橋梁健康狀態(tài)評估中基于能量儲備確定層次分析法底層指標(biāo)權(quán)重的研究

申雁鵬

（山西省交通科學(xué)研究院 橋梁工程防災(zāi)減災(zāi)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施大量興建，橋梁事業(yè)蓬勃發(fā)展，運(yùn)營橋梁的安全問題日漸引起人們的普遍關(guān)注。中小橋數(shù)量多、分布廣，日常評估中，采用比較簡便的方法就可對其現(xiàn)有狀態(tài)作出評估；大型橋梁設(shè)計日趨輕柔化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，要對大型橋梁的狀態(tài)作出科學(xué)的評估，須以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用綜合評估的方法合理評價其服役狀態(tài)[1]。為此，引入系統(tǒng)工程的相關(guān)理念，采用思想深刻、形式簡單的層次分析法進(jìn)行評估，評估模式概要為：a）建立遞階層次結(jié)構(gòu)；b）確立監(jiān)測指標(biāo)的評估值和權(quán)重；c）計算橋梁結(jié)構(gòu)的評估結(jié)果[2]。其中以確定監(jiān)測指標(biāo)的權(quán)重較為關(guān)鍵，本文基于能量儲備確定底層指標(biāo)權(quán)重值，實(shí)現(xiàn)了大型橋梁結(jié)構(gòu)的評估。

1 層次分析法（AHP）

利用AHP對運(yùn)營橋梁現(xiàn)役狀態(tài)進(jìn)行評估時，通過其固有方式可對監(jiān)測指標(biāo)測試值實(shí)現(xiàn)量化，但要得到橋梁部件或整個橋梁狀態(tài)情況，需預(yù)先獲得底層監(jiān)測指標(biāo)（如同一斷面各個測點(diǎn)應(yīng)力指標(biāo)、不同斷面撓度指標(biāo)及斜拉索自振頻率值）的權(quán)重值，橋梁總體得分受底層監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重賦值影響極大，如采用常規(guī)做法（平均分配或特定專家打分），主觀成分大，無法反映出各測點(diǎn)的重要性程度，本文在此基于強(qiáng)度儲備來確定各底層監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重值。

以撓度指標(biāo)為例，橋梁建成后，交竣工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)可獲知各測點(diǎn)實(shí)測極值，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的材質(zhì)特性及截面形式計算出各截面的設(shè)計極值，利用各測點(diǎn)設(shè)計極值和實(shí)測極值差值作為該測試斷面的強(qiáng)度儲備，進(jìn)一步利用AHP相關(guān)知識，作出測點(diǎn)權(quán)重的判斷矩陣，一致性檢驗(yàn)符合要求后，得到截面測點(diǎn)權(quán)重值?；趶?qiáng)度儲備得出的權(quán)重值，排除了人為主觀因素的影響，使監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重更加科學(xué)合理。

2 工程概況

背景橋梁布置形式為：（71+130+71）m連續(xù)剛構(gòu)，分左右兩幅，單幅橋?qū)?2 m，最大墩高70 m，箱梁斷面采用單箱單室直腹板形式。設(shè)計荷載等級：公路-Ⅰ級，按三車道折減取值，為2.34，同時考慮主梁偏載系數(shù)。橋梁在建成后進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，主要撓度測點(diǎn)斷面為A、B、C斷面，如圖1。

圖1 撓度測試斷面布置圖（單位：m）

3 基于能量儲備確定層次分析法底層指標(biāo)權(quán)重

3.1 計算模擬

本橋通過有限元程序MIDAS 2012進(jìn)行模擬、加載及計算。主梁采用梁單元進(jìn)行模擬，上部箱梁與薄壁主墩固結(jié)，建立剛構(gòu)模型，全橋共290個節(jié)點(diǎn)，284個單元，全橋模型如圖2。

圖2 MIDAS分析模型

3.2 試驗(yàn)方案

為確定設(shè)計荷載作用下各控制斷面理論設(shè)計值，采用表1如下3種工況進(jìn)行加載試驗(yàn)，實(shí)際加載過程中工況1、工況3采用6輛41 t重車布載，工況2采用8輛41 t重車布載，橫橋向均為兩列車，每個工況采用三級加載，布載位置如圖3。

表1 荷載試驗(yàn)各加載程序荷載效率

圖3 縱向布載圖（單位：m）

3.3 確定底層指標(biāo)權(quán)重

通過有限元模擬確定各個測試斷面撓度理論極值，通過荷載試驗(yàn)確定如上3個工況的撓度實(shí)測極值，見表2。

表2 截面撓度值表 mm

從表2可以看出，各個截面強(qiáng)度儲備值大小各異，強(qiáng)度儲備值越大，說明承載能力富余度大；反之，說明相對較小。利用強(qiáng)度儲備值，構(gòu)造出A、B、C三個斷面兩兩比較的判斷矩陣。各斷面強(qiáng)度儲備值構(gòu)造的判斷矩陣見表3。

表3 完全一致性判斷矩陣

通過計算上述矩陣的特征值，λmax=3.003 1,進(jìn)一步求出特征向量，進(jìn)行歸一化處理后求出各個斷面撓度測點(diǎn)的權(quán)重值，W={0.50，0.12，0.38}。

3.4 一致性檢驗(yàn)

在判斷矩陣的構(gòu)造中，出現(xiàn)甲比乙極端重要，乙比丙極端重要，而丙比甲極端重要就違反常識了。因此需要對構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)過程分以下3步進(jìn)行。

3.4.1 一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI

式中：n、λmax分別為判斷矩陣的維數(shù)及最大特征值。

3.4.2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI隨矩陣的維數(shù)變動，對于三維矩陣而言，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值為0.52。

3.4.3 相對性一致指標(biāo)CR

當(dāng)CR≤0.1時，判斷矩陣的一致性可以接受。如果CR＞0.1，需要重新分析賦值，仔細(xì)修正，直到檢驗(yàn)通過為止。本次構(gòu)造判斷矩陣符合完全一致性條件，屬于可接受的程度。

4 橋梁健康狀態(tài)評估

以實(shí)時監(jiān)測的主梁撓度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明，實(shí)時監(jiān)測撓度數(shù)據(jù)列于表4進(jìn)行評估。

表4 主梁撓度實(shí)測值 mm

在橋梁健康監(jiān)測中，主梁撓度屬于第三類評估指標(biāo)（監(jiān)測結(jié)果為一數(shù)據(jù)序列，各數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值不相同）。評估步驟為：a）監(jiān)測指標(biāo)無量綱化，確定評估值；b）計算均勻變化得分；c）計算非均勻變化系數(shù)；d）計算底層指標(biāo)的評價值：底層指標(biāo)評價值=均勻變化得分×非均勻變化系數(shù)。最后求得撓度指標(biāo)綜合得分為86.0分，參照指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，背景橋梁評定狀態(tài)等級為一類，僅需日常正常養(yǎng)護(hù)即可，與服役狀態(tài)極為吻合。

5 結(jié)論

基于能量儲備，確定了層次分析法中底層指標(biāo)的權(quán)重值，避免了人為因素的干擾，使橋梁評估更加科學(xué)合理。以背景橋梁撓度指標(biāo)的工作狀態(tài)評估為例，檢驗(yàn)了利用能量儲備確立底層指標(biāo)權(quán)重評定橋梁健康狀態(tài)的可行性及實(shí)用性。