快速路高架橋匝道安全評估研究

高 珊，袁 磊

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106;2.四川華西綠舍建材有限公司，四川 成都 610081)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，城市快速路高架橋已經(jīng)成為各大城市交通發(fā)展的重要組成部分.然而，根據(jù)實(shí)際工程檢測發(fā)現(xiàn)，高架橋的匝道連接部位，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和受力機(jī)理，在實(shí)際運(yùn)營過程中產(chǎn)生了許多病害，尤其是近些年的匝道橋頻發(fā)橋毀人亡的嚴(yán)重事故［1－2］.高架橋匝道結(jié)構(gòu)安全性問題己經(jīng)引起工程界、橋梁管理部門的關(guān)注，建立一種安全有效的高架橋匝道安全評估體系勢在必行.目前，對既有橋梁的損傷評定是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，在橋梁結(jié)構(gòu)損傷評定中存在大量的不確定因素和信息，至今尚無統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn).然而，影響快速路高架橋匝道橋梁損傷的因素的多樣性以及橋梁結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，造成了橋梁損傷類型的多樣性和多層性，而僅用少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)很難反映橋梁損傷的實(shí)際情況，需要建立一個(gè)完整的評價(jià)指標(biāo)體系.對此，本研究根據(jù)獨(dú)柱匝道橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)，采用AHP 層次分析法，把系統(tǒng)分解成幾個(gè)子系統(tǒng)，再對各個(gè)子系統(tǒng)建立評價(jià)指標(biāo)體系，分析各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的損傷等級標(biāo)準(zhǔn)，并對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評估，從而建立起一套完整的獨(dú)柱匝道橋梁安全評估體系.

1 高架橋匝道安全評估體系建立

1.1 一票否決制

從諸多高架橋匝道安全事故中發(fā)現(xiàn)，超載車輛偏載作用下引發(fā)支座脫空是引發(fā)橋梁梁體側(cè)翻整體垮塌的主要因素.因此，在運(yùn)用獨(dú)柱匝道橋安全評估體系對獨(dú)柱匝道橋進(jìn)行安全評估之前，首先要對獨(dú)柱匝道橋進(jìn)行穩(wěn)定性分析.如果在使用階段偏載、支座沉降及溫度荷載各工況作用下，支座出現(xiàn)負(fù)反力，則表示支座在相應(yīng)荷載組合工況下，有脫空現(xiàn)象，則預(yù)示該橋梁在運(yùn)營階段存在主梁傾覆的可能性.那么，該獨(dú)柱匝道橋可直接評定為“壞的”或“危險(xiǎn)”狀態(tài)，必須進(jìn)行改造.若在各工況作用下，匝道橋的支座未出現(xiàn)負(fù)反力，則可以采用獨(dú)柱橋安全評估體系對匝道橋的安全狀況進(jìn)行進(jìn)一步的評估［3－5］.

1.2 AHP 法建立快速路高架橋匝道安全評估體系

本研究在原有評估體系研究的基礎(chǔ)上，采用層次分析法(AHP 法)對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性、承載力和使用狀況，通過3 個(gè)一級子系統(tǒng)建立評估模型進(jìn)行評價(jià)，具體如圖1 所示.評價(jià)指標(biāo)體系是關(guān)系到評估結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵.

建立了評估體系的層次結(jié)構(gòu)模型，在評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)之前還必須要確定各層指標(biāo)之間的相對重要性——權(quán)重值，此可以用判斷矩陣來計(jì)算.首先，建立指標(biāo)的兩兩判斷矩陣，然后，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終，確定指標(biāo)的權(quán)重.在綜合評估方法的實(shí)際運(yùn)用中，評估指標(biāo)還需要考慮均衡性問題，即評估指標(biāo)的權(quán)重應(yīng)該是變化的.當(dāng)某一指標(biāo)水平處于極差的狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該加大對此指標(biāo)的重視程度，即加大此評估指標(biāo)的權(quán)重，甚至可以由這個(gè)指標(biāo)判斷結(jié)構(gòu)整體的狀態(tài).因此，進(jìn)行狀態(tài)評估時(shí)，應(yīng)當(dāng)利用變權(quán)原理來反映指標(biāo)的不均勻性.整個(gè)評估的基本流程如圖2 所示.

圖1 快速路高架橋匝道損傷指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖

圖2 快速路高架橋匝道橋梁安全評估流程

我國《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTGHll-2004)將橋梁狀態(tài)總體技術(shù)評定結(jié)果分為五類:一類為完好、良好狀態(tài);二類為較好狀態(tài);三類為較差狀態(tài);四類為壞的狀態(tài);五類為危險(xiǎn)狀態(tài).為了與我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)保持一致，本研究將快速路高架橋匝道安全評估的評語集設(shè)為v={v1，v2，v3，v4，v5}={無損傷，輕微損傷，中等損傷，嚴(yán)重?fù)p傷，破壞性損傷}，并對應(yīng)上述每一個(gè)評語作如下的規(guī)定:無損傷為符合國家現(xiàn)行的規(guī)范要求，只需日常的清潔保養(yǎng);輕微損傷為略低于國家現(xiàn)行的規(guī)范要求，但不影響安全及正常使用，需進(jìn)行小修保養(yǎng);中等損傷為中度不符國家現(xiàn)行的規(guī)范要求，已中度影響安全或正常使用，需進(jìn)行中修;嚴(yán)重?fù)p傷為較嚴(yán)重不符國家現(xiàn)行的規(guī)范要求已較嚴(yán)重影響安全或正常使用，需進(jìn)行大修或加固;破壞性損傷為嚴(yán)重不符國家現(xiàn)行的規(guī)范要求，已危及安全或不能正常使用，必須立即采取措施.

一級模糊綜合評判是對影響快速路高架橋匝道損傷最基本的因子，如混凝土裂縫狀況等C1 ～C14 14 個(gè)因子進(jìn)行評估;對耐久性、承載力、使用狀況等B1 ～B3 進(jìn)行模糊綜合評判，屬于二級模糊綜合評判范疇.

1.2.1 一級模糊綜合評判.

首先建立單個(gè)因素的評價(jià)矩陣，然后確立因素集中的各個(gè)因子的權(quán)重向量，最后對該因素的損傷狀態(tài)進(jìn)行模糊綜合評判.

1.2.2 二級模糊綜合評判.

橋梁損傷的二層次模糊綜合評判是在一級模糊綜合評判得到的耐久性評價(jià)向量B1，承載力評價(jià)向量B2，橋梁使用狀況評價(jià)向量B3 的基礎(chǔ)上，組成單因素評判矩陣，

然后乘以B1、B2、B3 3 個(gè)因素所對應(yīng)的權(quán)重向量，A= (a1，a2，a3)，將3 個(gè)損傷因素進(jìn)行二級模糊綜合評判，

在求出B 之后，對評判結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，則有，

通過上述給出的橋梁結(jié)構(gòu)各指標(biāo)的損傷評估等級向量，根據(jù)各項(xiàng)損傷對橋梁整體技術(shù)狀態(tài)的影響確定其權(quán)重，從而給出橋梁的總體損傷程度.

2 工程實(shí)際應(yīng)用

分析對象的五鄉(xiāng)互通立交位于寧波繞城高速公路東段，全線長2.55 km，包含8 條互通匝道(見圖3).匝道橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，3～5 跨一聯(lián);下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，柱式墩，中墩采用獨(dú)柱式，交接墩采用雙柱式，共計(jì)有獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁27 聯(lián).現(xiàn)以B 匝道與E 匝道為例進(jìn)行匝道安全評估.B 匝道橋的計(jì)算聯(lián)為4 m×20 m 的現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁基礎(chǔ)配以獨(dú)柱墩，僅在聯(lián)間設(shè)有蓋梁，橋臺(tái)為U 型橋臺(tái).E 匝道上部結(jié)構(gòu)為4 m×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面總寬8.5 m.下部結(jié)構(gòu)10 號墩、14 號臺(tái)采用雙支座，支座間距3 m，11 ～13 號墩采用獨(dú)柱墩［6］.

圖3 五鄉(xiāng)互通立交示意圖

在分析時(shí)，首先對獨(dú)柱匝道橋進(jìn)行穩(wěn)定性分析.本次驗(yàn)算使用階段的荷載組合為，恒載+預(yù)應(yīng)力效應(yīng)+汽車荷載(含沖擊力、曲線半徑小于250 m 計(jì)離心力)+支座變位+整體升(降)溫+梯度升(降)溫.為安全起見，汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)按以下3 種工況進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算.

1)工況1.《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60－2004)公路-Ⅰ級荷載.

2)工況2.1.3 倍公路-Ⅰ級車道荷載.其定義如下:計(jì)算在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60－2004)相關(guān)條文規(guī)定基礎(chǔ)上，按均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk乘以1.3 的系數(shù)，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值pk 乘以1.3 的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，按實(shí)際的車道數(shù)進(jìn)行加載.

3)工況3.集裝箱車隊(duì)自定義車輛荷載.其定義如下:按1.2 倍的規(guī)范、55 t 車輛荷載進(jìn)行加載計(jì)算，車隊(duì)縱向的前后輪輪距為10 m，按實(shí)際的車道數(shù)進(jìn)行加載.

2.1 工程實(shí)例一(一票否決制)

E 匝道采用Midas Civil 建立空間有限元模型(見圖4).經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算得出E 匝道在不同荷載工況下的支座反力如表1 所示.

圖4 五鄉(xiāng)互通立交E 匝道結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 五鄉(xiāng)互通立交E 匝道支座反力計(jì)算表

計(jì)算結(jié)果表明，在3 種工況下E 匝道各支座均有負(fù)反力產(chǎn)生，即支座會(huì)有脫空現(xiàn)象，則本橋在運(yùn)營階段存在箱梁整體傾覆的可能性，因此，該匝道橋符合一票否決原則，直接評定其安全等級為差的或危險(xiǎn)狀態(tài)，必須對其進(jìn)行改造.

2.2 工程實(shí)例二

2.2.1 匝道抗傾覆性驗(yàn)算.

B 匝道采用Midas Civil 建立空間有限元模型(見圖5).經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算得出B 匝道在不同荷載工況下的支座反力如表2 所示.

圖5 五鄉(xiāng)互通立交B 匝道結(jié)構(gòu)有限元模型

計(jì)算結(jié)果表明，在3 種工況下B 匝道支座均出不現(xiàn)負(fù)反力，即支座不會(huì)有脫空現(xiàn)象，說明B 匝道不存在橋梁傾覆危險(xiǎn).因此，可直接用匝道橋安全評估系統(tǒng)對該橋進(jìn)行安全評估.

2.2.2 匝道橋安全評估系統(tǒng)的建立.

根據(jù)獨(dú)柱匝道橋安全評估體系，本研究從耐久性、承載力及橋梁使用狀況3 個(gè)方面14 個(gè)指標(biāo)對B匝道橋進(jìn)行安全評估.分析時(shí)，參考浙江省交通科學(xué)研究所提供的五鄉(xiāng)互通立交橋定期檢查報(bào)告及寧波市交通局提供的相關(guān)資料［6］，確定各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)情況，采用Super Decisions 軟件創(chuàng)建層次分析模型(見圖6).以Super Decisions 超級決策軟件中的判斷矩陣為模板，創(chuàng)建調(diào)查問卷，將收回的問卷數(shù)據(jù)輸入Super Decisions 超級決策軟件，獲得該匝道橋各指標(biāo)權(quán)重和隸屬度如表3 所示.

表2 五鄉(xiāng)互通立交B 匝道支座反力計(jì)算表

圖6 基于Super Decisions 的層次分析(AHP)模型圖

在權(quán)重集及隸屬度確定之后，結(jié)合C 級指標(biāo)的權(quán)重，對B 級指標(biāo)的評價(jià)向量進(jìn)行多級模糊計(jì)算，其計(jì)算過程及結(jié)果如下:

耐久性=(0.22，0.16，0.49，0.13)·

表3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及隸屬度

承載力=(0.17，0.07，0.26，0.33，0.06，0.11)

根據(jù)最大隸屬度原則，“耐久性”指標(biāo)的最大隸屬度值為0.4111，其對應(yīng)的評語為“良好”;“承載力”指標(biāo)的最大隸屬度值為0.3511，其對應(yīng)的評語為“一般”;“橋梁使用狀況”指標(biāo)的最大隸屬度值為0.346，其對應(yīng)的評語為“較差”.

根據(jù)C 級指標(biāo)權(quán)重與隸屬度計(jì)算得出的各個(gè)B級指標(biāo)的評價(jià)向量，結(jié)合B 級指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算評價(jià)目標(biāo)的評價(jià)結(jié)果，其計(jì)算過程及結(jié)果如下:

獨(dú)柱匝道橋梁安全評估

=(0.0604，0.1961，0.2887，0.3000，0.1548)

根據(jù)最大隸屬度原則，在向量(0.0604，0.1961，0.2887，0.3000，0.1548)中，最 大 隸 屬 度 值 為0.3000，其對應(yīng)評語為“嚴(yán)重?fù)p傷”.

運(yùn)用AHP-多級模糊綜合評價(jià)法對該獨(dú)柱匝道工程項(xiàng)目的總體評價(jià)結(jié)果為:嚴(yán)重?fù)p傷，應(yīng)對其進(jìn)行維修加固處理.該結(jié)論與浙江省交通科學(xué)研究院提供的五鄉(xiāng)互通立交橋定期檢查報(bào)告中給出的檢測結(jié)果一致，表明了本快速路高架橋匝道安全評估體系的正確性和適用性.

3 結(jié) 論

本研究針對目前快速路高架橋匝道結(jié)構(gòu)研究中存在的問題，結(jié)合快速路高架橋匝道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，明確了影響快速路高架橋匝道安全性的各種因素，采用層次分析法(AHP)建立了快速路高架橋匝道結(jié)構(gòu)的安全評估模型.同時(shí)，以寧波五鄉(xiāng)互通立交匝道為工程實(shí)例，分別對其B 匝道及E 匝道進(jìn)行安全評估，驗(yàn)證了本快速路高架橋匝道結(jié)構(gòu)的安全評估體系的可行性和適用性.

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