基于AHP的在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)方法研究

羅偉玲，劉啟林

(1.廣東冠粵路橋有限公司，廣州 511450；2.廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550)

0 引言

橋梁基礎(chǔ)是橋梁結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件之一，承擔(dān)了上部結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)傳來(lái)的全部荷載。由于基礎(chǔ)往往深埋于地下或水下，橋梁施工中容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，橋梁建成后也難以對(duì)其狀況進(jìn)行檢查評(píng)估。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，受周邊環(huán)境和運(yùn)營(yíng)條件的影響，不同橋位的基礎(chǔ)狀況必然會(huì)出現(xiàn)較大的差異，因此有必要對(duì)不同狀況的基礎(chǔ)采取不同的養(yǎng)護(hù)和專項(xiàng)檢查措施，即進(jìn)行分級(jí)養(yǎng)護(hù)。

美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)[1]將橋梁劃分為下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、橋面三個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)每座橋梁收集90個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，將橋梁結(jié)構(gòu)缺陷劃分成10級(jí)來(lái)評(píng)估橋梁的缺陷狀態(tài)，但未制訂對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)對(duì)策。H.G.Melhem和Senaka Aturaliya[2]采用專家系統(tǒng)工具CLIPS建立了橋梁總體評(píng)價(jià)程序，基于重要性兩兩比較矩陣得到的權(quán)重，提出了采用模糊加權(quán)向量法對(duì)橋梁狀況進(jìn)行評(píng)估。該系統(tǒng)將橋梁結(jié)構(gòu)狀況分為9級(jí)，并按照各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重及評(píng)價(jià)結(jié)果制訂檢測(cè)和維修策略，但沒有專門針對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

我國(guó)現(xiàn)行公路和城市橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范中[4-5]，將公路橋梁養(yǎng)護(hù)等級(jí)劃分為3級(jí)，沒有專門對(duì)基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)。其中橋梁養(yǎng)護(hù)分級(jí)主要考慮橋梁跨徑和技術(shù)狀況兩個(gè)因素，而橋梁技術(shù)狀況的評(píng)定側(cè)重于上部結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)，且評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)整橋的類別評(píng)定影響很小。李濤[3]對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的抗力衰減情況進(jìn)行了研究，建立了基于現(xiàn)狀的安全性評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，但仍將其作為下部結(jié)構(gòu)評(píng)估的一個(gè)子項(xiàng)。陳亮[6]參照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H 21-2011)，提出了橋梁水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷、基礎(chǔ)變形和混凝土表面病害嚴(yán)重程度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，為現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估體系提供補(bǔ)充。

綜上所述，目前尚沒有專門的在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于橋梁基礎(chǔ)所處環(huán)境及自身特點(diǎn)與上部結(jié)構(gòu)差異較大，有必要建立一套專用的在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)方法。

1 在役橋梁基礎(chǔ)分級(jí)的目標(biāo)和意義

在役橋梁基礎(chǔ)分級(jí)的目標(biāo)是根據(jù)橋梁基礎(chǔ)總體狀況確定對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)等級(jí)，由于目前尚沒有專門針對(duì)橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)的相關(guān)規(guī)范，可參照《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JCJJ 99-2017)，將在役橋梁基礎(chǔ)劃分為5個(gè)養(yǎng)護(hù)等級(jí)。具體的養(yǎng)護(hù)等級(jí)根據(jù)評(píng)估因素的打分值乘以相應(yīng)權(quán)重后求和確定，各等級(jí)的分值區(qū)間見表1，滿分為100分。對(duì)不同養(yǎng)護(hù)等級(jí)的橋梁基礎(chǔ)應(yīng)采取針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)對(duì)策，需要說(shuō)明的是此養(yǎng)護(hù)對(duì)策僅是指導(dǎo)性意見，具體的養(yǎng)護(hù)措施還需通過(guò)專項(xiàng)檢查的結(jié)果，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和專家意見確定。

表1 在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)等級(jí)劃分

對(duì)在役橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行分級(jí)主要具有以下幾方面的意義：(1)明確各橋梁基礎(chǔ)總體狀況，便于管養(yǎng)單位有針對(duì)性地采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施；(2)在專項(xiàng)檢查時(shí)可以針對(duì)不同級(jí)別確定相應(yīng)的抽檢比例，有利于節(jié)省檢測(cè)費(fèi)用和檢測(cè)效益的最大化；(3)為改擴(kuò)建工程基礎(chǔ)再利用提供設(shè)計(jì)和施工依據(jù)。

2 在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)需考慮的因素

由于在役橋梁基礎(chǔ)深埋于地下或水下，有許多指標(biāo)不能通過(guò)檢測(cè)直接得到，對(duì)在役橋梁基礎(chǔ)總體狀況的評(píng)價(jià)可以從竣工后的初始狀態(tài)、基礎(chǔ)所服役的環(huán)境條件以及基礎(chǔ)目前狀況(分別對(duì)應(yīng)原始狀態(tài)、服役環(huán)境、運(yùn)營(yíng)狀況)3個(gè)維度來(lái)考慮?？紤]到目標(biāo)是確定基礎(chǔ)的養(yǎng)護(hù)等級(jí)，并不需要像技術(shù)狀況或承載能力評(píng)定那樣進(jìn)行非常細(xì)致的分析，只要抓住影響分級(jí)的主要因素即可。

2.1 基礎(chǔ)的原始狀態(tài)

原始狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)物施工完成后的狀態(tài)。對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)，可以很容易地通過(guò)測(cè)量來(lái)確定結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求；而橋梁基礎(chǔ)由于深埋于地下，檢測(cè)手段受到很大限制，往往需要借助竣工資料來(lái)確認(rèn)其各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此竣工資料的完整性和準(zhǔn)確性非常重要。對(duì)于施工年代較早的橋梁，由于當(dāng)時(shí)對(duì)工程資料的收集、歸檔不規(guī)范，往往存在竣工資料缺失的情況，導(dǎo)致無(wú)法追溯基礎(chǔ)的原始狀態(tài)，因此竣工資料的完整性可作為基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的一個(gè)主要因素。

竣工資料的類型眾多，而橋梁基礎(chǔ)形式以樁基礎(chǔ)為主，其中與基礎(chǔ)原始狀態(tài)關(guān)系最大的是基樁檢測(cè)的樁身完整性，因此把樁身完整性檢測(cè)結(jié)果單獨(dú)作為基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的一個(gè)主要因素。此外，如施工圖、施工記錄、地質(zhì)資料等作為基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的另一個(gè)主要因素。工程實(shí)踐中還有一種情況經(jīng)常遇到，一些運(yùn)營(yíng)多年的橋梁在后期補(bǔ)充勘察中，發(fā)現(xiàn)實(shí)際的地質(zhì)情況與建設(shè)期地勘資料差異較大，出現(xiàn)按竣工樁長(zhǎng)驗(yàn)算的部分單樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求的情況，因此將地勘資料的差異性也作為橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的一個(gè)主要因素。

2.2 基礎(chǔ)的服役環(huán)境

橋梁基礎(chǔ)服役的環(huán)境與上部結(jié)構(gòu)差別較大，上部結(jié)構(gòu)暴露于大氣中，基礎(chǔ)埋于地表以下，一般情況下其服役狀態(tài)是相對(duì)穩(wěn)定的。但當(dāng)發(fā)生比較大的地表(或河床)變位，如不平衡填土或開挖時(shí)，容易造成基礎(chǔ)滑移、失穩(wěn)等嚴(yán)重的病害，因此地表變位是基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的一個(gè)重要因素。水中基礎(chǔ)面臨的主要病害是沖刷，由于樁周土體被水流沖刷掉，樁基礎(chǔ)水平承載能力明顯降低，如遇到船舶撞擊，可能造成橋墩失穩(wěn)倒塌的嚴(yán)重后果，因此沖刷也是水中基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的一個(gè)主要因素。此外，氯離子等化學(xué)腐蝕環(huán)境對(duì)橋梁基礎(chǔ)有長(zhǎng)期不利的影響，特別是在基礎(chǔ)本身帶有混凝土開裂、露筋等損傷的情況下，對(duì)橋梁基礎(chǔ)的耐久性影響更大，因此將腐蝕列為基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的一個(gè)主要因素。

2.3 基礎(chǔ)的運(yùn)營(yíng)狀況

經(jīng)過(guò)多年的服役，橋梁基礎(chǔ)往往會(huì)產(chǎn)生一些病害，其病害的類型與上部結(jié)構(gòu)也不一樣。其中容易觀測(cè)并且常見的病害是沉降和傾斜，過(guò)大的不均勻沉降和傾斜會(huì)造成上部結(jié)構(gòu)開裂，嚴(yán)重的可導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，失去承載能力，因此沉降和傾斜是基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的兩個(gè)主要因素。此外承臺(tái)和水中樁基的干濕交替區(qū)還容易產(chǎn)生混凝土開裂、破損、露筋等結(jié)構(gòu)損傷，由于結(jié)構(gòu)損傷的類型較多，可將各種損傷類型統(tǒng)一考慮，列為基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)定的一個(gè)重要因素。

3 確定評(píng)估因素權(quán)重的方法

分析了在役橋梁基礎(chǔ)總體狀況進(jìn)行養(yǎng)護(hù)分級(jí)需要考慮的主要因素后，在分級(jí)評(píng)估時(shí)首先要確定各因素所占的權(quán)重，然后根據(jù)各因素的實(shí)際狀況進(jìn)行打分，將打分值乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)重后求和，確定養(yǎng)護(hù)等級(jí)。由于需考慮的因素較多，直接確定各因素的權(quán)重較難，但是比較兩個(gè)因素的相對(duì)重要程度較易做到。基于以上特點(diǎn)，為盡量減少人為的主觀影響，本文采用層次分析法(AHP)確定各因素的權(quán)重。

3.1 AHP法簡(jiǎn)介

層次分析法[7]( Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)由美國(guó)匹茲堡大學(xué)的T.L.Saaty教授在20世紀(jì)70年代提出，是一種多層次權(quán)重分析的決策方法，其基本原理是將復(fù)雜問(wèn)題中的各因素劃分成相互關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟?，使之條理化，根據(jù)一定的客觀判斷，對(duì)每一層次中每?jī)稍氐南鄬?duì)重要性給出定量表示，計(jì)算出每一層次全部元素的權(quán)重并加以排序，最終可以得到最底層元素對(duì)分析目標(biāo)的權(quán)重值。

AHP法一般可以分為4個(gè)步驟：(1)建立層次結(jié)構(gòu)分析模型；(2)采用1～9標(biāo)度法對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣；(3)進(jìn)行層次單排序和層次總排序，獲取各因素權(quán)重；(4)一致性檢驗(yàn)。

表2 AHP判斷矩陣的9個(gè)標(biāo)度

3.2 AHP法的實(shí)現(xiàn)

由于AHP法通過(guò)構(gòu)造判斷矩陣來(lái)進(jìn)行矩陣計(jì)算，當(dāng)考慮因素較多時(shí)計(jì)算量很大，因此一般需要編制算法或借助專業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文使用層次分析法專業(yè)軟件yaahp進(jìn)行分析計(jì)算，該軟件可以在輸入判斷矩陣的同時(shí)實(shí)時(shí)顯示一致性檢驗(yàn)結(jié)果，幫助使用者調(diào)整判斷矩陣。

3.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)分析模型

基于上文的分析，建立在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)層次結(jié)構(gòu)模型。該模型由三個(gè)層次組成，第一層是目標(biāo)層，即進(jìn)行在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)估；第二層是分級(jí)評(píng)估考慮的三個(gè)維度；第三層是各維度下主要的影響因素。

3.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣即對(duì)同一層次下各因素的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)判，一般可以通過(guò)咨詢專家意見或結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定。本文以服役環(huán)境為例說(shuō)明判斷矩陣的構(gòu)造方法，如圖1所示，服役環(huán)境下面有腐蝕、地表變位、沖刷三個(gè)考慮因素，其中地表變位可能會(huì)造成基礎(chǔ)傾斜的后果，沖刷一定會(huì)造成基礎(chǔ)水平承載能力的下降，因此可認(rèn)為沖刷比地表變位稍微重要。腐蝕主要是造成基礎(chǔ)耐久性能下降，其對(duì)基礎(chǔ)影響程度不如另兩個(gè)因素，因此可認(rèn)為地表變位比腐蝕比較重要，沖刷比腐蝕十分重要。這樣可得到服役環(huán)境維度的判斷矩陣，如圖2所示。

圖1 在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)層次結(jié)構(gòu)模型

圖2 服役環(huán)境判斷矩陣

同樣地，通過(guò)咨詢專家意見，可以得到其他的判斷矩陣，如圖3～圖5所示。

圖3 原始狀態(tài)判斷矩陣

圖4 運(yùn)營(yíng)狀況判斷矩陣

圖5 分級(jí)評(píng)估(目標(biāo)層)判斷矩陣

3.2.3 確定各因素權(quán)重

由于判斷矩陣在構(gòu)造過(guò)程中已經(jīng)通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，可直接使用yaahp軟件計(jì)算各因素所占的權(quán)重，而不用反復(fù)修正。圖6所示為yaahp軟件計(jì)算的在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)三個(gè)維度及相應(yīng)的評(píng)估因素權(quán)重值。

圖6 評(píng)估因素權(quán)重值

4 評(píng)估因素分值的獲取

各評(píng)估因素所占的權(quán)重確定后，下一步要獲取各因素的評(píng)分值。對(duì)于規(guī)范有具體評(píng)分方法的可參照規(guī)范對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行打分，其它因素的評(píng)分值可根據(jù)相關(guān)資料或檢查結(jié)果打分得到。例如對(duì)沖刷、沉降、傾斜、損傷(開裂、露筋等)可根據(jù)基礎(chǔ)狀況參照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011)分5個(gè)標(biāo)度進(jìn)行評(píng)分，每個(gè)標(biāo)度對(duì)應(yīng)一個(gè)分值區(qū)間，具體分?jǐn)?shù)根據(jù)實(shí)際狀況確定；地表變位可根據(jù)地表變化情況及變位后果(滑移和失穩(wěn)等)，參照該評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分；腐蝕因素可根據(jù)基礎(chǔ)所處環(huán)境的類別，參照《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 51355-2019)[8]進(jìn)行評(píng)分(表3～表8)。

表3 腐蝕評(píng)分

表4 地表變位評(píng)分

表5 沖刷評(píng)分

表6 損傷評(píng)分

表7 沉降評(píng)分

表8 傾斜評(píng)分

與基礎(chǔ)原始狀態(tài)相關(guān)的樁身完整性、竣工資料完整性、地勘資料差異性等三個(gè)因素可以通過(guò)對(duì)歷史資料的收集、查找得到。由于3類樁不允許使用，在實(shí)際工程中使用的樁身完整性只有1類樁和2類樁兩種情況，再加上早期工程建設(shè)中可能存在部分基樁樁身完整性沒有檢測(cè)或檢測(cè)資料遺失的情況，可以將樁身完整性分3個(gè)標(biāo)度進(jìn)行評(píng)分，每個(gè)標(biāo)度對(duì)應(yīng)一個(gè)分值區(qū)間，具體分?jǐn)?shù)根據(jù)1類樁比例確定(表9)。類似地，竣工資料完整性、地勘資料差異性也分3個(gè)標(biāo)度進(jìn)行評(píng)分(表10和表11)。

表9 樁身完整性評(píng)分

表10 竣工資料完整性評(píng)分

表11 地勘資料差異性評(píng)分

5 工程應(yīng)用示例

在初步建立了在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)估體系的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例，介紹該體系的具體運(yùn)用方法。

莞佛高速公路太平大橋主橋位于廣東珠三角地區(qū)，橋梁基礎(chǔ)型式為鉆孔樁基礎(chǔ)，均為水中樁。

經(jīng)查閱竣工資料，該橋原始狀態(tài)評(píng)分計(jì)算見表12。

表12 原始狀態(tài)評(píng)分計(jì)算

根據(jù)橋梁檢查報(bào)告、 耐久性檢測(cè)報(bào)告和河床調(diào)查報(bào)告，該橋服役環(huán)境評(píng)分計(jì)算見表13。

表13 服役環(huán)境評(píng)分計(jì)算

根據(jù)定期檢查報(bào)告、水中樁基檢查報(bào)告和沉降監(jiān)測(cè)報(bào)告，該橋運(yùn)營(yíng)狀況評(píng)分計(jì)算見表14。

表14 運(yùn)營(yíng)狀況評(píng)分計(jì)算

計(jì)算總評(píng)分值為：9.67+25.628+44.647=79.945，對(duì)照表1可知評(píng)定養(yǎng)護(hù)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，總體狀況需要關(guān)注，建議采取針對(duì)性的專項(xiàng)檢查或進(jìn)行維修。

由于在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)沒有現(xiàn)成的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可供對(duì)比驗(yàn)證，參考中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司2021對(duì)該橋所進(jìn)行的定期檢查和2020年下部結(jié)構(gòu)專項(xiàng)檢查的結(jié)果及建議：該橋下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定為3類；對(duì)主墩地質(zhì)情況進(jìn)行專項(xiàng)核查，以核驗(yàn)基樁承載力；對(duì)主墩及過(guò)渡墩基礎(chǔ)采取加樁等方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或部分更換，以提升其承載能力、抗推剛度和耐久性。其結(jié)果及建議與本文養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)估結(jié)論基本一致，說(shuō)明本文提出的在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)方法具備合理性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于AHP的在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)方法，從原始狀態(tài)、服役環(huán)境、運(yùn)營(yíng)狀況3個(gè)維度進(jìn)行評(píng)估分級(jí)。橋梁狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多，本文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)選取了9個(gè)影響因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，目的在于建立在役橋梁基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)分級(jí)評(píng)估體系的總體框架，用以指導(dǎo)具體的養(yǎng)護(hù)工作。在實(shí)踐應(yīng)用中，建議結(jié)合工程項(xiàng)目的具體情況，進(jìn)一步細(xì)化并增加對(duì)其它相關(guān)因素的分析評(píng)估，使評(píng)估體系更加完善、評(píng)估結(jié)果更具有針對(duì)性。