基于改進模糊綜合評估法大跨斜拉橋評估研究

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院, 浙江 杭州 310015)

基于改進模糊綜合評估法大跨斜拉橋評估研究

邱國陽

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院, 浙江 杭州 310015)

對在役橋梁有一個合理的評估，可以為決策者提供良好的維修加固參考。針對模糊綜合評估法合成算子的優(yōu)缺點，提出一種新的合成算子，并采用模糊貼近度的對算法進行驗證。通過對一座既有斜拉橋進行評估，證明了方法的可行性。

斜拉橋； 模糊綜合評估； 模糊合成算子； 綜合評估

0 引言

近年來，隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國修建了越來越多的大跨斜拉橋。這些橋梁的安全關系到人們日常出行及生命財產安全，在國家城市發(fā)展中起到至關重要的作用，如何對這些橋梁有一個正確的評估越來越得到學者的關注。目前橋梁綜合評估的方法主要有：層次分析法、專家系統(tǒng)法、缺損狀況指標法、灰色關聯(lián)度評估法、模糊綜合評估法、人工神經網絡法等[1-3]。其中模糊綜合評估方法能較好地解決事物的模糊性和算法的確定性這一矛盾，是對橋梁各部件及整體工作狀態(tài)進行綜合評估診斷的一種理想方法。在模糊綜合評估法中權重的確定以及模糊合成算子一直是研究的熱點，本文采用不確定AHP法確定各指標的權重向量，并提出一種新的模糊合成算子，采用“貼近度”的方法驗證算子的可靠性。

1 建立橋梁綜合評估模型

1.1 確定因素集

因素集即影響評判對象的各個因素，可表示為：U=[u1,u2,…,un]，ui代表各個影響因素。對于大跨斜拉橋影響其總體性能的各個因素如圖1。

圖1 大跨斜拉橋綜合評估模型

1.2 建立評判集

評判集即確定評判因素的等級程度，無論評判目標有多少個，評判集僅有一個，設有n種判斷所構成的評判集，則評判集V可表示為：V=(v1,v2,…,vn)。參考規(guī)范將橋梁工作狀態(tài)劃分為5個級別，設論域U=[0,100]，在U建立5個模糊集，分別為A=優(yōu)級，B=良級，C=中級，D=差級，E=劣級。根據橋梁養(yǎng)護規(guī)范可以知道對應分數分別為88～100，60～88，40～60，20～40，0～20分。采用梯形分布函數作為隸屬函數(如圖2)。

圖2 大跨斜拉橋綜合評估隸屬函數

1.3 計算權重向量

對于因素集U=[u1,u2,…,un]，定義對于各因素ui的權重向量為：A=[w1,w2,…,wn]。權重向量采用專家討論的方式確定。

1.4 建立模糊關系矩陣

假設有n種判斷，某種判斷有m個評價指標，則模糊關系矩陣R形式如下：

1.5 模糊綜合評判

表1 常用模糊算子合成類型類型算子含義M(∨，∧)a∧b=min(a，b)a∨b=max(a，b)M(?，∨)a?b=a?ba∨b=max(a，b)M(∧，⊕)a∧b=min(a，b)a⊕b=min(a+b，1)M(?，⊕)a?b=a?ba⊕b=min(a+b，1)

模型M(∨,∧)和模型M(∧,⊕)由于首先需要進行“取大”和“取小”操作，這樣就會舍去很多已有的信息，導致出現很多“盲點”。同時這2種算法將權重和指標評價的隸屬度進行對比分析，將2個不同性質的物理量進行比較，會“淹沒”太多的評估信息，故在橋梁綜合評估中并不適用。模型M(*,∨)是一種“主因素突出型”，模型M(*,⊕)為“加權平均型”。在橋梁綜合評估中既要考慮評估指標的全面性，并且也要兼顧一些特殊指標的突出性。因此本論文以“M(*,∨)算子”和“M(*,⊕)算子”為基礎提出一種新的算子M(bj)。

(1)

(2)

(3)

先利用公式：

(4)

(0.06,0.24,0.1,0.096,0);

(0.06,0.24,0.1,0.096,0)。

歸一化可得：

根據式(1)可得：

(0.025,0.799,0.113,0.063,0)

根據式(4)可得：

可見這種合成方法是比較合理的。

2 評估實例

對于底層指標評估，按照數據類型可以分為3類：①僅對橋梁構件的狀態(tài)描述或進行簡單的等級劃分，而沒有數值結果(如：砼裂縫，構件缺損等)；②檢測結果為一數值(如：砼強度、保護層厚度等)；③檢測結果為一數據序列(如：應力、撓度、索力等)。對第1類，采用現行有關橋梁養(yǎng)護規(guī)范及專家系統(tǒng)對缺損程度進行評價[5]；對第2類，可采用正指標、負指標和適度指標3種模型進行歸一化轉換；對于第3類，經過量綱歸一化后，將實測數據分為均勻變化和非均勻變化兩部分，采用底層指標評價值=均勻變化得分×非均勻性變化系數的形式確定其評估結果[6]。

2.1 監(jiān)測指標評估

對于第1類和第2類評估指標評語集的確定比較簡單，本文以浙江省某一斜拉橋監(jiān)測撓度為例進行評估，說明第3類指標的評估方法。對于應力測點、撓度測點以及索力測點定義如表2評估標準[7,8]。

表2 大跨斜拉橋監(jiān)測指標評估標準技術狀況評定準則評分優(yōu)級測點值在標準值以內88～100良級測點值在標準值和設計值之間60～88 中級測點值在設計值的110%以內40～60 差級測點值在設計值的110%～120%之間20～40 劣級測點值在設計值的120%～140%之間 0～20

1) 主梁撓度(表3)。

表3 主梁撓度評估結果測點編號監(jiān)測值/mm標準值/mm設計值/mm評分1-6744-10359-145379222-3541-32474-939688673-8439-7709-1769038604-1256-123641-283757877

考慮監(jiān)測數據中存在的均勻變化和非均勻變化，采用底層指標評價值=均勻變化得分×非均勻性變化系數的形式確定其評估結果，非均勻性變化系數采用灰色關聯(lián)度γ(X0,Xi)進行確定，一般采用斜率關聯(lián)度進行計算。

其中：

a(1)(x0(k+1))=x0(k+1)-x0(k),

k=1,2,…,n-1；

a(1)(xi(k+1))=xi(k+1)-xi(k),

k=1,2,…,N。

可以計算得到斜率關聯(lián)度γ(X0,Xi)=0.95，由于各個撓度測點權重相同，則可得撓度最終評估值為：83.7分，模糊向量為(0.247，0.753，0，0，0)。

2) 主梁應力(表4)。

同理可得不均勻變化系數為：γ(X0,Xi)=0.96，可得應力評估最終得分為：84.8分，模糊向量為(0.32，0.68，0，0，0)。

表4 主梁應力評估結果測點位置應力/MPa標準值/MPa設計值/MPa評分1上緣-194-193-291877下緣22472334488842上緣-209-210-301883下緣18031854028833上緣-1445-155-369888下緣2136223596885

3) 索力(表5)。

可得不均勻變化系數為：γ(X0,Xi)=0.94，可得應力評估最終得分為：86.7分，模糊向量為(0.447，0.553，0，0，0)。

表5 斜拉索索力評估結果索號索力/kN標準值/kN設計值/kN恒載索力/kN評分15984639867375152714924248994946658421405608863405142774504443524691643458371544270629358920529013450138548269979686265127643314572129490172599292903266122417938

2.2 橋梁綜合評估

針對離線指標，參考橋梁評定規(guī)范要求，采用缺損度評估方法對各構件狀態(tài)進行評定。并結合本文監(jiān)測指標的評估結果(見表6)，得出橋梁的綜合評估結果為：V=(0.974,0.026,0,0,0)，根據最大隸屬度原則可知，本斜拉橋評估結果為優(yōu)級，橋梁狀態(tài)良好。

表6 大跨斜拉橋綜合評估結果二級指標權重評估結果綜合評估主梁0221(0767，0232，0，0，0)索塔0242(1，0，0，0，0)斜拉索0312(0819，0181，0，0，0)(0974，0026，0，0，0)附屬設施0201(0996，0004，0，0，0)下部結構0024(1，0，0，0，0)

3 結語

本論文對模糊綜合法的模糊合成算子進行分析，提出一種新的合成算子，采用“貼近度”進行算法的驗證，并對浙江省某一斜拉橋進行綜合評估，驗證了算法的可行性。同時針對橋梁監(jiān)測數據的評估，由于規(guī)范中沒有明確的規(guī)定，本論文給出詳細的評估過程，為相應工程提供參考。

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[4] 宋光興，楊德禮.基于決策者偏好及賦權法一致性的組合賦權法[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2004，26(9)：1226-1230，1290.

[5] JTG H11-2004，公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[S].

[6] 蘭海，史家鈞.灰色關聯(lián)分析與變權綜合法在橋梁評估中的應用[J].同濟大學學報，2001，29(1)：50-54.

[7] 任遠，黃僑，李輝.大跨度斜拉橋的綜合評估理論體系研究[A]. 全國既有橋梁加固、改造與評價學術會議論文集[C].2008.

[8] 李毅.基于城市橋梁集群監(jiān)測平臺的系桿拱橋健康監(jiān)測研究[D].杭州：浙江大學，2010.

1008-844X(2017)03-0135-04

U 448.27

A

2016-11-17

浙江省交通運輸廳科研計劃項目(2015B04)

邱國陽(1979-)，男，高級工程師 ，從事橋梁試驗檢測工作。