基于灰色關(guān)聯(lián)法的自然環(huán)境對(duì)西藏橋梁病害的研究

張婭婷，梁錦浩，侯升起

（西藏大學(xué)工學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

1 引言

橋梁是公路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，橋梁的生命周期中，不僅僅要承受車輛行人等荷載，還要受到自然環(huán)境的嚴(yán)酷考驗(yàn)[1]，對(duì)人們的出行安全構(gòu)成威脅?？茖W(xué)的分析自然環(huán)境對(duì)西藏橋梁病害部位的影響，對(duì)今后西藏地區(qū)橋梁養(yǎng)護(hù)和管理具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，已有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者就自然環(huán)境對(duì)橋梁病害問(wèn)題做了深入研究。宋春霞等人提出水中樁基礎(chǔ)病害的預(yù)防應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工以及養(yǎng)護(hù)等方面出發(fā)防治病害[2]。解玉俠等人應(yīng)用了多元分析的方法，分析自然環(huán)境對(duì)橋梁病害的影響[3]。張鵬等人通過(guò)對(duì)鹽堿地區(qū)的橋梁進(jìn)行調(diào)查，提出改造、重建橋梁從荷載標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)選型、耐久性設(shè)計(jì)這三方面出發(fā)的建議[4]。呂娜娜對(duì)141 座在役橋梁病害數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理，總結(jié)出主要的病害類型[5]。劉宏偉等人分析橋涵病害與不同氣候、地形、地質(zhì)之間的關(guān)系，總結(jié)出青海省常見(jiàn)的橋梁病害類型[6]。

本文利用灰色關(guān)聯(lián)分析模型，通過(guò)對(duì)西藏地區(qū)22個(gè)公路養(yǎng)護(hù)段橋梁病害和自然環(huán)境的相關(guān)性進(jìn)行分析，為今后西藏地區(qū)橋梁養(yǎng)護(hù)和管理提供依據(jù)。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色系統(tǒng)理論是我國(guó)著名學(xué)者鄧聚龍教授于1982年提出的[7]，該理論所需數(shù)據(jù)量小，在眾多科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[8]。在西藏橋梁病害的分析中，以橋梁病害部位為原始序列，橋梁病害的各個(gè)影響因素為比較序列，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

2.1 確定參考序列與比較序列

（1）選取橋梁組成部分指標(biāo)

橋梁是道路的重要組成部分，是使車輛行人能夠通行的構(gòu)筑物。選擇橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬構(gòu)造物病害部位作為橋梁的指標(biāo)。設(shè)為

（2）選取自然環(huán)境因素指標(biāo)

西藏地區(qū)特殊的自然環(huán)境對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性以及承載力有很大的影響。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研法以及西藏地區(qū)實(shí)際的情況，本文選取8 個(gè)自然環(huán)境[3]具有典型意義的指標(biāo)，分別為高寒、高溫差、太陽(yáng)輻射、日照長(zhǎng)、降雨量、空氣濕度、凍土以及大風(fēng)。設(shè)為

2.2 數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理

由于各個(gè)因素之間計(jì)量單位和數(shù)量級(jí)的不同，無(wú)法對(duì)各個(gè)因素直接計(jì)算。采用無(wú)量綱化處理數(shù)據(jù)的方法，常用的無(wú)量綱化的處理方法有均值法、極值法、歸一化[9]。本文采用均值化的無(wú)量綱化方法，應(yīng)用公式（1）（2）對(duì)參考序列和比較序列進(jìn)行無(wú)量綱化處理[10]：

（1）式中，Zi是比較序列的均值化數(shù)列；

i=1,2,...,n;k=1,2,...,m。Xi(k)是比較序列。

（2）式中，Z0是參考序列的均值化數(shù)列。X0( k)是參考序列。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

（3）式中，ξ0i（k）是原始序列Z0 和比較序列Zi 的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。為絕對(duì)差值。ε為分辨系數(shù)，當(dāng)ε≤0.5463 時(shí)，分辨力最好，本文分辨系數(shù)ε取0.5。

2.4 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

（4）式中ξ0 i(k)是原始序列與比較序列的關(guān)聯(lián)度；ri是關(guān)聯(lián)度值，ri的值越接近1，則因素之間的相關(guān)性越大。

3 自然環(huán)境對(duì)橋梁不同部位病害的灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 確定參考序列與比較序列

西藏地區(qū)自然環(huán)境因素較多，基于文獻(xiàn)調(diào)研法與實(shí)地的考情察況，結(jié)合數(shù)據(jù)的代表性與合理性。收集了西藏地區(qū)22 個(gè)公路[3][10]的自然環(huán)境作為比較序列，橋梁病害部位數(shù)目作為初始序列。

3.2 數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理

利用公式（1）（2）使用均值法對(duì)自然環(huán)境和病害部位的指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，因篇幅有限，得到主要數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化表表1。

表1 數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理表

3.3 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

利用公式（4）計(jì)算得到橋梁的各個(gè)病害部位與自然環(huán)境的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)表，對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)取均值進(jìn)行排序，排序結(jié)果如表2 所示。

表2 橋梁各個(gè)病害部位結(jié)構(gòu)與自然因素的灰色關(guān)聯(lián)度表

4 橋梁不同部位病害與自然環(huán)境關(guān)系的結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)橋梁不同部位病害與自然環(huán)境的灰色相關(guān)性分析，橋梁不同部位的病害與自然環(huán)境之間的關(guān)系主要從下列三個(gè)方面分析。

（1）橋梁上部結(jié)構(gòu)的病害是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析，得出上部結(jié)構(gòu)的病害主要由凍土、日照長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射、高溫差4種自然環(huán)境造成的，降雨量、大風(fēng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的病害影響較小。西藏高原高寒、日照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大，橋梁將會(huì)受到反復(fù)的凍融循環(huán)的侵蝕。因此相關(guān)性的分析真實(shí)地反映了自然環(huán)境對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響。

（2）橋梁下部結(jié)構(gòu)承載上部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用，橋臺(tái)、橋墩、基礎(chǔ)是影響橋梁承載力和耐久性的重要部分。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析，得出橋梁下部結(jié)構(gòu)的病害主要由空氣濕度、高溫差、降雨量3 種自然環(huán)境造成的，高寒、大風(fēng)對(duì)下部結(jié)構(gòu)的病害較小。在橋梁結(jié)構(gòu)耐久性和承載力設(shè)計(jì)和施工時(shí)，考慮對(duì)混凝土材料的基本要求以及各種耐久性能，從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)方面提高混凝土橋梁的耐久性和承載力。

（3）橋梁的附屬構(gòu)造物主要包括防撞墩、欄桿、伸縮縫、燈光照明。通過(guò)對(duì)自然環(huán)境和橋梁不同部位病害關(guān)聯(lián)性分析，得出橋梁附屬構(gòu)造物部位的病害主要由高溫差、日照時(shí)長(zhǎng)、凍土、太陽(yáng)輻射4 種自然環(huán)境造成的，大風(fēng)對(duì)橋梁附屬構(gòu)造物部位的病害較小。通過(guò)對(duì)西藏地區(qū)實(shí)地情況的考察以及文獻(xiàn)調(diào)研[11]，發(fā)現(xiàn)橋梁伸縮縫受氣溫變化影響較大，出現(xiàn)收縮或者膨脹的現(xiàn)象，與高溫差、日照、凍土、太陽(yáng)輻射等因素相關(guān)性較大，驗(yàn)證了灰色關(guān)聯(lián)分析模型的可行性與合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，得出西藏自然環(huán)境與當(dāng)?shù)貥蛄翰『Φ挠泻艽蟮南嚓P(guān)性，這也于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況相符合，驗(yàn)證了該方法的可行性與實(shí)用性。對(duì)提高橋梁承載力和耐久性的設(shè)計(jì)和施工，不僅要考慮混凝土材料的使用，還要考慮當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境與人為環(huán)境等因素的影響。本文可以為今后分析西藏地區(qū)橋梁病害作為參考。