基于程度分析的中小橋梁評估方法

黃志偉 黃 僑 任 遠(yuǎn)

(東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)

基于程度分析的中小橋梁評估方法

黃志偉 黃 僑 任 遠(yuǎn)

(東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)

考慮到公路和城市橋梁評估規(guī)范結(jié)果可能存在的差異，對城市內(nèi)的原公路橋梁提出基于程度分析理論的評估方法.首先，采用心理測量試驗和定性問題的定量描述研究評估標(biāo)度及扣分值;其次，基于橋梁評估規(guī)范確定缺損、構(gòu)件及部件的權(quán)重;然后，引入橋梁缺損對結(jié)構(gòu)使用功能影響系數(shù)及缺損發(fā)展變化狀況修正系數(shù)得到缺損最終扣分值;最后，結(jié)合分層加權(quán)方法計算各部件及全橋的技術(shù)狀況評分.結(jié)果表明，采用基于程度分析的橋梁評估方法計算得到的全橋評分低于城市規(guī)范評分但高于公路規(guī)范評分.當(dāng)基于不同規(guī)范得到的評估結(jié)論出現(xiàn)較大差異時，程度分析方法可作為一種輔助的評估方法.

橋梁;評估;程度分析;心理測量;定量化

橋梁有很多種評估方法，如基于評估規(guī)范、荷載試驗、設(shè)計檢算、可靠度理論、模糊理論、遺傳算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等.基于評估規(guī)范的評估方法由于容易實施、費用較低且能夠較好地滿足工程需求，得到各國相關(guān)部門的重視.目前，國內(nèi)廣泛用于既有公路及城市橋梁技術(shù)狀況評估的規(guī)范主要有《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)［1］(下文簡稱《公養(yǎng)規(guī)》)、《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 99—2003)［2］(下文簡稱《城養(yǎng)規(guī)》)以及《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)［3］(下文簡稱《公橋評》).在城市化進(jìn)程中，許多城市外圍的公路橋梁被涵蓋到城市范圍內(nèi)，因此同時采用公路和城市的相關(guān)規(guī)范(或標(biāo)準(zhǔn))對這些橋梁進(jìn)行技術(shù)狀況評估有著現(xiàn)實需求［4］.但3個規(guī)范(或標(biāo)準(zhǔn))在評估標(biāo)度(或評分、扣分)方面存在差異，有可能得出不同的評估結(jié)果和維修決策［5］.因此，有必要在分析各規(guī)范評估標(biāo)度的基礎(chǔ)上研究既有橋梁的技術(shù)狀況評估方法.

既有橋梁的技術(shù)狀況評估是一項復(fù)雜的工作，除了需要考慮確定性和隨機性影響因素之外，還涉及模糊性影響因素.不少學(xué)者研究了模糊理論在橋梁評估中的應(yīng)用，取得了一定的成果［6-10］.此外，橋梁評估規(guī)范中常用與心理過程密切相關(guān)的“輕微”、“嚴(yán)重”等詞描述缺損程度，有必要對它們加以度量.心理測量可成為度量它們使其數(shù)量化的一種重要手段［11］.程度分析是一種依托心理測量對非數(shù)量化對象進(jìn)行度量的數(shù)學(xué)方法，其主要思路為:如果被估計的程度必須依賴心理測量，則請有經(jīng)驗的、有代表性的專家或技術(shù)人員，按照心理測量的基本要求進(jìn)行試驗.試驗方法主要有線段法、置信法、多級估量法等［11］.程度分析方法在武器評價及道路安全性評價等方面得到了應(yīng)用.文獻(xiàn)［12］基于程度分析的線段法建立了一種武器評價方法，文獻(xiàn)［13］應(yīng)用程度分析中的置信法評價了道路的安全性.本文擬基于程度分析方法對既有橋梁的定性指標(biāo)進(jìn)行量化，結(jié)合《城養(yǎng)規(guī)》和《公橋評》的扣分及分層加權(quán)思想并借鑒《公養(yǎng)規(guī)》關(guān)于缺損影響與缺損發(fā)展趨勢的分析思路，提出基于程度分析的橋梁評估方法.

1 基于程度分析的橋梁評估方法

1.1 評估標(biāo)度的確定

標(biāo)度是一種映射，它把經(jīng)驗關(guān)系系統(tǒng)同構(gòu)地映射到數(shù)值關(guān)系系統(tǒng)［14］.標(biāo)度的主要形式有1～9標(biāo)度、0～2三標(biāo)度、－1～1三標(biāo)度、－2～2五標(biāo)度、9/9～9/1分?jǐn)?shù)標(biāo)度、10/10～18/2分?jǐn)?shù)標(biāo)度、90/9～99/9指數(shù)標(biāo)度和分?jǐn)?shù)標(biāo)度(5/5，5.5/4.5，6/4，6.5/3.5，…，8.5/1.5，9/1)［15］.

在橋梁評估的相關(guān)規(guī)范(或標(biāo)準(zhǔn))中，主要采用三標(biāo)度和五標(biāo)度.在度量缺損程度時，《公養(yǎng)規(guī)》以0～2為基本標(biāo)度，《公橋評》主要采用1～5標(biāo)度.《城養(yǎng)規(guī)》用“無、輕微、嚴(yán)重”和“無、傾斜、坍塌變形”分別描述基礎(chǔ)沖刷和基礎(chǔ)移動的情況.本文從程度分析方法的心理測量試驗及定性問題的定量描述兩方面研究評估標(biāo)度的確定方法.

1.1.1 心理測量試驗

將橋梁構(gòu)件的缺損程度分為“無”、“輕微”和“嚴(yán)重”3個等級，采用程度分析方法的線段法對這些等級進(jìn)行考察.在紙上畫上表示［0，1］區(qū)間的線段，以區(qū)間的左端點0表示“無”，以右端點1表示“嚴(yán)重”.設(shè)計關(guān)于“輕微”程度的心理測量表，以“您認(rèn)為在(0，1)之間打個標(biāo)記，用于表示“輕微”，標(biāo)記應(yīng)打在哪?(請打3次標(biāo)記)”為問題對9位橋梁同行進(jìn)行心理測量，測量結(jié)果見表1.表中，關(guān)于“輕微”程度的點估計值，其中n為試驗者總數(shù)，xi為第i個試驗者所打的最左邊標(biāo)記點對應(yīng)的值，yi為第i個試驗者所打的最右邊標(biāo)記點對應(yīng)的值;關(guān)于“輕微”程度估計的盲度越小，表示估計的把握越大.

表1 心理測量試驗結(jié)果

由表1的心理測量結(jié)果可知，關(guān)于“輕微”程度的點估計值a=0.228，估計的盲度ˉm=0.055.

1.1.2 定性問題的定量描述

心理測量試驗的目的是獲得人們關(guān)于某些定性問題(如多寡、主次、大小等程度)的心理感受.關(guān)于定性問題的一些定量描述也反映了這種心理感受.文獻(xiàn)［16］基于定性問題的定量描述將“輕微”程度扣分值取為“嚴(yán)重”程度扣分值的0.3倍.

關(guān)于“輕微”程度，心理測量試驗和定量描述所反映的心理感受分別為0.228和0.3，兩者的平均值為0.264.相對于取平均值，用0.3表示“輕微”程度的缺損，既便于計算又能起到防微杜漸的作用.因此，本文認(rèn)為0.3更適于表示橋梁缺損的“輕微”程度(見圖1).

圖1 缺損狀況的程度分析示意圖

1.2 評分

基于程度分析的橋梁缺損狀況評分方法見表2.表中，P為缺損狀況扣分值，K1為缺損對結(jié)構(gòu)使用功能的影響系數(shù)，K2為缺損發(fā)展變化狀況的修正系數(shù)，F(xiàn)為最終扣分值.S為由專家打分法或群組決策方法確定的缺損的“嚴(yán)重”級別扣分值，取值范圍為0～100.P，K1及K2三項的取值可能不屬于同一程度等級.若F＞100，則取F=100.

表2 基于程度分析的橋梁缺損狀況評分方法

式中，Ri為按《公養(yǎng)規(guī)》中表3.5.2-1方法對各部件確定的評定標(biāo)度(0～5);Wi為各部件權(quán)重，∑Wi=100;Dr為全橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分(0～100)，評分高表示結(jié)構(gòu)狀況好，缺損少.式(1)的RiWi/5可理解為i部件的扣分值.將RiWi/5項除以Ri，得到單位評估標(biāo)度對應(yīng)的i部件扣分值Wi/5(即i部件的權(quán)重Wi的0.2倍).為了與《公養(yǎng)規(guī)》中表3.5.2-1中的標(biāo)度相對應(yīng)，對于程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，K1分別取 0，0.2，0.4;K2分別取 －0.2，0，0.2.

基于程度分析的橋梁缺損狀況評分方法既結(jié)合了《城養(yǎng)規(guī)》和《公橋評》的扣分及分層加權(quán)思想，又借鑒了《公養(yǎng)規(guī)》關(guān)于缺損影響與缺損發(fā)展趨勢的分析思路.經(jīng)過P，K1及K2三項的組合后，F(xiàn)可能有11 種取值，分別為 0，0.24S，0.3S，0.36S，0.42S，0.48S，0.8S，S，1.2S，1.4S和 1.6S.若取S=1，則由圖2可見11種扣分情況之間的比例關(guān)系.

對于P，程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分別表示“無”、“輕微”及“嚴(yán)重”;對于K1，程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分別表示“無、不重要”，“小、次要”及“大、重要”;對于K2，程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分別表示“趨向穩(wěn)定”、“發(fā)展緩慢”及“發(fā)展較快”.

K1及K2的取值可根據(jù)如下《公養(yǎng)規(guī)》的綜合評定計算式確定:

圖2 基于程度分析的橋梁評估方法中構(gòu)件缺損可能取的扣分值

11種扣分值不一定都用于反映同一類型的缺損.例如，0.48S的扣分值用于反映對結(jié)構(gòu)使用功能重要且發(fā)展較快的輕微缺損(如處于發(fā)展初期的主梁豎向裂縫)，0.8S的扣分值用于反映對結(jié)構(gòu)使用功能不重要且發(fā)展穩(wěn)定的嚴(yán)重缺損(如發(fā)展穩(wěn)定的錐坡鋪砌網(wǎng)裂).

1.3 權(quán)重的取值

《城養(yǎng)規(guī)》、《公橋評》及《公養(yǎng)規(guī)》在權(quán)重取值方面有所不同.《公養(yǎng)規(guī)》規(guī)定了各部件的權(quán)重，不區(qū)分橋型;《公橋評》也規(guī)定了各部件的權(quán)重，但區(qū)分橋型;《城養(yǎng)規(guī)》不僅分橋型規(guī)定了各部件權(quán)重，還給出了構(gòu)件的不同缺損類型的權(quán)重計算方法.本文采用《城養(yǎng)規(guī)》的方法確定缺損、構(gòu)件及部件的權(quán)重.

1.4 評估方法

本文簡化了評估標(biāo)度的確定方法，闡述了最終扣分值的計算公式，提出了基于程度分析的橋梁評估方法.主要步驟如下:

①利用基于程度分析的心理測量試驗及定性問題的定量描述，分析兩者在體現(xiàn)心理感受方面的差異，著重考慮橋梁缺損的“輕微”程度的數(shù)量化表示.

②引入K1及K2兩個系數(shù)，基于多個參數(shù)的組合，提出最終扣分值的計算公式.

③通過缺損的最終扣分值計算缺損權(quán)重，結(jié)合《城養(yǎng)規(guī)》確定構(gòu)件及部件的權(quán)重.

④考慮構(gòu)件及部件權(quán)重，采用分層加權(quán)方法確定各部件及全橋的技術(shù)狀況評分.

2 算例

采用基于程度分析的橋梁評估方法及《城養(yǎng)規(guī)》、《公養(yǎng)規(guī)》和《公橋評》對吉林省的3座實橋進(jìn)行全橋技術(shù)狀況評估.這些橋梁的結(jié)構(gòu)型式及主要病害資料列于表3.

基于程度分析的橋梁評估方法的主要計算結(jié)果見表4(僅列出與算例1缺損構(gòu)件有關(guān)的內(nèi)容).表中，部件缺損的“嚴(yán)重”級別扣分值同《城養(yǎng)規(guī)》的附錄D，取“輕微”級別扣分值為“嚴(yán)重”級別扣分值的0.3倍;單項扣分值Pij根據(jù)缺損程度取“輕微”級別或“嚴(yán)重”級別對應(yīng)的扣分值;K1及K2的取值情況見表2;最終單項扣分值Fij=(1+K1+K2)Pij;比重 μij采用《城養(yǎng)規(guī)》的方法確定，即 μij根據(jù)某項損壞的扣分值占構(gòu)件所有損壞扣分值的比例進(jìn)行計算;權(quán)重ωij也采用《城養(yǎng)規(guī)》的方法確定，即根據(jù)計算確定.

表3 橋梁算例的結(jié)構(gòu)型式及主要病害資料

表4 基于程度分析的橋梁評估方法的主要計算結(jié)果(算例1)

為了便于對比，將各算例的計算結(jié)果列于表5.表中，不同評估方法的評估等級及養(yǎng)護(hù)對策根據(jù)評分分別查對應(yīng)的規(guī)范.基于程度分析的橋梁評估方法的評估等級和養(yǎng)護(hù)對策查《城養(yǎng)規(guī)》，《公橋評》評估方法的養(yǎng)護(hù)對策查《公養(yǎng)規(guī)》.

表5 不同評估方法計算結(jié)果對比

由表5可知，對于同一座橋采用《城養(yǎng)規(guī)》、《公橋評》、《公養(yǎng)規(guī)》及基于程度分析的橋梁評估方法得到的評估結(jié)果及養(yǎng)護(hù)對策存在著差異.計算結(jié)果表明，基于程度分析的橋梁評估方法的評估結(jié)果介于公路與城市規(guī)范之間;公路與城市規(guī)范評估結(jié)果的差異越大，其評估結(jié)果介于兩者之間的效果越明顯;當(dāng)公路與城市規(guī)范評估結(jié)果的差異不大時，其評估結(jié)果與《城養(yǎng)規(guī)》評估結(jié)果接近.

3 結(jié)論

1)基于程度分析的橋梁評估方法著重考慮缺損的“輕微”程度與“嚴(yán)重”程度之間的關(guān)系，僅依據(jù)專家打分法或群組決策方法所確定的“嚴(yán)重”級別扣分值就可以確定“輕微”級別扣分值，簡化了“輕微”級別扣分值的確定方法.

2)基于程度分析的橋梁評估方法既借鑒了《公養(yǎng)規(guī)》關(guān)于缺損影響與缺損發(fā)展趨勢的分析思路，又結(jié)合了《城養(yǎng)規(guī)》中分層加權(quán)扣分方法.

3)算例表明《公養(yǎng)規(guī)》與《公橋評》的評估結(jié)果相近，并且兩者的評估結(jié)果都低于《城養(yǎng)規(guī)》的評估結(jié)果.

4)基于程度分析的橋梁評估方法的評估結(jié)果介于公路及城市規(guī)范評估結(jié)果之間;當(dāng)同一座橋梁采用上述不同方法得到的評估結(jié)論出現(xiàn)較大差異時，可以采用基于程度分析的橋梁評估方法進(jìn)行輔助評估.

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Assessment method of existing bridge with mid-small span based on degree analysis theory

Huang ZhiweiHuang Qiao Ren Yuan
(School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)

With the consideration of a discrepancy between results of highway and city bridge assessment criteria，an assessment method based on the degree analysis theory is proposed for bridges in city previously belonging to highway.First，evaluation level and deducted score are determined by psychological measurement experiment and quantitative expression.Secondly，the weights of defects，members and components are determined according to bridge evaluation codes.Thirdly，final deducted scores induced by the defects are calculated by applying the coefficients of in-service performance and development trend.Finally，technical condition assessment scores of each component of bridge and entire structure are calculated by applying the hierarchical weighted method.The investigation results show that the assessment scores calculated from the proposed method are lower than those from the city codes but higher than those from the highway codes.The proposed method is a good alternative when there is a great discrepancy between evaluation conclusions of highway and city bridge assessment criteria.

bridge;assessment;degree analysis;psychological measurement;quantification

U446.3

A

1001－0505(2012)02-0358-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.031

2011-10-27.

黃志偉(1981—)，男，博士生;黃僑(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，qhuanghit@126.com.

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金新教師類資助項目(20090092120046)、吉林省交通廳交通科技資助項目(2010).

黃志偉，黃僑，任遠(yuǎn).基于程度分析的中小橋梁評估方法［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(2):358-362.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.031］