結合AHP和BN的橋梁樁基破壞評估模型構建及應用

李向玉

(貴州順康檢測股份有限公司,貴州 貴陽 550000)

橋梁樁基是橋梁建設中不可或缺的一部分,它們是構成橋梁框架的重要基礎結構,負責橋梁的承載、抗震、抗滑、抗拉等功能。然而,由于樁基受到外力的影響,樁基的破壞是大多數橋梁結構的主要破壞模式,直接影響橋梁的安全性和穩定性[1-2]。因此,研究和開發準確高效的橋梁樁基破壞評估模型是保證橋梁安全穩定性的現實需求。許方安等[3]通過理論分析和現場試驗,分析了水利工程基坑開挖對臨近橋梁樁基的影響,并提出了相應的防治措施。李煉[4]通過實地測量,研究了樁基施工對高鐵隧道的影響情況,利用有限元法建立了施工時的結構受力模型,以確保施工的安全、可靠和高效。胡瀟等[5]對橋梁樁基施工質量控制措施進行了分析,提出了一系列有效的方法,來保證橋梁施工質量。基于批量歸一化(Batch Normalization,BN)的橋梁樁基破壞評估模型應用及研究,將應用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)結合批量歸一化對研究所確立的橋梁樁基破壞評估指標進行分析,并針對不同地質條件,建立對應的橋梁樁基破壞模型,以實現樁基損傷系數的精確評估。該評估模型應用于橋梁樁基破壞評估,能夠幫助工程師更好地了解樁基破壞的原因和影響因素,從而更好地采取預防措施。此外,此次研究的新穎性在于采用層次分析法和貝葉斯網絡相結合的方法構建新型評估模型,將定性和定量相結合,可以更準確地評估樁基破壞的風險,并可以為工程師提供預防樁基破壞的建議和措施。

1 工程概況及樁基病害檢測方法與模型構建

1.1 工程概況及試驗探測方法

新星大橋位于龍惠高速段的丘陵區,中部為丘間谷地,主要為魚塘、水庫;兩側橋臺附近為丘陵低山,山體高大、山坡較陡。橋址兩端位于山坡上,山坡較陡,植被發育,場區有鄉村土路與外界相通,交通條件較差。橋位區地面標高約33.5～89.6 m。場區地貌上屬于丘陵地貌單元區。結合橋位處地形、地質和場地條件等特點,考慮工程的安全性、經濟性、施工可行性、景觀性要求,橋型方案左幅上部結構采用(3×35+5×20+5×20+5×20+4×20+4×20+4×20+1×20)m預應力混凝土先簡支后連續小箱梁,折合整幅橋長671.1 m。橋跨起點樁號為K44+156.4,終點樁號為K44+827.5,中心樁號為K44+492.5;右幅上部結構采用(3×35+3×20)m預應力混凝土先簡支后連續小箱梁,折合整幅橋長177.2 m。下部橋墩采用圓柱墩;橋臺采用圓柱臺及肋板臺,伸縮縫均采用80型。本橋平面分別位于圓曲線(起始樁號:K44+156.36,終止樁號:K44+371.286,半徑:1 530 m,右偏)、緩和曲線(起始樁號:K44+371.286,終止樁號:K44+621.286,參數A:618.466,右偏)和直線(起始樁號:K44+621.286,終止樁號:K44+827.54)上,縱斷面位于R=25 000 m的豎曲線上;墩臺徑向設置。橋梁交角為90°,橋臺背墻前側線、橋墩中心線與道路設計線的右偏角為90°。因為此次檢測所處地區的水深并不是很深,而且在水中的能見度也比較高,在對經濟效益和檢測的可用性進行了全面的考量之后,此次檢測最終采用了一種可以進行河底探摸和水下拍照的檢測方式[5-7]。

該試驗探測采用40臺攝像機構成河底構造表面觀察系統,它能夠迅速地獲取到河底探測的影像,與常規的河底拍攝系統相比較,它顯著地提升了對探測數據進行分析和處理的效率,而且具有很好的現場適應能力,對測試技術的需求也不高,適用于這次的測試。樁基礎沖刷測深點的布置采用固定的徑向網格模式,測深點之間間距≤1 m,樁基礎沖刷測深點總數為128點;樁基礎樁孔護筒測深點布置采用雙螺旋線形布置,測深點之間間距≤1 m,樁基礎樁孔護筒測深點總數為128點。本次檢測除了上述的河底探摸和水下拍照檢測外,還采用了X射線照相檢測和河底鋼筋檢查技術,以保證橋梁構件的安全性。針對橋梁構件,采用X射線照相技術,可以清楚地看到構件內部的結構,從而有效排查構件的缺陷。而河底鋼筋檢查則可以準確地檢測出橋梁構件的鋼筋混凝土強度,以及構件的銹蝕情況,以確保橋梁的安全性。測點分布如圖1所示。

圖1 樁基礎沖刷測點布置方式

由圖1可知,樁基礎沖刷測深點的布置,為固定的徑向網格模式,測深點之間間距≤1 m。其在3點鐘、6點鐘、9點鐘以及12點鐘四個方向分別均勻排布有6個樁基礎沖刷測點。

1.2 水下樁基病害損傷評估模型構建

為了更好地對新星大橋的樁基病害進行準確評估,研究提出構建新型的樁基病害損傷評估模型并進行評價。在進行特定的數學模型構建前,通常要對原始數據進行一個規范化處理(Normalization),然后將規范化的數據用于模型構建和分析。研究選取的標準化方法為批量歸一化(Batch Normalization,BN)。這是由Google在2015年提出的一種算法,用于解決深度神經網絡中的梯度消失/爆炸問題,以及在數據建模時對大批量的數據進行歸一化處理,并加速網絡的訓練過程。BN的主要思想是在每一層的輸入數據上執行歸一化操作,使其落入一個穩定的分布中,從而消除參數之間的依賴關系,從而加速網絡的訓練過程。BN表達式如公式(1)所示。

(1)

式中:x為輸入數據;mean為批次數據平均值;std為樣本方差;gamma為縮放比例;beta為平移參數。

在對數據進行歸一化處理后,選用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)對大橋水下樁基病害損傷進行評估。層次分析法是一種以定性和定量為基礎的多目標決策分析方法,將與決策有關的因素分解為目標、準則、方案等層次,實現了對決策的定量化。層次分析法是根據兩個反差系數的相關性來構造B類判斷矩陣,并確定兩者間的相關性。

利用B的屬性對矩陣進行計算,判定其相容性,該方法的具體實現方法為利用和積法對各個列的因素進行規范化處理,得出各因子的一般項如公式(2)所示。

b1=b2/∑bn

(2)

式中:bn為第n個因素,b1、b2為第一個因素和第二個因素,∑bn為第一個因素和第二個因素之間的總和。

利用B類判斷矩陣,根據計算結果,評價各因素的相關性,判斷決策的可行性。層次分析法有助于提高工程決策的效率,能夠找出最優解,有助于把握復雜問題的發展趨勢,提高決策的科學性和質量。大橋水下樁基病害損傷評估指標,具體如表1所示。

表1 橋梁樁基破壞綜合評價體系架構

表1列出了橋梁樁基病害損傷評估指標的框架,包括4個一級指標和9個二級指標,其中橋墩、橋臺、基礎和附屬構造分別包括5、1、4和1個二級指標。判斷矩陣的數值是對每個評估因素的相對重要性最直觀的反映,數值的大小尺度及對重要性的響應如表2所示。

表2 矩陣判定標度及其含義

表2中的矩陣判定標度表示不同評估因素之間的相對重要性。

2 基于批量歸一化和層次分析法的橋梁樁基破壞評估應用效果分析

針對新星大橋橋梁樁基破壞評估進行應用效果分析,采用基于批量歸一化和層次分析法,對橋梁樁基破壞評估進行深入研究。選取80組橋梁數值做評估研究。在歸一化步驟中,選取沖刷深度h來進行歸一化效果的評估。

如圖2所示,將沖刷深度h數據矩陣進行歸一化處理后得到數據柱狀圖,從圖中可知,經過歸一化處理后的數據,均在[0,1]之間分布,且其排布層次感更加鮮明,經過預處理后的數據矩陣,不但去除了數據中的白噪聲,而且將高斯白噪聲剔除,使其接近于無干擾狀態。因此,基于批量歸一化和層次分析法的橋梁樁基破壞評估應用效果較好,評估精度高,可靠性強;批量歸一化技術可以消除原始數據中的影響因素,有效控制評估結果的變異性,提高評估精度。利用MATLAB分別建立不同類型的評估模型,并由10名專家對不同級別的評估因子進行對比,得出不同級別的評估結果,計算出不同級別的判定矩陣的最大特征值與最大特征根之間的正規化矢量,并驗證判定矩陣的相容性。具體如表3所示。

表3 指標層權重結構表

圖2 沖刷深度h進行歸一化處理前后效果對比

表3顯示了橋梁樁基破壞評估模型的指標層權重結構。從總指標層上看,橋墩占有最大的比重,占總比重的38.6%,其次是橋臺占21.1%,基礎占23.5%,附屬構造占16.8%。在一級指標層上,墩身水平位移、墩身垂直位移、混凝土表面破損、水下墩身裂縫寬度和水下墩身裂縫深度的權重分別為20.9%、20.4%、19.8%、18.6%和20.3%;在基礎一級指標層上,沖刷深度、基礎變形程度、基礎表面破損和其他病害程度的權重分別為31.4%、20.6%、29.4%和18.6%。以標準層次為基礎,可以求出最優化的綜合權值。在二級指標層上,按照現有的評定標準,橋臺和附屬構造的權重均為1。經過計算后,隨機一致性比率CR2=0.0292<0.1,表明一致性測試通過,接受所求得的比較矩陣與權值系數。因此,橋梁樁基破壞評估模型的指標層權重結構完整、清晰,為橋梁破壞評估模型提供了有力的支持。基于上述指標層權重結構,可以求出橋梁樁基破壞評估模型的綜合權值。根據現有的評價標準,在每個一級指標層上,可以計算出最優化的綜合權值。這樣,就能夠得出橋梁樁基破壞的綜合評價,為橋梁的管理和維修提供有效的參考。為了進一步探究橋梁樁基在河水沖刷時的穩定性,選取不同水位、不同滲透率以及不同水位下降速率來對橋梁樁基的穩定性進行分析,如圖3所示。

圖3 不同影響因子條件下對橋梁樁基損傷系數的影響程度

由圖3(a)可知,隨著水位的增加,橋梁樁基的損傷系數由降低到增加,當水位高度為1～4 m時,損失系數由1.285下降為1.238; 當水位高度為4～7 m時,損失系數由1.238上升至1.296。由圖3(b)可知,初始條件下,橋梁樁基的損傷系數隨著滲透率的增加而增加,且其損失系數由0.5%滲透率時的1.138上升至3.0%滲透率時的1.289。經過6個小時的強降雨,會導致橋梁樁基的損傷系數的降低。所以在水平方向滲流系數低于豎直方向時,降水對橋梁樁基的影響更大。由圖3(c)可知,水位高度在6 m以下時,不論水位下降速率維持在哪種水平,其損傷系數并未發生太大變化。初始損傷系數為1.0～1.2,若水位>6 m時,其斜率出現了驟增的現象,損傷系數驟升至1.5～1.7。當水位升到9 m 時,橋梁樁基的損傷系數已經達到1.67。在橋梁樁基破壞評估中,滲透率、水位及水位下降速率均為重要的影響因素。

3 結 論

以新星大橋為例,對構建的新型樁基損壞評估模型在實際中的應用進行了分析。經過計算,隨機一致性比率CR2=0.0292<0.1,證明一致性測試符合要求,接受所求得的比較矩陣與權值系數。因此,橋梁樁基破壞評估模型的指標層權重結構完整、清晰。此外,通過實證分析還發現,在橋梁樁基破壞評估中,滲透率、水位及水位下降速率均為重要的影響因素。