高速公路橋梁常見加固工程效果評(píng)估方法研究

黃相淮，張祖軍

(1.貴州交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000；2.湖南君科監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 橋梁加固后效果評(píng)估體系的建立

1.1 評(píng)估方法的選擇

橋梁加固效果的后評(píng)估，本質(zhì)上也是屬于橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)價(jià)的范疇。對(duì)于在役橋梁加固后評(píng)估，國外僅有少量研究，但總體處于起步階段。而由于我國橋梁加固技術(shù)發(fā)展的時(shí)間不長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)較少，因此橋梁加固后的評(píng)估尚處在基本的空白狀態(tài)。

根據(jù)目前的國內(nèi)外現(xiàn)有的橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)估理論的狀態(tài)來看，橋梁加固效果后評(píng)估采用分層綜合法是最佳選擇，基于可靠度分析的評(píng)定法雖然先進(jìn)，尚不能在實(shí)際很好的應(yīng)用。因此，本文采用分層綜合法進(jìn)行橋梁加固后效果的評(píng)價(jià)。

1.2 評(píng)分體系的建立

對(duì)加固工程項(xiàng)目進(jìn)行劃分是對(duì)加固效果評(píng)定的前提。一個(gè)加固工程項(xiàng)目從開工到完工要經(jīng)過許多施工工序和階段，只有每一工序和階段、工程的各個(gè)構(gòu)件和各組合部分達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量水平，才能保證整個(gè)加固工程項(xiàng)目達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量水平，實(shí)現(xiàn)加固目標(biāo)，達(dá)到理想的加固效果。因此，把加固工程項(xiàng)目按逐級(jí)分層、相互獨(dú)立的原則劃分，分成評(píng)估指標(biāo)層、類別層、目標(biāo)層三個(gè)層次，如表1所示。如有需要，在評(píng)估指標(biāo)層還可進(jìn)一步設(shè)定子層。以評(píng)估指標(biāo)層的基本指標(biāo)為基本單位，運(yùn)用加權(quán)平均法計(jì)算出類別層的評(píng)價(jià)分值，逐級(jí)評(píng)定，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加固工程項(xiàng)目加固效果的全面評(píng)定。

2 橋梁加固后效果評(píng)估評(píng)分方法

2.1 結(jié)構(gòu)拆解方法

由于橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，各個(gè)構(gòu)件、部件之間的差異性較大。在加固工程中一座橋梁可能在多個(gè)部件或者多個(gè)構(gòu)件處存在多種加固方法(在此我們稱之為單項(xiàng)加固工程)。因此，有必要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)拆解，利用加權(quán)平均法求得整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的加固效果后評(píng)估的評(píng)分方法。

表1 橋梁維修加固效果檢驗(yàn)評(píng)價(jià)工程劃分

本文僅針對(duì)高速公路常見橋梁(主要為組合式梁橋)以及常見加固方法。橋梁加固后評(píng)估將從各指標(biāo)層出發(fā)，分別得到單項(xiàng)加固工程的耐久性、安全性以及適用性評(píng)價(jià)評(píng)分。而后依次得到構(gòu)件，部件，上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系，橋梁整體的評(píng)分。結(jié)構(gòu)層次評(píng)價(jià)方法如圖1所示。

圖1 橋梁加固工程評(píng)定指標(biāo)

2.2 指標(biāo)層權(quán)重確定方法——層次分析法

本文擬采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)層的權(quán)重，具體步驟如下。

(1)構(gòu)造判斷矩陣

在建遞階層次架構(gòu)體系后，根據(jù)上下層之間的隸屬關(guān)系，構(gòu)造判斷矩陣以上一層次某因素為準(zhǔn)則，它對(duì)下一層次諸指標(biāo)有支配關(guān)系，通過兩兩比較下一層次諸指標(biāo)對(duì)上一層次某因素的相對(duì)重要性，并賦予一定的分值q，建立比較判斷矩陣，如表2所示。

表2 判斷矩陣一般形式

表中：Ai(i=1，2，…，n)表示處于同一層次上的隸屬于同一因素X的各項(xiàng)指標(biāo)；aij(i=1，2，…，n)表示各指標(biāo)Ai和Aj相對(duì)于因素X的重要程度的標(biāo)度，aij滿足性質(zhì)：(1)aij>0；(2)aij=1/aji；(3)ajj=1。

分值Ck的確定采用Saaty教授提出的判斷矩陣標(biāo)度法。常見的標(biāo)度方法有9標(biāo)度和3標(biāo)度等，本文采用的為9標(biāo)度的方法，如表3所示。通過比較兩因素之間的相對(duì)重要性，確定標(biāo)度分值，將其兩兩比較后的評(píng)分矩陣作為判斷矩陣。

表3 判斷矩陣9標(biāo)度法定義及說明

(2)計(jì)算步驟

根據(jù)專家的意見或通過專家打分的方式，建立研究對(duì)象的評(píng)定體系比較矩陣，判斷矩陣給出方式如上所述，這里不再給出。

利用專家評(píng)分給出的判斷矩陣，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的傳遞矩陣C=(cij)n×n

C=lgA

(1)

即：cij=lgbij

計(jì)算傳遞矩陣C的最優(yōu)傳遞矩陣D=(dij)n×n

(2)

建立擬優(yōu)一致性矩陣

(3)

(4)

歸一化處理求權(quán)重，用式(5)表示

(5)

A中每一列元素求和，用式(6)表示

(6)

計(jì)算λmax的值，用式(7)表示

(7)

2.3 結(jié)構(gòu)層次權(quán)重的確定以及指標(biāo)層權(quán)重的確定

(1)單項(xiàng)加固工程權(quán)值的確定

根據(jù)上述層次分析法，經(jīng)過廣泛調(diào)研，計(jì)算得出各單項(xiàng)加固工程權(quán)值。如表4及表5所示。

表4 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件單項(xiàng)加固工程評(píng)分權(quán)重表

表5 下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件單項(xiàng)加固工程評(píng)分權(quán)重表

在實(shí)際橋梁加固工程中，可能只包括上述其中幾項(xiàng)單項(xiàng)加固工程，這時(shí)實(shí)際工程中的權(quán)重分布可按式(8)進(jìn)行計(jì)算。

(8)

即將未包含加固項(xiàng)目權(quán)重分配給實(shí)際包含加固項(xiàng)目。

(2)其他結(jié)構(gòu)拆解權(quán)值的確定

部件權(quán)重可按表6進(jìn)行取值。

表6 高速公路常見橋梁各部件權(quán)重值

上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及橋面系權(quán)值如表7所示。

表7 高速公路常見橋梁各結(jié)構(gòu)權(quán)值

(3)各指標(biāo)層權(quán)值的確定

耐久性控制指標(biāo)的權(quán)重如表8所示，安全性控制指標(biāo)的權(quán)重如表9所示，適用性指標(biāo)的權(quán)重如表10所示。

表8 耐久性控制指標(biāo)權(quán)重表

表9 安全性控制指標(biāo)權(quán)重表

表10 適用性控制指標(biāo)權(quán)重表

2.4 結(jié)構(gòu)層次評(píng)分的計(jì)算方法

單項(xiàng)加固工程的評(píng)估評(píng)分法如式(9)所示。

單項(xiàng)加固工程評(píng)估評(píng)分=∑(控制指標(biāo)權(quán)重×控制指標(biāo)評(píng)分)

(9)

構(gòu)件加固工程的評(píng)估評(píng)分法如式(10)所示。

構(gòu)件加固工程評(píng)估評(píng)分=∑(單項(xiàng)工程權(quán)重×單項(xiàng)工程評(píng)分)

(10)

部件加固工程的評(píng)估評(píng)分法如式(11)所示。

部件加固工程評(píng)分=構(gòu)件評(píng)分均值-(100-所含構(gòu)件最低分值)/t

(11)

t的取值可按照文獻(xiàn)中表4.1.2的方法進(jìn)行計(jì)算。

橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系的加固工程耐久性評(píng)分可按式(12)計(jì)算。

橋梁上部結(jié)構(gòu)(下部結(jié)構(gòu)或橋面系)=∑(部件評(píng)分×部件權(quán)重)

(12)

橋梁總體加固工程耐久性評(píng)估評(píng)分計(jì)算方法如式(13)所示。

橋梁總體加固評(píng)分=各部結(jié)構(gòu)評(píng)分×各部結(jié)構(gòu)權(quán)重

(13)

根據(jù)各類別層所含的指標(biāo)層評(píng)估評(píng)分可計(jì)算出各類別層單項(xiàng)加固工程的評(píng)估評(píng)分。依據(jù)單項(xiàng)加固工程的評(píng)估評(píng)分即依次可計(jì)算出橋梁構(gòu)件、部件、各部分結(jié)構(gòu)以及橋梁整體評(píng)估評(píng)分。

3 橋梁加固后耐久性評(píng)估方法研究

對(duì)于不同的單項(xiàng)工程，需要選取不同的檢驗(yàn)項(xiàng)目作為控制指標(biāo)的下層評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過參考相關(guān)規(guī)范，對(duì)表4及表5中的單項(xiàng)加固工程進(jìn)行耐久性的評(píng)估。評(píng)估時(shí)分別得到各單項(xiàng)加固工程的設(shè)計(jì)吻合度、外觀質(zhì)量以及施工質(zhì)量的評(píng)分。由于篇幅限制，以上三項(xiàng)控制指標(biāo)的評(píng)分細(xì)則不在此處一一列舉。這里以裂縫表面封閉工程為例進(jìn)行說明，表11～表13分別為裂縫表面封閉工程設(shè)計(jì)吻合度指標(biāo)、外觀質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)和施工質(zhì)量指標(biāo)的評(píng)分細(xì)則表。在對(duì)控制指標(biāo)依次評(píng)分后，利用式(9)即可得到單項(xiàng)加固工程的評(píng)分。而后依次評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)構(gòu)件、部件、各部結(jié)構(gòu)以及橋梁整體的耐久性評(píng)價(jià)評(píng)分

表11 裂縫表面封閉工程材料吻合度檢驗(yàn)

表12 裂縫表面封閉工程外觀質(zhì)量檢驗(yàn)

表13 裂縫表面封閉工程評(píng)價(jià)表

4 橋梁加固后安全性評(píng)估方法研究

4.1 安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)

加固效果的安全性評(píng)價(jià)方面，選取由涉及加固安全方面的基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括承載力提高率評(píng)價(jià)、活荷載分擔(dān)率評(píng)價(jià)以及剛度變化率評(píng)價(jià)等三個(gè)方面。以上三個(gè)安全性指標(biāo)的定義可參考文獻(xiàn)中的詳細(xì)描述。本文中承載能力提高率用Kc表示、活載分擔(dān)率用KH表示、剛度變化率用KG表示。

4.2 安全性指標(biāo)評(píng)價(jià)評(píng)分流程

在安全性指標(biāo)評(píng)價(jià)評(píng)分時(shí)，首先利用原結(jié)構(gòu)基于檢測(cè)的理論計(jì)算結(jié)果以及原結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)理論計(jì)算的結(jié)果可以得到各控制指標(biāo)的理論計(jì)算值。由于計(jì)算所得的承載能力提高、活載分擔(dān)率以及剛度變化率均為理想狀態(tài)下的設(shè)計(jì)理論值。然而，加固工程由于設(shè)計(jì)、施工、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等影響，會(huì)導(dǎo)致加固后的橋梁狀態(tài)與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生偏差。因此，需要利用耐久性方面的控制指標(biāo)(設(shè)計(jì)吻合度、外觀質(zhì)量以及施工質(zhì)量指標(biāo))對(duì)安全性指標(biāo)進(jìn)行修正。而后利用評(píng)分計(jì)算公式，計(jì)算各安全性指標(biāo)的評(píng)分。最后可以利用式(10)或式(11)得到構(gòu)件或部件加固工程的安全性評(píng)價(jià)評(píng)分。

圖2 各指標(biāo)評(píng)價(jià)評(píng)分計(jì)算流程

4.3 耐久性對(duì)安全性的影響修正

修正后的承載能力提高率、活載分擔(dān)率、承載能力提高率可表示為

KCx=ηe·(KC+1)

(14)

KHx=ηe·KH

(15)

KGx=ηe·(KG+1)

(16)

式中：K·x—修正后的安全性指標(biāo)；ηe—修正系數(shù)；K·—計(jì)算得到理論安全性指標(biāo)。

修正系數(shù)可表示為

ηe=0.9+(αmaxλmin+αminλmax+αmidλmid)/1 000

(17)

當(dāng)α1+α2+α3中存在一項(xiàng)值小于60時(shí)，即在所得的ηe中減去0.05；當(dāng)α1+α2+α3存在兩項(xiàng)小于60時(shí)，即在所得的ηe中減去0.07；當(dāng)存在三項(xiàng)小于60時(shí)，即在所得的ηe中減去0.1。

4.4 安全性評(píng)價(jià)評(píng)分方法

Kx修正后的安全性指標(biāo)。當(dāng)Kx=0時(shí)，評(píng)分可為0；當(dāng)Kx=1時(shí)，評(píng)分可為60；當(dāng)K=n時(shí)(n為該項(xiàng)加固方法對(duì)應(yīng)的安全性指標(biāo)極值)，評(píng)分可為100。利用分段函數(shù)建立橋梁加固后各指標(biāo)的評(píng)分計(jì)算函數(shù)?？傻?/p>

(18)

式中：y—?jiǎng)偠茸兓侍岣叩脑u(píng)分。

5 橋梁加固后安全性適用性評(píng)估方法研究

5.1 適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)

加固效果的適用性評(píng)價(jià)方面，選取由涉及加固適用方面的基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括加固材料利用率及運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)效果兩個(gè)方面。

(1)加固層利用率KJ的定義為加固后控制截面加固層的最大荷載效應(yīng)與其承載能力之比

(19)

加固材料利用率的耐久性影響修正方法與上節(jié)中關(guān)于安全性指標(biāo)修正方法一致。

(2)運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)效果。根據(jù)不同的橋梁類型，提供對(duì)原結(jié)構(gòu)病害在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)荷載條件下的加固效果評(píng)價(jià)，反映加固后整體的效果。

5.2 適用性評(píng)價(jià)評(píng)分方法

(1)加固層利用率評(píng)分

由于加固方法的不同，加固層的最高利用率亦不同。因此，加固層利用率的最高值是由加固方法的不同而進(jìn)行取值的。設(shè)加固工程的最高加固層利用率為KMmax，(0

(20)

(2)運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)效果評(píng)分

可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的實(shí)際情況，對(duì)橋梁加固后原病害的調(diào)查進(jìn)行評(píng)分。運(yùn)營(yíng)效果檢驗(yàn)評(píng)價(jià)評(píng)分總分為100分，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行打分。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)現(xiàn)行可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及分層綜合法，將橋梁加固工程效果評(píng)價(jià)分為三個(gè)層面的評(píng)價(jià)——安全性、耐久性以及適用性。并且根據(jù)各層面的含義不同，將它們?cè)俅畏譃椴煌闹笜?biāo)層。建立起橋梁加固工程效果評(píng)價(jià)體系。

(2)在《公路橋涵技術(shù)狀況評(píng)定規(guī)程》的基礎(chǔ)上，本文提出了一套適合于橋梁加固后評(píng)估的結(jié)構(gòu)拆解方法。并利用此方法建立了加固后結(jié)構(gòu)層次分析評(píng)價(jià)評(píng)分體系及評(píng)分方法。

(3)在層次分析評(píng)分方法研究中，本文利用層次分析法提出了加固效果各級(jí)指標(biāo)以及結(jié)構(gòu)層次的合理權(quán)值。

(4)提出了包括結(jié)構(gòu)耐久性、安全性以及適用性各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)評(píng)分方法。

(5)在以往研究中，結(jié)構(gòu)耐久性、安全性以及適用性的評(píng)價(jià)是平行獨(dú)立的。然而實(shí)際中，結(jié)構(gòu)性的降低會(huì)導(dǎo)致安全性及適用性不同程度的受到影響。因此，在本文中，針對(duì)橋梁加固工程安全性及適用性的評(píng)價(jià)考慮了加固工程耐久性的影響。

通過本文的研究，提出一套針對(duì)高速公路常見橋梁及常見加固方法的加固后效果評(píng)估方法。本方法結(jié)合了現(xiàn)行規(guī)范以及加固工程的特點(diǎn)，適用性強(qiáng)，適合廣泛的工程評(píng)估人員使用，能在將來切實(shí)的運(yùn)用到實(shí)際的橋梁加固后評(píng)估中。