鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估方法研究

徐 斌（江蘇潤揚(yáng)交通工程集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州225003）

1 緒論

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各地均大量修建了以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的橋梁，隨著這些橋梁的使用，由于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性病害而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的，并且耐久性問題會(huì)越來越嚴(yán)重。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是基于材料耐久性的進(jìn)一步深化。混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時(shí)間的推移，材料逐漸老化和結(jié)構(gòu)性能劣化，出現(xiàn)損傷甚至損壞，這是一個(gè)不可逆過程。它不是直接由力學(xué)因素引起的。首先是混凝土材料的物理化學(xué)作用的結(jié)果，繼而影響到建筑物的使用功能和結(jié)構(gòu)的承載力下降，最終會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。我國既有以混凝土為主體的結(jié)構(gòu)在數(shù)量上居多，所以混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題就顯得更加突出。受地理、氣候環(huán)境影響，存在著“南銹北凍”的耐久性破壞特征。華北地區(qū)氣候嚴(yán)寒，混凝土結(jié)構(gòu)往往表現(xiàn)為凍融破壞；而我國南方地區(qū)，氣候普遍濕熱，常受海洋環(huán)境的影響，往往導(dǎo)致混凝土碳化和氯離子侵蝕，從而引起鋼筋銹蝕。

本文主要內(nèi)容是從整體上運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論研究既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，并且比較好地實(shí)現(xiàn)耐久性評(píng)估和剩余使用壽命預(yù)測(cè)的結(jié)合。

2 鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估方法

既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估方法[8]是伴隨著建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估理論發(fā)展起來的。傳統(tǒng)的既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估主要是應(yīng)用層次分析法，將影響橋梁耐久性的因素層次化，形成一個(gè)多層的、每層包含若干組影響因素的體系，在影響因素體系建立之后，一般采用專家意見調(diào)查確定各層次各影響因素的權(quán)重。有了整座橋梁的耐久性評(píng)估體系及各層影響因素的權(quán)重，再通過各種檢測(cè)手段確定底層各影響因素的狀態(tài)，應(yīng)用綜合性評(píng)估方法(基于設(shè)計(jì)規(guī)范的方法、專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)定法、可靠度理論等)計(jì)算出其他各層影響因素的狀態(tài)，最后得到一個(gè)表示橋梁耐久性的綜合損傷值。

以往通常使用的鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估方法有：1）外觀調(diào)查評(píng)估法2）專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法3）基于設(shè)計(jì)規(guī)范的方法4）現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)法5）層次分析法6）基于可靠度理論的方法。

由于影響既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多而且包含了大量的不確定性，因此傳統(tǒng)的既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估方法在某種程度上并不能給出確切結(jié)論，不能很好的滿足實(shí)際評(píng)估需要。

近幾年來，在模糊理論基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的各種既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估技術(shù)可以彌補(bǔ)以上不足，擴(kuò)大了既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估工作的內(nèi)涵及外延。可以說應(yīng)用模糊理論技術(shù)的既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估技術(shù)是新一代既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的模糊綜合評(píng)估

自從可靠度引入土木工程以來，許多學(xué)者一直在探索如何運(yùn)用可靠度來評(píng)估結(jié)構(gòu)的耐久性，發(fā)展了以傳統(tǒng)的概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的可靠性理論。運(yùn)用這些方法對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行評(píng)估是比較理想的，但在具體評(píng)估結(jié)構(gòu)的耐久性問題時(shí)，不僅由于體系可靠度理論的不成熟，并且在如何界定耐久性極限狀態(tài)和耐久性失效方面存在很大的爭(zhēng)議。

模糊數(shù)學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展，使人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評(píng)估中，可對(duì)無法直接用計(jì)算來表現(xiàn)和利用的信息，在參考專家意見和考慮維修費(fèi)用、失效后果等方面因素后，使之?dāng)?shù)量化(即賦予一定的隸屬度)，用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行有關(guān)的推理運(yùn)算，得出結(jié)構(gòu)的破損狀態(tài)。

本文在對(duì)已有的各種結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估方法進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，擬將評(píng)估等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)，給出服從梯形或半梯形分布的隸屬函數(shù)，來確定構(gòu)件耐久性影響因素對(duì)各個(gè)等級(jí)的隸屬度。本方法可用于多種類型的橋梁評(píng)估，具有普遍性。對(duì)既有鋼筋混凝土橋梁耐久性評(píng)估大致分為實(shí)際調(diào)查、耐久性檢測(cè)和進(jìn)行耐久性評(píng)估3個(gè)部分。

3.1 模糊綜合評(píng)估模型

本文基于層次性原則，參照現(xiàn)行《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[3]，將橋梁結(jié)構(gòu)劃分成上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系及附屬設(shè)施3個(gè)組成部分。對(duì)橋梁耐久性評(píng)估的最低層次-構(gòu)件，采用如下方法劃分：

（1）上部結(jié)構(gòu)：

梁：以一個(gè)孔徑、一根為一構(gòu)件。

板：現(xiàn)澆板以一個(gè)自然間面積為一構(gòu)件；預(yù)制板以一塊為一構(gòu)件。

拱圈、架等：以一塊為一構(gòu)件。

支座：以一個(gè)支座為一構(gòu)件。

（2）下部結(jié)構(gòu)：

橋墩及基礎(chǔ)：以單個(gè)橋墩及基礎(chǔ)為一構(gòu)件。

橋臺(tái)及基礎(chǔ)：以單個(gè)橋臺(tái)及基礎(chǔ)為一構(gòu)件。

錐坡、護(hù)坡：以一自然間的一面為一構(gòu)件。

調(diào)治構(gòu)造物：按照危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)[3]第4.1條劃分。

（3）橋面系及附屬設(shè)施：

伸縮縫：以一個(gè)計(jì)算高度、一個(gè)伸縮縫為一構(gòu)件。

橋頭與路堤連接部：以一個(gè)連接部為一構(gòu)件。

橋面鋪裝：以一個(gè)自然間面積為一構(gòu)件。

人行道：以一個(gè)自然間面積為一構(gòu)件。

欄桿、護(hù)欄：以一個(gè)自然間一軸線單面長度為一構(gòu)件。

3.2 模糊綜合評(píng)估步驟

影響既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，因此，在對(duì)既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行模糊綜合評(píng)估時(shí)，采用多級(jí)模糊綜合評(píng)估比較合適。本文采用三級(jí)模糊綜合評(píng)估方法。

第一級(jí)評(píng)估：依據(jù)各影響因素，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行耐久性評(píng)估。

第二級(jí)評(píng)估：在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的組成部分進(jìn)行耐久性評(píng)估。

第三級(jí)評(píng)估：在對(duì)組成部分進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)估。

3.2.1 確定橋梁評(píng)估對(duì)象各個(gè)層次的因素集

對(duì)被評(píng)估的對(duì)象（既有橋梁結(jié)構(gòu)）進(jìn)行分析，將既有橋梁結(jié)構(gòu)分為l個(gè)組成部分，每個(gè)組成部分分為m個(gè)構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件有n個(gè)影響因素，即：

U=[U1，U2，…，Ul]

Ul=[Ul1,Ul2…,Ulm]

Ulm=[Ulm1,Ulm2,…,Ulmn]

根據(jù)圖1所示的模糊綜合評(píng)估模型，建立模糊綜合評(píng)估的因素集。其中調(diào)治構(gòu)造物是指為引導(dǎo)或改變水流方向，使水流平順地通過橋孔以減緩水流對(duì)橋位附近河床、河岸的沖刷而修建的水工構(gòu)造物。如：導(dǎo)流堤、梨形壩、長堤、丁壩、順壩、截水壩等。本文將其歸入下部結(jié)構(gòu)。

圖1 模型評(píng)估綜合模型

3.2.2 確定橋梁耐久性等級(jí)的評(píng)估集

V=[V1，V2，…,VJ]

無論評(píng)估層次和影響因素有多少個(gè)，其所引起的評(píng)估集只有一個(gè)集合，因此對(duì)結(jié)構(gòu)、組成部分、構(gòu)件以及影響因素來說，其評(píng)估集都是相同的。為了與我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)保持一致，根據(jù)橋梁的耐久性差異，可將既有橋梁的耐久性分為良好、較好、較差、差、危險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)，即：

V =[V1,V2,V3,V4,V5]=[良好、較好、較差、差、危險(xiǎn)]

表1 既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性等級(jí)的模糊劃分

3.3 建立隸屬函數(shù)

隸屬函數(shù)是模糊集合最基本的概念，可以用隸屬函數(shù)來定義模糊集合。在評(píng)估等級(jí)集V中，對(duì)任一集合VJ∈φ(u)，就確定了一個(gè)從u到uvj的一個(gè)映射：

任一從u到uvj(u)的映射uvj，都惟一確定了一個(gè)子集：Vj= {u|u vj(u)=uvj}

Vj以u(píng)vj為其隸屬函數(shù)，Vj的隸屬函數(shù)在u處的值即為u對(duì)Vj的隸屬程度。

3.4 建立因素權(quán)重集

在模糊綜合評(píng)估中，因素的權(quán)重至關(guān)重要，尤其像橋梁系統(tǒng)耐久性，影響因素多，同層次之間、各個(gè)影響因素之間的相對(duì)重要程度，往往難以把握，即使依賴專家經(jīng)驗(yàn)，也難以排除人為因素的影響。它反映了各個(gè)因素在綜合評(píng)估中所占有的地位或所起的作用，直接影響綜合評(píng)估的結(jié)果。

本文運(yùn)用層次分析法確定初始權(quán)重后，提出了對(duì)第一級(jí)評(píng)估權(quán)重根據(jù)影響因素實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正的更加合理確定權(quán)重的方法。對(duì)第三級(jí)評(píng)估權(quán)重，把變權(quán)原理引入到評(píng)估中，對(duì)模糊綜合評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析處理，再根據(jù)最大隸屬度確定被評(píng)估對(duì)象的等級(jí)歸屬。對(duì)第二級(jí)的權(quán)重未加處理，采用專家給出的初始權(quán)重。

3.5 一級(jí)模糊綜合評(píng)估

這是對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件層次的模糊綜合評(píng)估，也是既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性綜合評(píng)估的最基本、最重要的部分。由于對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的三級(jí)模糊綜合評(píng)估是按影響因素、構(gòu)件、組成部分、整體結(jié)構(gòu)的層次順序由下向上逐級(jí)進(jìn)行的。前一級(jí)模糊綜合評(píng)估的結(jié)果是后一級(jí)綜合評(píng)估的輸入數(shù)據(jù)，即后一級(jí)綜合評(píng)估的結(jié)果正確與否是由前一級(jí)模糊綜合評(píng)估決定的，因此最底層因素的模糊綜合評(píng)估是對(duì)既有橋梁耐久性模糊綜合評(píng)估的基礎(chǔ)，它的評(píng)估結(jié)果正確與否對(duì)整個(gè)既有橋梁耐久性的最終評(píng)估起著至關(guān)重要的作用。

假定論域

Ulm為欲評(píng)估的鋼筋混凝土構(gòu)件(如：上部主要承重構(gòu)件，上部一般承重構(gòu)件，橋臺(tái)及基礎(chǔ)，橋墩及基礎(chǔ)等)的全體。在論域Ulm中隨機(jī)抽取一組樣本進(jìn)行檢測(cè)，然后依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，首先對(duì)影響其耐久性的各影響因素進(jìn)行單因素評(píng)估，例如對(duì)上部主要承重構(gòu)件U11進(jìn)行評(píng)估，U11=[鋼筋銹蝕，混凝土碳化，氯離子侵蝕，混凝土強(qiáng)度，混凝土裂縫，混凝土破損]，根據(jù)因素集U11中單因素的隸屬函數(shù)，確定單因素U11n的評(píng)估等級(jí)的隸屬度由此得出第n個(gè)因素的單因素評(píng)估集，同理依次求得各個(gè)因素的評(píng)估集，這樣就得出上部主要承重構(gòu)件的評(píng)判矩陣。

最后，根據(jù)獲得各構(gòu)件的評(píng)估矩陣和相應(yīng)的權(quán)重向量，利用模糊合成運(yùn)算法則，便可求出各構(gòu)件耐久性的模糊綜合評(píng)估結(jié)果。

對(duì)于既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估，其運(yùn)算式為：

式中：i—因素?cái)?shù)，i=1,2,...,n；

j—評(píng)估等級(jí)，j=1,2,3,4,5；

ai—因素Ui的權(quán)重；

rij—因素Ui隸屬于Vij等級(jí)的程度；

bj—評(píng)估結(jié)果隸屬于Vj等級(jí)的程度；

這種模糊綜合評(píng)估模型的特點(diǎn)是在決定各因素的評(píng)估對(duì)等級(jí)Vj隸屬度bj時(shí)，保留了單因素評(píng)估的全部信息，對(duì)所有因素的影響均加以考慮，而不只是考慮對(duì)bj影響最大的因素，所以比較適用于既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估的要求。

3.6 二級(jí)模糊綜合評(píng)估

這是對(duì)組成部分層次的模糊綜合評(píng)估。根據(jù)各構(gòu)件的一級(jí)綜合評(píng)估結(jié)果，即上部主要承重構(gòu)件，上部一般承重構(gòu)件，支座;橋臺(tái)及基礎(chǔ)，橋墩及基礎(chǔ)，地基沖刷，調(diào)治構(gòu)造物，橋面鋪裝，伸縮縫，橋頭跳車，其它部件;便可得到各組成部分模糊綜合評(píng)估的評(píng)估矩陣。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)而言，它的評(píng)估矩陣為;

同樣，利用3.4節(jié)的權(quán)重計(jì)算方法，根據(jù)各構(gòu)件對(duì)子結(jié)構(gòu)的重要性失效造成損失的嚴(yán)重性，可求得上部結(jié)構(gòu)的權(quán)重集：

進(jìn)而，可求出橋梁整體結(jié)構(gòu)耐久性的模糊綜合評(píng)估結(jié)果

3.7 耐久性整體損傷值

由于影響結(jié)構(gòu)耐久性因素的多樣性、復(fù)雜性、不確定性，目前耐久性研究大多基于模糊數(shù)學(xué)等理論，所以評(píng)估的結(jié)果是一個(gè)向量而非一個(gè)點(diǎn)值。這就為如何由評(píng)估的結(jié)果向量確定出橋梁耐久性的整體損傷值提出了問題。也就是說，假如橋梁的整體損傷值區(qū)間為[0,1]或[0,100]，那么耐久性評(píng)估的結(jié)果是多少？目前對(duì)這一問題的研究成果還很少。

本文采用加權(quán)平均法把評(píng)估結(jié)果向量轉(zhuǎn)化為確定的量值。以Bj作為權(quán)數(shù)，對(duì)各個(gè)評(píng)估等級(jí)進(jìn)行加權(quán)平均，取此平均值作為評(píng)估結(jié)果，即整體損傷值。

其中：δ—耐久性整體損傷值；

bj—評(píng)估結(jié)果向量；

H相當(dāng)于對(duì)綜合隸屬度進(jìn)行綜合評(píng)分，j為耐久性等級(jí)類別。根據(jù)H的計(jì)算值與哪一個(gè)等級(jí)j最接近，即可判斷該橋梁結(jié)構(gòu)屬于（或接近）該等級(jí)。對(duì)于既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，在定期進(jìn)行檢測(cè)后，根據(jù)模糊綜合評(píng)估結(jié)果和公式，即可獲得既有橋梁按定期時(shí)間間隔的耐久性整體損傷值序列，然后用于本文后面提出的基于灰色動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論的剩余使用壽命預(yù)測(cè)理論進(jìn)行既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的預(yù)測(cè)。

把變權(quán)原理引入到評(píng)估中，對(duì)模糊綜合評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析處理，從而最終確定被評(píng)估對(duì)象的等級(jí)歸屬。變權(quán)綜合原理不僅考慮了對(duì)各目標(biāo)相對(duì)重要性的偏好，而且考慮了目標(biāo)對(duì)均衡程度的偏好。它體現(xiàn)了客觀事物的評(píng)估應(yīng)該隨著過程的具體變化而不斷變化的實(shí)際。并且通過與比較成熟的貼近度法的評(píng)估結(jié)果對(duì)比，表明運(yùn)用變權(quán)原理所得出的結(jié)果也是比較可信的。

4 結(jié)論

隨著當(dāng)前大量既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問題越來越突出，對(duì)耐久性評(píng)估方法的研究已引起行業(yè)內(nèi)和工程界的普遍關(guān)注。本文在總結(jié)目前國內(nèi)外橋梁評(píng)估研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估和剩余使用壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，建立了基于層次分析法的三級(jí)模糊綜合評(píng)估系統(tǒng)，該方法考慮了不同損傷程度的影響因素對(duì)評(píng)估結(jié)果的不同貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了主觀（專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)）和客觀（實(shí)際檢測(cè)結(jié)果）的結(jié)合，避免了單純依靠專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算權(quán)重的主觀性，該方法更加合理。

既有鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估和剩余使用壽命預(yù)測(cè)是一個(gè)涉及知識(shí)領(lǐng)域十分廣闊、需要不斷深入研究的復(fù)雜課題。本文所提出的理論和方法，具有一定的實(shí)用意義，并且也為今后這方面進(jìn)一步研究提供了參考。但由于課題的復(fù)雜性，在很多具體問題的研究方面尚需進(jìn)一步的努力。

[1]金偉良，趙羽習(xí)，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M]，北京：科學(xué)出版社，2002，1-9.

[2]李田，劉西拉，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析與設(shè)計(jì)，北京：科學(xué)出版社，1999.

[3]董傳洲,混凝土橋梁耐久性模糊綜合評(píng)價(jià),[碩士學(xué)位論文],武漢：武漢理工大學(xué),2004.