基于可拓理論的梁板式碼頭耐久性評價

(浙江工業(yè)大學 土木工程學院，浙江 杭州 310023)

近年來，我國的水運建設(shè)行業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，水運工程質(zhì)量管理工作取得了顯著成效，現(xiàn)行的水運工程質(zhì)量管理工作主要以定性評價為主，缺乏定量的數(shù)學評價模型。自20世紀60年代以來，國內(nèi)外很多混凝土工程出現(xiàn)了不同程度的損壞，其中以混凝土耐久性問題尤為突出，且耐久性失效過程極為復(fù)雜[1-5]。碼頭作為水運交通工程中的重要組成部分，不少學者對碼頭混凝土耐久性進行了大量的研究，其中針對鋼筋混凝土材料層次和構(gòu)件層次的耐久性研究相對比較多。目前，在工程整體結(jié)構(gòu)層次方面，基本從耐久性的計算或構(gòu)造措施等方面對工程的耐久性進行設(shè)計，對在役結(jié)構(gòu)的耐久性評價大多依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗法。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，針對如何利用計算機和數(shù)據(jù)模型進行評價還沒有比較理想的方法，針對水運工程整體的耐久性評價，目前也還沒有具體的規(guī)范[6]，在實際工程中主要還是以經(jīng)驗為主。在碼頭整個服役期間，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地會受到周圍環(huán)境的物理、化學和生物作用，從而出現(xiàn)因耐久性破壞而導致的混凝土結(jié)構(gòu)失效甚至破壞的情況，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至威脅人民群眾的生命安全。開展碼頭耐久性評價方法的研究，不僅可以確保碼頭初期設(shè)計階段更加有針對性，對碼頭整體質(zhì)量的提高具有積極意義，而且出現(xiàn)碼頭耐久性問題時也能第一時間采取相應(yīng)的措施進行維修整改，從而節(jié)約了工程建設(shè)的壽命成本，這也是水運工程可持續(xù)發(fā)展的需要。

目前，耐久性評價方法有傳統(tǒng)經(jīng)驗法、模糊綜合評價法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、灰色理論評價法和可拓評價法等[7]。模糊綜合評價法對指標的權(quán)重確定較為主觀，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法對數(shù)據(jù)量的要求較高，而灰色理論評價法對事先確定參考資料的最優(yōu)值具有一定的局限性，可拓理論引入了距的概念，指標在同一評價等級范圍內(nèi)也有程度上的區(qū)別，計算得到的貼進度不存在信息丟失的問題，將可拓理論應(yīng)用于耐久性評價具有一定的優(yōu)勢。筆者基于可拓理論[8-10]建立了浙江省某鋼筋混凝土梁板式碼頭的耐久性評價模型，用熵權(quán)法[11]確定權(quán)重，采用最大隸屬度[12]原則對其進行評級。

1 可拓學評價模型

于1983年由蔡文提出的可拓學已經(jīng)歷了30余年的發(fā)展，其基本理論框架、可拓論體系和可拓創(chuàng)新方法體系已初步形成，并被廣泛應(yīng)用于各類工程學科中。可拓學的應(yīng)用成效不在于發(fā)現(xiàn)新的事物，而在于通過它本身的理論方法給其他領(lǐng)域提供一種新的思維和方法。

可拓集論是可拓學的理論支柱之一?？赏丶窃诮?jīng)典集和模糊集的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的另一集合概念。經(jīng)典集描述的是事物的確定性概念，用0和1兩個數(shù)來表示對象屬于某一集合或者不屬于該集合模糊集，描述的是事物的模糊性，用[0，1]中的數(shù)來描述事物具有某種性質(zhì)的程度；可拓集描述的是事物的可變性，用(-∞，+∞)中的數(shù)來描述事物具有某種性質(zhì)的程度。

為了形式化描述物、事和關(guān)系，可拓學建立了物元、事元和關(guān)系元的概念，筆者應(yīng)用到的物元指的是對象、特征以及對象所對應(yīng)特征的量值。其中量值指的是一物關(guān)于某一特征的范圍?？赏貙W把實變函數(shù)的“距離”概念轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱赏鼐唷?，建立了以可拓距為基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)函數(shù)?？赏貙W中基元的建立，將原本的數(shù)學模型轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)與量結(jié)合起來研究的可拓模型，其主要原理是將評價指標體系以及其特征值作為物元，再根據(jù)工程的評價等級和實際所測數(shù)據(jù)從定性到定量來建立評價模型[13-14]。

1.1 確定經(jīng)典域與節(jié)域

可拓學中經(jīng)典域表示為

式中：Nj為碼頭耐久性的評價等級；Cj為評價指標；Vij=〈aij,bij〉則為Nj關(guān)于指標Cj的數(shù)值范圍。

節(jié)域表示為

式中：P為全體類別；Vip=〈aip,bip〉為P關(guān)于Ci所取的量值范圍，即為P的節(jié)域，且Vij?Vip(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)。

考慮實測到的某一指標數(shù)值可能會超出節(jié)域的情況，因此將R0中元素規(guī)格化，采用最大貼進度法[15]得到新的經(jīng)典域，即

1.2 確定待評物元

1.3 定義貼進度

規(guī)格化處理后的經(jīng)典域量值范圍的距離為

Dj(v′i)=ρ(v′i,V′i)

(1)

1.4 確定權(quán)重

采用熵權(quán)法計算權(quán)重，對上一步確定的關(guān)聯(lián)度矩陣進行標準化計算，即

(2)

(3)

確定指標的權(quán)重，即

(4)

1.5 等級評定

定義貼進度為

(5)

(6)

式中：j=1,2,…,m。

(7)

2 碼頭耐久性指標體系建立

碼頭的耐久性等級可分為A，B，C，D 4個等級，即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級。Ⅰ級表示碼頭耐久性滿足設(shè)計使用年限要求，無需采取措施；Ⅱ級表示碼頭耐久性不滿足設(shè)計使用年限要求，結(jié)構(gòu)損傷尚不影響承載能力，需要及時采取修復(fù)措施；Ⅲ級表示碼頭耐久性不滿足設(shè)計使用年限要求，結(jié)構(gòu)損傷已影響承載能力，應(yīng)立即采取修復(fù)、補強措施；Ⅳ級表示碼頭耐久性不滿足設(shè)計使用年限要求，結(jié)構(gòu)嚴重損壞，視條件采取修復(fù)、補強措施或報廢。

從影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的幾個主要影響因素出發(fā)，由于目前對碼頭的耐久性評價指標沒有進行明確確定，參照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50476—2019)、《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》(JTS 304—2019)以及通過咨詢多位專家，并根據(jù)專家所給出的建議，最終選取了6 個碼頭耐久性評價的指標。各指標的分級評價標準見表1。

表1 耐久性指標等級評價標準Table 1 Evaluation standard of durability index grade

3 工程實例應(yīng)用

3.1 工程概況

浙江省某碼頭采用鋼筋混凝土梁板形式，碼頭平臺設(shè)計高程為12.2 m，設(shè)計泥面高程為2.3 m，碼頭大致呈T字型，主要由碼頭平臺和一座引橋組成，碼頭的平臺長50 m，寬10 m。引橋主要用來連接碼頭平臺和陸地區(qū)域，引橋長65 m，寬5.85 m。筆者對該碼頭平臺中的一橫梁進行應(yīng)用。

3.2 檢測內(nèi)容

根據(jù)評價模型前期確定的各項指標，對結(jié)構(gòu)的主要檢測項目有鋼筋銹蝕電位、混凝土保護層厚度、氯離子含量、混凝土強度、電阻率和裂縫寬度等。

采用半電位自然電位法測試鋼筋銹蝕電位，測試方法為在混凝土表面水平方向和豎直方向布置完測線后，將其交點作為待測點，待測點間距控制在50 cm以內(nèi)，注意設(shè)置間距不宜過小，間距設(shè)置過小將失去參考價值；為防止對構(gòu)件的損傷，采用回彈法現(xiàn)場檢測混凝土強度，檢測方法為在構(gòu)件表面選取若干個測區(qū)，每個測區(qū)測得16 個回彈值，最后取其平均值作為混凝土強度值；利用鋼筋保護層厚度測試儀測量混凝土保護層的厚度，對同一測點要求檢測兩次，且同一測點兩次檢測的相差值不應(yīng)大于1 mm，最后同樣取其平均值作為該測點的保護層厚度值，再取所有測點的平均值；采用沖擊鉆現(xiàn)場取粉法檢測氯離子含量，此方法也可避免對構(gòu)件的損傷，主要檢測深度5 cm處的氯離子含量；采用裂縫測寬儀檢測裂縫寬度，然后取平均值；采用四電極混凝土電阻率檢測儀檢測電阻率，多區(qū)域檢測，取其平均值。在取各指標平均值時都剔除了個別數(shù)值差異較大的數(shù)據(jù)。將檢測到的數(shù)據(jù)進行處理后得到文本評價體系所需的相應(yīng)值，橫梁的相關(guān)耐久性指標實測值見表2。

表2 實測耐久性評價指標Table 2 Measured durability evaluation index

3.3 物元的經(jīng)典域和節(jié)域

由于表1中存在指標界限出現(xiàn)正負無窮等情況，從而導致無具體的邊界值。文獻[16]證明了可拓學中側(cè)距關(guān)聯(lián)函數(shù)對無限區(qū)間關(guān)聯(lián)函數(shù)具有可替代性，因此可以在邊界區(qū)間取一個上(下)限值來構(gòu)成有限區(qū)間，并且所取的上(下)限值對關(guān)聯(lián)度以及后續(xù)計算結(jié)果不會造成影響。物元的經(jīng)典域R可表示為

節(jié)域可表示為

將原經(jīng)典域規(guī)格化處理得到新經(jīng)典域，即

3.4 確定待評物元

根據(jù)檢測到的相關(guān)指標數(shù)據(jù)，目標橫梁的待評物元可表示為

同理，規(guī)格化得到

3.5 確定各指標權(quán)重及貼進度

由式(1)可求得規(guī)格化后的指標量值關(guān)于經(jīng)典域的距離(點與區(qū)間的距離)，結(jié)果為

再由式(2～4)確定指標的權(quán)重為

ω=[0.166,0.167,0.169,0.167,0.165,0.165]

3.6 等級評定

由式(5，6)可求得Nj(R)=[0.995,0.959,0.734,0.495]，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，該測評對象的等級為Ⅰ級。再根據(jù)式(7)可求得評價等級的特征值為1.78。由特征值可以說明此橫梁的耐久性等級為Ⅱ級，精確地說為1.78級，處于Ⅰ級與Ⅱ級之間，更偏向于Ⅱ級。近期的質(zhì)檢報告中其耐久性評價等級也為二級，與上述評價方法所得到的結(jié)果相符。因此該評價模型大致適用。

4 結(jié) 論

筆者建立了以可拓理論為基礎(chǔ)的碼頭耐久性評價模型，將可拓學方法應(yīng)用于碼頭結(jié)構(gòu)耐久性評價中，實現(xiàn)了從定性到定量的轉(zhuǎn)變，指標在同一評價等級范圍內(nèi)也有程度上的差別，增強了評價的客觀性，使得復(fù)雜的耐久性問題更加層次化、定量化。該評價模型不僅能為碼頭工程耐久性問題的維修措施和維修順序提供實際的指導，而且能為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范的進一步完善提供一定的參考。