路橋梁工程中，如何確保預應力混凝土梁的施工質量是高速公路項目建設管理的重要內容之一。預應力混凝土梁施工質量評價中涉及的主要影響因素為混凝土強度、鋼筋強度、以及預應力張拉力和養護等條件，所涉及的影響因素相對較少，且各因素之間總體相互獨立，為此可采用層次分析法（AHP）進行指標與權重的確定。根據預應力混凝土梁的特點，基于浙江沿海高速臺州段信息化綜合管理平臺的監測數據，結合《公路工程質量檢驗評定標準第一冊土建工程》（JTG F80/1—2017）的相關規定，結合專家咨詢法（問卷調查）和層次分析法來確定預應力混凝土梁施工質量評價體系目標層、準則層和指標層，即預應力混凝土梁施工質量評價的三個一級指標為混凝土強度、鋼筋強度、預應力張拉誤差率，每個一級指標包含合格率、變異系數及平均值與目標值之比三個二級指標，表1為預應力混凝土梁施工質量評價指標。

表1 預應力混凝土梁施工質量評價指標

2.2 權重系數確定

各評價指標權重的確定對于評價方法具有重要影響，權重系數確定是否合理將直接影響評價結果的可靠性與有效性。

權重系數的確定方法大致有如下三大類：分別是主觀賦權法、客觀賦權法、以及主客觀綜合集成賦權法。主觀賦權法主要依賴專家知識經驗進行主觀判斷來確定指標權重，常用的方法有專家估測法、層次分析法、二項系數法與環比評分法。客觀賦權法主要通過對樣本數據分析來計算出權重，主要的方法有變異系數法、多元統計法、向量相似度法、灰色關聯度法、熵值法、粗糙集法以及神經網絡法等。主客觀綜合集成權重法將主觀、客觀權重確定的優勢結合而成的一種權重確定法[11]。綜合考慮，本文采用第一類方法主觀賦權法中的專家估測法來確定各指標權重系數。在參考《公路工程質量檢驗評定標準第一冊 土建工程》（JTG F80/1—2017）的基礎上，通過設計調查問卷的方式，采用專家咨詢法確定準則層和指標層對應的指標，再結合專家咨詢法和層次分析法確定指標權重。表2為根據專家估測法確定的預應力混凝土梁施工質量評價一級指標及二級指標權重系數。

表2 預應力混凝土梁施工質量評價指標權重系數

評價預應力混凝土梁施工質量的一級指標分別為混凝土強度、鋼筋強度和預應力鋼筋張拉誤差率。樣本數據絕大數都在合格以上，因此若僅以合格率來評價則不具有區分度，故綜合考慮將各一級指標劃分為合格率、變異系數及平均值與設計值的比值三個二級指標進行評價。考慮到大多數測量值基本符合正態分布特征，故采用正態分布方法來劃分等級，基于Matlab軟件編寫了數據分析處理程序，對樣本數據進行正態分布曲線擬合，并計算樣本數據的均值、標準差、變異系數、合格率和超限概率值等。預應力混凝土梁混凝土強度、鋼筋強度與預應力鋼筋張拉三個一級指標對應的二級指標等級取值限值匯總分別見表3~表5。

表3 混凝土強度二級指標評價等級限制值匯總

表5 預應力鋼筋張拉誤差率二級評價指標等級限制值匯總

表4 鋼筋強度二級指標評價等級限制值匯總

2.4 模糊綜合評價

根據表3~表5確定的評價等級，對各評價等級進行分數賦值，以實現對預應力混凝土梁施工質量的最終量化評價。根據評價對象，按照確定的評價標準，建立評價 集v=｛v1，v2，v3，v4，v5｝，其 中v1，v2，v3，v4，v5分別對應各二級評價指標的評價等級中優、良、中、差和不合格，表6為各評價等級對應的分數表。

表6 各二級評價指標評價等級對應的分值表

3 工程實例

3.1 工程概況

依托浙江省沿海高速公路工程臺州段進行預應力混凝土梁施工質量評價，浙江沿海高速公路臺州段是國家“十二五”規劃要求加快建設的國家高速公路網（“7918”網）的組成部分，是長三角區域規劃中要求加快改擴建的甬臺溫高速公路的復線。浙江沿海高速臺州段全線有TJ9、TJ10、PPP1、PPP2、TS09~TS17共13個施工標段。

3.2 TJ 9標段模糊綜合評價

3.2.1 混凝土強度

浙江臺州沿海高速公路信息化管理系統共對全線TJ9、TJ10、PPP1、PPP2、TS09-TS17共13個施工標段進行了監測，各標段生產的混凝土等級為C15-C55，每個標段采用的混凝土等級各不相同，且每種等級混凝土試塊的數量也不盡相同。對于數量較多的情況，進行正態性檢驗，采用Matlab軟件進行正態分布曲線的擬合，最后給出樣本數據的均值、標準差、變異系數、合格率和超限概率值等；對于數量較少的情況，不具有正態性，但計算其均值、標準差、變異系數、合格率等。

以TJ9標段設計強度等級為C50的混凝土試塊立方體強度數據為樣本進行分析，該樣本數據立方體抗壓平均強度達到C50以上，即50 MPa為合格，同時為了避免造成浪費，規定其上限值不能高于設計強度的20%，即60 MPa，共有660個監測數據。為判斷樣本數據是否符合正態分布，首先采用Matlab軟件中的Normplot函數對其進行檢驗，結果見圖1（a）。由圖1（a）中可知該樣本數據符合正態分布。進而采用Matlab對其進行正態分布擬合，結果見圖1（b）。根據擬合的正態分布曲線可知，樣本均值為fc=57.3 MPa，標準差fcσ=1.87 MPa，變異系數CV=0.033，合格率為96.4%，超出最大限值（即60 MPa）的概率值為4.14%，在50～60 MPa之間的概率為92.23%，見圖1（c）。根據該方法進而可求得各標段混凝土立方體抗壓強度平均值、標準差及變異系數等，表7所示為TJ9標段不同等級混凝土立方體抗壓強度對應的統計參數匯總。

圖1 TJ 9標段C50混凝土立方體抗壓強度正態分布檢驗與擬合

表7 TJ 9標段不同標號混凝土立方體28 d抗壓強度統計參數匯總

3.2.2 鋼筋屈服強度

全線各標段的鋼筋直徑為6.5～32 mm共12種規格，其中直徑為6.5～10 mm鋼筋采用HPB300，其屈服強度為300 MPa；直徑為12～32 mm鋼筋采用HRB400，其屈服強度為400 MPa。考慮到鋼筋的屈服強度實驗值與規定的屈服強度之比不大于1.3，即HPB300鋼筋屈服強度的范圍是300～390 MPa，HPB400鋼筋屈服強度范圍是400～520 MPa。鋼筋屈服強度實測值符合正態分布的特性，用Matlab軟件進行正態分布曲線的擬合，最后給出樣本數據的合格率、均值、標準差和變異系數等。現取第TJ9標段φ28 mm鋼筋屈服強度實驗數據作為樣本數據進一步加以說明。該樣本數據的屈服強度要求滿足400-520 MPa為合格，數據共有26個。圖2為鋼筋屈服強度正態分布檢驗與擬合曲線，由圖2可知，鋼筋屈服強度數據符合正態分布。TJ9標段φ28 mm鋼筋屈服強度等級評價匯總見表8。由表8可知，TJ9標段φ28 mm鋼筋屈服強度評價等級情況為：優秀占92.50%、良好占7.5%、中等、較差占和不合格均為0，按最大隸屬度原則，評價結果為優。

表8 TJ 9標段φ28 mm鋼筋屈服強度等級評價匯總

圖2 TJ 9標段鋼筋屈服強度正態分布檢驗與擬合

3.2.3 預應力鋼筋張拉誤差率

根據預應力鋼筋施工技術標準，確定采用預應力鋼筋張拉伸長量與理論伸長量的相對誤差來評價預應力張拉施工質量，且規定誤差率的合格范圍不超過±6%。預應力鋼筋張拉的誤差率總體上滿足正態分布的特點，用Matlab進行正態分布曲線的擬合，最后給出樣本數據的合格率、均值、標準差和變異系數等。現取第TJ9標段的預應力鋼筋張拉誤差的數據作來分析，該樣本數據共有2 716個，為判斷樣本數據是否符合正態分布的特性，首先采用Matlab軟件中的Normplot函數對樣本數據進行正態性檢驗，見圖3。由圖3可知，預應力鋼筋張拉誤差率符合正態分布，根據擬合的正態分布曲線，得到樣本數據的均值為1.328 3%，標準差為3.585 3%，合格率為88.3%。TJ9標段預應力張拉等級評價匯總見表9。由表9可知，TJ9標段預應力張拉誤差率評價等級情況為：優秀占0.0%、良好占70%、中等、較差占和不合格分別30%、0.0%和0.0%，按最大隸屬度原則，評價結果為良好。

表9 TJ 9標段預應力鋼筋張拉誤差率等價評價匯總

圖3 TJ 9標段預應力鋼筋張拉誤差率正態分布檢驗與擬合

3.2.4 施工質量綜合評價

以TJ9標段為例進行預應力混凝土梁施工質量綜合評價，各二級評價指標對應的等級隸屬度見表10，表11為TJ9標段預應力混凝土梁施工質量綜合評價結果匯總。由表11可知，TJ9標段的施工質量評價為：優秀占69.79%、良好占22.71%、中等占7.5%、較差占0%，不合格占0%，按最大隸屬度原則，評價結果為優。

表10 指標層對應的不同等級的隸屬度

表11 準則層對應的不同等級的隸屬

按照最大隸屬度原則可知，TJ9標段的預應力混凝土梁施工質量等級為優；按照不同等級對應的分值進行進行模糊綜合打分，可知TJ9標段的預應力混凝土梁施工質量最終分值；兩者評價結果一致，均為優秀，表明該標段預應力混凝土梁施工質量為優。

采用上述方法，對其他標段預應力混凝土梁施工質量進行評價，圖4為2017年下半年和2018年上半年14個標段橋梁施工質量綜合評價結果圖。由圖4可知，浙江沿海高速臺州段不同施工標段預應力混凝土梁施工質量總體為優良。

圖4 浙江沿海高速臺州段不同施工標段預應力混凝土梁施工質量評價結果

4 結論

以浙江臺州沿海高速公路工程信息化管理系統監測數據為依托，進行了預應力混凝土梁施工質量評價體系研究，得到如下主要結論：

（1）采用層次分析法與模糊數學相結合的方法，建立了預應力混凝土梁施工質量評價體系，結合專家問卷調查確定了對應的評價指標和權重系數；

（2）基于監測數據對預應力混凝土梁施工質量評價體系中的各二級指標參數進行了統計分析，對其施工質量進行了模糊綜合評價；

（3）浙江沿海高速臺州段不同施工標段預應力混凝土梁總體施工質量優良，各標段評價結果與該工程質量檢測結果基本相符。