基于模糊层次综合评价法的梁桥健康评定方法研究.pdf

'世界桥梁２０１７年第４５卷第２期（总第１８６期）４５基于模糊层次综合评价法的梁桥健康评定方法研究１１２孙强，杜冰清，江姣姣（１．中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京１０００８３；２．台前河务局，河南濮阳４５７６００）摘要：为了对梁桥健康状况等级进行高效合理的评定，针对既有梁桥健康状况评定的问题，提出了将模糊层次综合评价法应用于梁桥评定的方法，即根据梁桥的结构特点建立了桥梁等级评定模型，采用层次分析法和群组判断的思想分别确定梁桥部件和影响因素的权重，基于现行评定标准科学地确定评价指标，利用二级模糊综合评价法评定梁桥的健康状况等级。以汕昆高速K８７＋４８１石角坝大桥为例进行计算，随机抽取汕昆高速公路中某段里程５０座桥梁进行评价。结果表明，该评定模型对梁桥做出的评定等级与现行评定标准基本一致，计算效率高，对梁桥健康评定具有较好的适用性和可靠性。关键词：梁桥；桥梁评定；模糊层次综合评价法；群组判断；等级评定模型中图分类号：U４４８．２１３；U４４７文献标志码：A文章编号：１６７１－７７６７（２０１７）０２－００４５－０５1引言构建更加全面合理的判断矩阵，进一步完善了模型目前，我国桥梁的技术状况评定主要依据现行系统，运用模糊层次综合评价方法，针对常见的梁桥［１］的枟公路桥梁技术状况评定标准枠，在运用现行评建立健康评定模型，确定项目层和指标层各因素权定标准评定桥梁时，需要现场的工作人员对桥梁的重，建立模糊综合评价因素及评价集，根据病害扣分病害和桥梁上各构件进行记录，后期再按照现行评快速得出梁桥的评分，并通过实例验证了模型的可定标准中的公式进行复杂的计算，工作任务重。只行性。有及时发现并评估病害，才能有针对性地对桥梁进［２］行病害计算与加固。近年来，国内外学者就桥梁2梁桥健康评定模型技术状况的评定进行了多方面的探讨，针对现有桥2．1梁桥结构划分与模型建立梁结构状态评估方法提出了基于离散动态贝叶斯网桥梁的整体结构可划分为上部结构、下部结构［３］［４］络的桥梁状态评估方法。于晓光把国内外的健和桥面系。根据模糊数学的层次分析法，结合梁桥［５］康评定规范做了对比并提出改进措施；苏成等以［１］的病害特点，依据现行规范，建立梁桥健康评价的新光大桥健康监测系统为背景提出了在线结构预警［６］项目层和指标层。建立递阶结构模型：①梁桥部件体系；屈兵等在对桥梁的健康状况进行评定时采［７］评定模型（见图１）；②各部件的病害指标结构模型用的层次分析法进行了改进；王学勤等通过对在（见图２）。以评定模型为基础进行进一步计算。役桥梁结构检测与计算分析，对桥梁的整体性能进2．2确定项目层和指标层各因素权重行评价。由此可见，对于受多因素影响的桥梁健康状况，利用模糊数学进行综合评定是一种合适的对于桥梁健康状况评估这样复杂的系统，在运方法。模糊数学是研究模糊现象、利用模糊信息不确［８］定性的数学理论。模糊层次综合评价法将模糊综合评价法和层次分析法相结合，把不确定的信息用定量的方法表示出来，是一种定性与定量相结合的评价模型，一般先用层析分析法确定因素集，然后用模糊综合评判确定评判效果。基于模糊数学评定的基础，本文通过深入研究，图1梁桥部件评定模型收稿日期：２０１６－０８－２６作者简介：孙强（１９６２－），男，副教授，１９８３年毕业于淮南矿业学院矿山建设专业，工学学士，２００６年毕业于中国矿业大学（北京）工程力学专业，工学博士（E‐mail：Sunq＿２０８＠１６３．com）。 ４６世界桥梁２０１７，４５（２）越大相似度越低。用ui来表示第i位专家与其他专家的评定相似度，计算３位专家的相似度为u＝（０．３３３，０．３３４，０．３３４）。2．2．3计算判断差异性第k位专家的差值与所有专家总差值的比值用k［９］差异度表示，可λ信度随其值的增大而降低，随１１其值的减小而增高。计算结果分别为＝３＝λ∑k＝１k２２３σ３σ０．３８１，＝３＝０．λ３１１，＝３＝０λ．３０７。∑k＝１k∑σk＝１k图2上部构件的病害指标结构模型2．2．4计算群组判断中可信度用层次分析法计算桥梁部件和部件各个病害的权重将专家评判的相似性和差异性作为可信度计算时，为了减少个人主观态度对确定部件权重的影响，［９］中的２个变量，用k表示第k位专家的ω可信度。采用了群组判断法客观地反映各因素权重，进而大１１u（１－）大提高评判结果的准确性。群组判断的过程包括计计算３位专家的可信度：１＝３kk＝０．３ω０９，１－∑k＝１u算专家的相似性、计算判断差异性和群组判断中可２２３３u（１－）uλ（１－）信度的计算３部分。２＝３kk＝０．３ω４５，３＝３kk＝１－∑k＝１u１－∑kλ＝１u［１］首先，邀请３位专家根据经验和现行规范，使０．３４７。最终计算出３位专家的可信度＝用层次分析法中的１～９标度法对部件之间的重要（０．３０９，０．３４５，０．３４７）。性做出对比判断，据此构造梁桥部件判断矩阵。通过计算３位专家的可信度，采用加权平均的以梁桥部件权重的计算为例，３位专家的打分方法对３位专家的评判结果进行汇总，计算的梁桥表格式相同，限于篇幅，列出其中一位专家的打分表的部件权重如表２所示。明细（见表１）。各部件底层指标权重的计算与项目层权重的计2．2．1检验矩阵一致性［９］算仍然采用层次分析法，其计算过程与上部结构指用方根法计算项目层每项因素的权重，根据标层计算步骤相同。最后计算得出各层次及对应因计算可得３位专家的判断矩阵一致性指标CI分别为０．０５４、０．０６４和０．０７５，均小于０．１，满足要求。素的权重。以上部结构为例，梁桥上部结构指标层2．2．2计算专家相似性权重如表３所示。［１０］2．3隶属函数的确定与等级评定专家评定结果的相似性是通过计算向量夹角来反映的，夹角越小表示相似度越高，反之，夹角构造适当的隶属函数是模糊数学中模糊集理论表1梁桥部件判断矩阵调查结果（专家１）部件上部构件支座锥坡桥墩桥台墩台基础桥面铺装伸缩缝栏杆护栏排水系统上部构件１３６４３５６６６９支座１／３１４２２３４５７８锥坡１／６１／４１１／３１／３１／４１／３１／２２３桥墩１／４１／２３１２１１／２１４４桥台１／３１／２３１／２１３３４４５墩台基础１／５１／３４１１／３１１２５４桥面铺装１／６１／４３２１／３１１２３３伸缩缝１／６１／５２１１／４１／２１／２１３３栏杆护栏１／６１／７１／２１／４１／４１／５１／３１／３１３排水系统１／９１／８１／３１／４１／５１／４１／３１／３１／３１表2梁桥部件权重结果上部构件支座锥坡桥墩桥台墩台基础桥面铺装栏杆护栏伸缩缝排水系统权重０．２７７０．１７３０．０４３０．０９８０．０９９０．０８０．０９６０．０７２０．０３７０．０２６ 基于模糊层次综合评价法的梁桥健康评定方法研究孙强，杜冰清，江姣姣４７表3梁桥上部结构指标层权重台、桩基础；桥面铺装为水泥混凝土；设计汽车荷载项目层权重指标层权重为公路Ⅰ级。蜂窝麻面（u１１）０．０２４在桥梁的定期检查中发现T梁存在混凝土破剥落露筋（u１２）０．０３１损、露筋现象，横隔板存在混凝土破损、露筋现象，支空洞、孔洞（u１３）０．０３０座脱空、剪切变形，伸缩缝局部存在堵塞现象以及锚保护层厚度（u１４）０．０３９上部构件锈蚀（u１５）０．０８５固区混凝土存在纵向裂缝，防撞墙存在锈胀露筋现０．２７７（u１）碳化（u１６）０．０７８象，右幅泄水孔存在堵塞现象；盖梁存在竖向裂缝和上部强度（u１７）０．１０２结构锈胀露筋以及顶端杂物堆积，梁右侧限位挡块混凝变形（u１８）０．２８９裂缝（u１９）０．２８１土破损。渗水（u１１０）０．０４１3．2综合评价K８７＋４８１石角坝大桥老化开裂（u２１）０．１３０3．2．1构造病害层的判断矩阵支座０．１７３外鼓（u２２）０．１７９［１］（u２）依据现行规范，对桥梁各部位进行详细检查脱空剪切（u２３）０．６９１评定扣分（见表４）。结合上部构件病害扣分结果，［９］应用的基础。设vj与vj＋１为相邻两级的分级标进行上部构件病害隶属度的计算。［１］准，根据现行评定标准构建评语集，得到V＝｛v１由隶属函数公式可得上部构件的病害层的判断（１类），v２（２类），v３（３类），v４（４类），v５（５类）｝，每矩阵为：个等级分别对应的分界限为（１００，９５，８０，６０，４０）。１００００１００００用rij表示某部件的第i个病害对应的第j个等０００．７５０．２５００００．７５０．２５０级的比重，在因素集和评语集的基础之上构造部件１００００１００００病害的评语模糊矩阵R＝（rij）n×５。进行桥梁评价１００００１００００的关键是客观地确定每个层次的权重向量（W）和每１００００１００００个部件对应的病害的评语模糊矩阵（R）。考虑到所R１＝１００００１００００有评价因素和权重系数对评价结果的影响，采用模１００００１００００糊综合评价运算公式（R）×V进行等级评定。模ω°１００００１００００糊层次综合评价法应用于梁桥健康等级评定的流程０００．２５０．７５００００．２５０．７５０如图３所示。０００．７５０．２５００００．７５０．２５０上部构件病害隶属度的计算结果B１＝１R１＝（０．６４７，０，０．１２４，０．２２９，０）。同理，依次计算支座、锥坡等指标层的隶属度，计算结果列出矩阵R如下：０．６４７００．１２４０．２２９００．６４７００．１２４０．２２９００．１７９００．２０５０．６１６００．１７９００．２０５０．６１６０１００００１０００００．５７８００．１３２０．２８００．５７８００．１３２０．２８０图3模糊层次综合评价法应用于梁桥健康等级评定的流程０．５８９００．１４１０．２７００．５８９００．１４１０．２７０R＝１００００１００００3工程实例１００００１００００3．1桥梁概况０．４１５００．４３９０．１４６００．４１５００．４３９０．１４６０K８７＋４８１石角坝大桥位于汕昆高速，其中心桩０００．７５０．２５００００．７５０．２５０号K８７＋４８１；上部结构为预应力混凝土简支T梁，０００．８８５０．１１５００００．８８５０．１１５０单幅单跨７片梁，孔跨布置为６×３０m；桥梁全长为3．2．2综合评定１９２．０m；采用板式橡胶支座、XLF系列伸缩缝；桥根据已计算出的各指标层隶属度，计算桥梁隶墩采用钢筋混凝土柱式墩、桩基础，桥台采用柱式属度B和健康评定分数B×V如下： ４８世界桥梁２０１７，４５（２）表4上部构件病害扣分结果蜂窝麻面剥落露筋空洞、孔洞保护层厚度锈蚀碳化强度变形裂缝渗水扣分值０２５００００００３５２５B＝R＝（０ω°．５７，０，０．１８，０．２５，０）标准得出的分数是接近的，评定等级基本一致，故认B×V＝（０．５７，０，０．１８，０．２５，０）×为该评定方法可行。１００１００９５９５4结语８０８０＝８６．４基于模糊层次综合评价法的梁桥健康评定方法６０６０依据模糊层次综合评价理论，针对梁桥建立出评定４０４０模型，以此进行病害扣分并计算获得梁桥的健康等［１］最终该桥梁的健康评定分数为８６．４。根据现级。评定过程中对于病害的扣分是基于现行标准［１］的，在一定程度上保证了评分的科学性，同时采用群行评定标准可得出该桥梁属于２类桥。该桥梁采［１］组判断法使权重分配更加客观合理。通过对梁桥的用现行评定标准评定的结果为８９．７，按照现行评［１］定标准［１］计算得出桥梁等级与模型计算结果一致，计算结果与现行标准评定结果对比，表明该方法根据计算所得桥梁等级，依照枟公路养护技术规范枠与现行标准计算结论基本一致，验证了基于此模型（JTGH１０－２００９）的要求，对桥梁问题进行处理与评定梁桥健康等级方法的可靠性。该方法对梁桥健养护。康评定，具有广泛适用性，同时采用该方法可有效提为了验证模型的可靠性与通用性，随机抽取汕高梁桥健康评定计算效率。昆高速公路中某段里程５０座梁桥进行评价，其中小参考文献：桥１６座，中桥１２座，大桥２２座。根据模糊层次综合评价法计算得到评定结果，限于篇幅，仅列出其中［１］JTGTH２１－２０１１，公路桥梁技术状况评定标准［S］．［２］詹建辉．某预应力混凝土连续箱梁底板崩裂的加固方案６座梁桥的计算结果（见表５），其中３座梁桥按照现［１］［J］．桥梁建设，２０１６，４６（５）：１０５－１０９．行评定标准计算健康分数为９５分以上，判定为１［３］贾布裕，余晓琳，颜全胜．基于离散动态贝叶斯网络的桥类桥，根据模糊层次综合评价法得到的健康评定分梁状态评估方法［J］．桥梁建设，２０１６，４６（３）：７４－７９．数分别为９４．７分、９３．３分和９３．１分，与现行评定［４］于晓光．国内、外桥梁养护检测规范对比［J］．世界桥标准的评定结果有一定差距，但是比较接近；其余梁，２０１２，４０（２）：５９－６２．４７座梁桥与现行评定标准的评定等级完全一致，完［５］苏成，廖威，袁昆，等．桥梁健康监测在线预警指全一致率达到９４％。由此可见，计算结果表明运用标研究［J］．桥梁建设，２０１５，４５（３）：４４－５０．模糊层次综合评价法计算出的梁桥得分和现行评定［６］屈兵，肖汝诚，仲健，等．基于群决策的改进AHP表5某高速间梁桥的健康评定结果法在桥梁评估中的应用［J］．中南大学学报（自然科学版），２０１５，４６（１１）：４２０４－４２１０．现行评定模糊层次桥名类型标准评价等级综合评价等级［７］王学勤，刘同星，姜自奇，等．基于试验检测与模糊数得分得分学理论的在役桥梁结构安全评价［J］．中外公路，２０１４，丰顺立体交叉SFK０３４（５）：１４７－１５１．大桥９５．１１９４．７２＋２６４匝道桥［８］谢季坚，刘承平．模糊数学方法及其应用［M］．武汉：华K５６＋４６８中桥中桥８７．８２８７．６２中科技大学出版社，２０１３．K５８＋１５９溢溪大桥大桥９０．５２９０．１２［９］储敏．层次分析法中判断矩阵的构造问题（硕士学位K７８＋１９０中桥中桥９７．４１９３．１２论文）［D］．南京：南京理工大学，２００５．K７９＋４５２通道桥小桥９８．７１９３．３２［１０］蒋田勇，龙伟．基于层次分析的石拱桥技术状况评定K８１＋１１５通道小桥９２．５２９２．５２方法［J］．公路交通科技，２０１５，３２（９）：４９－５６． 基于模糊层次综合评价法的梁桥健康评定方法研究孙强，杜冰清，江姣姣４９StudyofHealthEvaluationMethodforBeamBridgeBasedonMulti‐levelFuzzyComprehensiveEvaluationMethod１１２SUNQiang，DUBingqing，J‐IANGJiaojiao‐（１．SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing１０００８３，China；２．YellowRiverManagementOfficeofTaiqianCounty，Puyang４５７６００，China）Abstract：Toefficientlyandrationallyevaluatethehealthstateofbeambridges，amethodofusingmulti‐levelfuzzycomprehensiveevaluationwasproposedinlightoftheproblemsinthehealthconditionevaluationofexistingbeambridges．Inthismethod，thebridgeevaluatingmodelwasestablishedaccordingtothestructuralcharacteristicsofthebeambridge．Themulti‐levelana‐lyticalmethodandtheprincipleofgroupjudgmentwereusedrespectivelytodeterminetheweightsofbeambridgemembersandtheinfluentialfactors．Theevaluatingcriteriawerescientificallyde‐terminedbasedonthecurrentevaluatingstandards，andthetwo‐levelfuzzycomprehensiveevalua‐tingmethodwasusedtoevaluatethegradesofthehealthconditionofthebeambridge．TheShi‐jiaobaBridge（K８７＋４８１）ontheShantou‐KunmingExpresswaywascitedasanexampletodocal‐culationandanumberof５０bridgesonasectionoftheShantou‐KunmingExpresswayweresto‐chasticallychosentoevaluatethehealthcondition．Theresultsindicatethatthegradesmadeac‐cordingtothisevaluatingmodelbasicallyagreewiththecurrentevaluatingstandards．Themethodishighlyefficientandhasgoodapplicabilityandreliabilityinthehealthevaluationofbeambridg‐es．Keywords：beambridge；bridgeevaluation；multi‐levelfuzzycomprehensiveevaluationmeth‐od；groupjudgment；gradeevaluatingmodel（编辑：赵兴雅）'