層次分析法和熵權(quán)法模糊綜合評價(jià)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能

文章編號：1671-3559（2024）04-0503-08DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231109.001

摘要： 為了解決因舊水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性能評估結(jié)果經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)而無法為舊水泥混凝土路面改造成瀝青路面決策方案提供有效理論依據(jù)的問題，基于結(jié)構(gòu)性能評價(jià)指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)建水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能模糊綜合評價(jià)模型，從表面、 內(nèi)部和整體結(jié)構(gòu)狀況3個(gè)方面分別對舊水泥混凝土路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能評價(jià)；基于模糊評價(jià)法建立模糊關(guān)系矩陣，采用層次分析法和熵權(quán)法確定綜合權(quán)重向量，得到綜合評價(jià)向量和綜合評價(jià)等級，并利用所構(gòu)建模型和我國相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)模型，對上海市奉賢區(qū)和浙江省嘉興市的4段水泥混凝土路面FX-A、 FX-B、 JX-A、 JX-B進(jìn)行實(shí)例分析。結(jié)果表明：通過所構(gòu)建模型得到各路段按結(jié)構(gòu)性能從優(yōu)到差的順序?yàn)镴X-A、 JX-B、 FX-B、 FX-A；與我國相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)模型相比，所構(gòu)建模型的評價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際路面結(jié)構(gòu)性能。

關(guān)鍵詞： 道路工程； 結(jié)構(gòu)性能評價(jià)； 模糊綜合評價(jià)； 水泥混凝土路面； 層次分析法； 熵權(quán)法

中圖分類號： U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

開放科學(xué)識別碼（OSID碼）：

Fuzzy Comprehensive Evaluation on Structural Performances of

Cement Concrete Pavements Based on Analytic Hierarchy Process and

Entropy Weight Method

WU Sheng1，2， QIAO Ming1， SHI Bin3， HOU Rui4， CUI Na5

（1. Jiangxi Ganbei Highway Survey and Design Institute， Jiujiang 332099， Jiangxi， China;

2. Jiujiang Highway Emergency Rescue Brigade， Jiujiang City Highway Development Centre， Jiujiang 332000， Jiangxi， China;

3. College of Transportation Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China;

4. Shanghai Daochun Engineering Technology Research Co.， Ltd.， Shanghai 201804， China;

5. School of Civil Engineering and Architecture， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To solve the problem that structural performance evaluation results of old cement concrete pavements were too empirical to provide an effective theoretical basis for the decision-making plan of transforming old cement concrete pavements intoasphaltpavements，afuzzycomprehensiv evaluationmodelofcementconcretepavementstructuralperformances was constructed on the basis of structural performance evaluation indicators and statistical methods. Structural performances of old cement concrete pavements were evaluated from three aspects of surface， interior， and overall structure. On the basis of fuzzy evaluation method， a fuzzy relation matrix was established， and comprehensive weight vectors andcomprehensiveevaluationlevelsweredeterminedbyusinganalytichierarchyprocessandentropy weight method.

收稿日期： 2022-12-12""""""""" 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2023-11-13T11：28：03

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71874069）；江西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2020H0025，2020Q0019）

第一作者簡介： 吳晟（1967—），男，江西九江人。高級工程師，研究方向?yàn)榈缆仿肪€設(shè)計(jì)、 國省道改擴(kuò)建施工。E-mail： 791959565@qq.com。

通信作者簡介： 崔娜（1981—），女，黑龍江尚志人。教授，博士，研究方向?yàn)閼?yīng)急管理、 建筑材料可持續(xù)性評估。E-mail： cea_cuin@ujn.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231109.1734.002

Using the constructed model and pavement structural strength index model in relevant industry standards in China， case studies were conducted on four sections of cement concrete pavements FX-A， FX-B， JX-A， and JX-B in Fengxian District， Shanghai City and Jiaxing City， Zhejiang Province. The results show that the order of structural performance of each road section from best to worst is JX-A， JX-B， FX-B， and FX-A according to the constructed model. The evalu-ation results of the constructed model are more consistent with actual pavement structural performances compared with pavement structural strength index model in relevant industry standards in China.

Keywords： road engineering; structural performance evaluation; fuzzy comprehensive evaluation; cement concrete pavement; analytic hierarchy process; entropy weight method

隨著我國公路行業(yè)的蓬勃發(fā)展，全國公路網(wǎng)體系已經(jīng)基本形成。由于早期修建的以水泥混凝土為主的國省道交通量快速增長以及原路面公路等級較低，因此舊水泥混凝土路面出現(xiàn)了不同程度的損壞［1-3］，尤其是在一些礦產(chǎn)資源豐富的山區(qū)，重載車輛比例非常高，大多數(shù)水泥板塊都出現(xiàn)了破碎板等嚴(yán)重病害［4］。這些舊水泥混凝土路面亟需改造才能繼續(xù)正常服務(wù)?，F(xiàn)有水泥混凝土路面改造方案大多基于人為經(jīng)驗(yàn)和少量檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源類型單一，并未全面考慮水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)致改造方案決策存在盲目性，造成大量維養(yǎng)資金的浪費(fèi)。為了控制水泥混凝土路面改造的成本，并且充分利用原有路面結(jié)構(gòu)，需要對水泥混凝土路面進(jìn)行合理的路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)［5］。

路面結(jié)構(gòu)性能指的是路面結(jié)構(gòu)保持完整而不損壞的程度。 舊水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性能評價(jià)包括結(jié)構(gòu)完整性評價(jià)和結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)， 是路面使用狀況評價(jià)的重要組成部分， 并且對舊水泥混凝土路面改造、 制定養(yǎng)護(hù)方案措施有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義［6-7］。目前水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)主要基于單項(xiàng)指標(biāo)，例如路面脫空狀況、 接縫傳荷能力、 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。這些單項(xiàng)指標(biāo)不能全面地表征水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能，并且大多數(shù)指標(biāo)的評價(jià)對象是單塊水泥板，無法評價(jià)整體路段［6］。另外，水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)也是結(jié)構(gòu)性能評價(jià)的重要組成部分，可以定量表征當(dāng)前路面的結(jié)構(gòu)承載狀況，反映舊路的剩余壽命狀況［7］。目前主要通過經(jīng)驗(yàn)回歸法，如單點(diǎn)彎沉計(jì)算方法，反算獲得承載力參數(shù)，從而評價(jià)水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)承載能力，評價(jià)結(jié)果的可靠性較差［8］。針對水泥混凝土路面的綜合評價(jià)研究側(cè)重使用性能評價(jià)，主要包括抗滑性能、 路面平整度、 路面磨耗狀況等，僅涉及路面整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等簡單的路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)，缺乏水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的綜合評價(jià)研究?，F(xiàn)有的綜合評價(jià)法以專家打分法等主觀賦權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并未考慮實(shí)際路面狀況［9］。總體而言，已有研究中缺乏可以全面、 可靠地綜合評價(jià)路面結(jié)構(gòu)性能的手段、 方法。

為了準(zhǔn)確評估舊水泥混凝土路面的整體結(jié)構(gòu)性能，從而為后期水泥混凝土路面改造方案的選擇提供理論依據(jù)，本文中在借鑒我國相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和已有研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能模糊綜合評價(jià)模型（簡稱本文模型），全面評價(jià)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能，包括表面、 內(nèi)部和整體結(jié)構(gòu)狀況3個(gè)方面，并提出相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)；充分考慮實(shí)際路面狀況，利用基于專家經(jīng)驗(yàn)的層次分析法和考慮實(shí)測數(shù)據(jù)影響的熵權(quán)法綜合確定單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，基于模糊評價(jià)法綜合評價(jià)舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能，通過基于綜合評價(jià)向量結(jié)果的結(jié)構(gòu)損壞指數(shù)，量化水泥混凝土路面的整體結(jié)構(gòu)性能。

1" 評價(jià)指標(biāo)體系

以水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能為目標(biāo)，為了充分考慮多種因素的影響且各評價(jià)指標(biāo)應(yīng)相對獨(dú)立，需要從水泥混凝土路面表面、 內(nèi)部和整體結(jié)構(gòu)狀況3個(gè)方面分別評價(jià)。表面結(jié)構(gòu)狀況分為表面完整和主要結(jié)構(gòu)性能，分別用路面結(jié)構(gòu)性狀況指數(shù)（PSCI）和斷板率表征；內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況分為水泥板內(nèi)部和水泥板間結(jié)構(gòu)性能，分別用脫空率和接縫傳荷能力良好率表征；整體結(jié)構(gòu)狀況用結(jié)構(gòu)承載力良好率表征。以上指標(biāo)共同構(gòu)成水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)指標(biāo)體系。

1.1" PSCI

路面狀況指數(shù)（PCI）表征的是路面結(jié)構(gòu)和材料的完整性，是應(yīng)用最廣泛的路面狀況評價(jià)指標(biāo)，可以直觀地反映水泥混凝土路面表面的結(jié)構(gòu)性能［8］。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG 5210—2018《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》［8］，PCI計(jì)算所涉及的水泥混凝土損壞類型包括破碎板、 裂縫等11種。在水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)中，PSCI計(jì)算所涉及的損壞是結(jié)構(gòu)性損壞，僅包括破碎板、 裂縫、 板角斷裂、 錯臺、 拱起、 坑洞、 修補(bǔ)7種結(jié)構(gòu)性損壞。PSCI與PCI僅評價(jià)對象有所差異，因此仍按照PCI的表達(dá)式計(jì)算［8，10-11］。

1.2" 斷板率

斷板率是傳統(tǒng)的路面破損狀況評價(jià)指標(biāo)，指的是水泥板塊斷板個(gè)數(shù)與檢測路段板塊總塊數(shù)的比值，直接反映路面整體的主要結(jié)構(gòu)破壞狀況，可根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 073.1—2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》［10］進(jìn)行計(jì)算。

1.3" 脫空率

脫空是水泥混凝土路面典型的結(jié)構(gòu)性隱型病害，反映水泥板內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性能。由于單塊板的脫空狀況判定無法反映水泥混凝土路面的整體脫空狀況，因此需要評價(jià)某段水泥路整體脫空狀況。依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，脫空是水泥混凝土面板和水泥穩(wěn)定碎石基層之間黏結(jié)不連續(xù)逐漸導(dǎo)致的，脫空通常會連續(xù)出現(xiàn)［12］。首先，對單塊水泥板進(jìn)行脫空狀況是否良好的劃分。其次，利用道路結(jié)構(gòu)連續(xù)性空洞聲效檢測技術(shù)獲取檢測車產(chǎn)生機(jī)械振動的頻域信號，根據(jù)信號振幅即聲效表現(xiàn)值判定水泥板脫空狀況。當(dāng)聲效表現(xiàn)值大于0.52時(shí)，判定脫空嚴(yán)重，該值通過大量數(shù)據(jù)歸納所得。借鑒針對水泥混凝土路面整體路段的脫空評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建形式［4］，定義整體水泥混凝土路面脫空狀況指標(biāo)路面脫空率rv，評價(jià)某段水泥路整體脫空狀況，即

rv=nvn×100% ，（1）

式中： nv為調(diào)查的水泥板塊中脫空嚴(yán)重的個(gè)數(shù)； n為調(diào)查的水泥板塊總個(gè)數(shù)。

1.4" 接縫傳荷能力良好率

接縫傳荷能力減弱也是水泥混凝土路面典型的結(jié)構(gòu)性隱型病害，反映水泥板間的結(jié)構(gòu)性能。由于單塊板的接縫傳荷狀況評價(jià)無法反映水泥混凝土路面的整體接縫傳荷狀況，因此需要評價(jià)某段水泥路整體接縫傳荷狀況。首先，對單塊水泥板進(jìn)行接縫傳荷狀況良好狀況劃分。由于錯臺極大影響接縫傳荷能力的判定，因此借鑒文獻(xiàn)［3］，當(dāng)錯臺病害等級為中及以上時(shí)，判定接縫傳荷能力為0。按照良好與非良好劃分接縫傳荷系數(shù)，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］中的分級標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)接縫傳荷系數(shù)大于80%時(shí)，認(rèn)為水泥板間接縫傳荷能力良好，否則認(rèn)為不良好。其次，借鑒針對水泥混凝土路面整體路段的脫空評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建形式［13］，定義整段水泥混凝土路面的接縫傳荷能力評價(jià)指標(biāo)接縫傳荷能力良好率為

rt=ntn×100% ，（2）

式中nt為調(diào)查的水泥板塊中接縫傳荷能力良好的個(gè)數(shù)。

1.5" 結(jié)構(gòu)承載力良好率

結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)也是水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性健康狀況評價(jià)的重要組成部分， 反映水泥板整體的結(jié)構(gòu)性能。 基于落錘式彎沉儀（FWD）和表面波頻譜分析（SASW）評價(jià)水泥板結(jié)構(gòu)承載力， 并結(jié)合2種方式的評價(jià)特點(diǎn)， 預(yù)估快速、 可靠的剩余結(jié)構(gòu)承載力。

1.5.1" 基于形狀參數(shù)的評價(jià)

形狀參數(shù)通過換算為相對剛度半徑，間接反映路面結(jié)構(gòu)的剛度，是利用Simpson法則建立的FWD曲線下的部分面積，因此是一個(gè)傳感器位置表達(dá)式，單位為mm。形狀參數(shù)A的定義式［13］為

A=6（d0+2d1+2d2+d3）d0 ，（3）

式中d0、 d1、 d2、 d3分別為與承載板或荷載中心半徑距離等于0、 300、 600、 900 mm處的彎沉測量值。

1.5.2" 基于FWD的評價(jià)

FWD作為一種無損檢測手段，利用瑞利波（Rayleigh waves）的傳播原理獲取路面的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，如路基剛度、 路面各層動態(tài)彈性模量等，可以預(yù)測路面的結(jié)構(gòu)承載能力及衰減情況［14］。FWD通過小錘產(chǎn)生各種頻率表面波的瞬態(tài)垂直沖擊震源，然后利用接收器接收傳播而來的表面波，將頻譜分析儀獲得的信息進(jìn)行后處理，得到各層路面的剪切波速、 相位速度以及動態(tài)彈性模量。

1.5.3" 剩余結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)

形狀參數(shù)A可換算為相對剛度半徑，間接反映水泥板塊當(dāng)前的結(jié)構(gòu)承載能力；然而只能反映水泥混凝土路面是否滿足結(jié)構(gòu)承載力的要求，不能評價(jià)混凝土的剩余結(jié)構(gòu)承載力，因此在A的基礎(chǔ)上，借鑒瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)指標(biāo)即有效結(jié)構(gòu)能力的構(gòu)建形式［15］，定義表征混凝土的剩余承載力即路面結(jié)構(gòu)承載力衰減程度的面積比為

Ar=AeAc

，（4）

式中：Ae為試驗(yàn)組調(diào)查的水泥板塊行車位置的A值，反映當(dāng)前路面的結(jié)構(gòu)承載力； Ac為對照組調(diào)查的水泥板塊未行車位置或路肩處的A值，間接反映新建路面的結(jié)構(gòu)承載力。

SASW可以通過反算水泥混凝土的彈性模量，直接評價(jià)水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)承載能力。借鑒瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)指標(biāo)有效結(jié)構(gòu)能力的構(gòu)建形式［15］，定義表征混凝土的剩余結(jié)構(gòu)承載力的彈性模量比為

mr=memc ，（5）

式中： me為試驗(yàn)組調(diào)查的水泥板塊行車位置的彈性模量值，反映當(dāng)前路面的結(jié)構(gòu)承載力； mc為對照組調(diào)查的水泥板塊未行車位置或路肩處的彈性模量值，間接反映新建路面的結(jié)構(gòu)承載力。

將SASW與FWD的優(yōu)勢結(jié)合起來，通過SASW和FWD的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，探討Ar與mr之間的關(guān)系。經(jīng)過多段路現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸，發(fā)現(xiàn)Ar與mr之間存在較好的指數(shù)關(guān)系，因此本文中采用指數(shù)模型預(yù)估彈性模量比m′r，評價(jià)水泥混凝土的剩余結(jié)構(gòu)承載能力，即

m′r=θexp（δAr） ，（6）

式中θ、 δ為剩余結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)模型的擬合參數(shù)。

利用預(yù)估彈性模量比可以對結(jié)構(gòu)承載能力良好程度按照良好與非良好進(jìn)行劃分。 根據(jù)大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 當(dāng)m′r大于90時(shí)， 水泥板塊的結(jié)構(gòu)承載能力都較好， 因此以90為界限進(jìn)行劃分。 當(dāng)m′r大于90時(shí)， 認(rèn)為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)承載能力良好， 否則認(rèn)為不良好。 借鑒針對水泥混凝土路面整體路段的脫空評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建形式［4］， 定義整段水泥混凝土路面剩余結(jié)構(gòu)承載力評價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)承載力良好率為

rs=nsn×100% ，（7）

式中ns為調(diào)查的水泥板塊中結(jié)構(gòu)承載力良好的個(gè)數(shù)。

2" 模型構(gòu)建

當(dāng)前水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)采用的是傳統(tǒng)的定性的專家打分法， 并且單獨(dú)從表面、 內(nèi)部和整體對水泥混凝土路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能評價(jià)， 評價(jià)結(jié)果具有片面性。 基于模糊評價(jià)法的綜合評價(jià)模型［16-17］可以定量地對水泥混凝土路面進(jìn)行綜合結(jié)構(gòu)性能評價(jià)。 首先， 建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)的模糊集； 其次， 采用半梯形和三角形函數(shù)構(gòu)造評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)； 最后， 通過分別基于專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測數(shù)據(jù)的層次分析法和熵權(quán)法綜合確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重， 并根據(jù)綜合評價(jià)向量同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)損壞指數(shù)確定評價(jià)結(jié)果。 本文模型構(gòu)建流程如圖1所示。

2.1" 模糊集

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的模糊集包括結(jié)構(gòu)性能評價(jià)因素集和結(jié)構(gòu)性能評判集2個(gè)部分，用于構(gòu)建水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系矩陣。

2.1.1" 結(jié)構(gòu)性能評價(jià)因素集

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的5個(gè)評價(jià)指標(biāo)，即PSCI、 斷板率、 脫空率、 接縫傳荷能力良好率和結(jié)構(gòu)承載力良好率，共同構(gòu)成水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性能評價(jià)因素集。

2.1.2" 結(jié)構(gòu)性能評判集

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8，10］，采用優(yōu)、 中、 差3個(gè)等級組成水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)因素集5個(gè)指標(biāo)的評判集。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評判集評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.2" 模糊關(guān)系矩陣

建立結(jié)構(gòu)性能評價(jià)因素集到結(jié)構(gòu)性能評判集的模糊關(guān)系矩陣， 用于量化水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性能。

2.2.1" 隸屬度函數(shù)

利用不同評價(jià)指標(biāo)綜合評價(jià)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能，需要構(gòu)建隸屬度函數(shù)，確定評價(jià)指標(biāo)與評定等級的模糊關(guān)系。隸屬度函數(shù)的適用性直接影響水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能綜合評價(jià)的準(zhǔn)確性，因此根據(jù)文獻(xiàn)［4］以及數(shù)據(jù)分析，利用模糊分步法中半梯形分布和三角形分布建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能5個(gè)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)較合理。由于各評價(jià)指標(biāo)等級界限較清晰，因此可以根據(jù)表1確定各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。以PSCI為例，PSCI的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

2.2.2" 關(guān)系矩陣

根據(jù)基于隸屬度函數(shù)理論建立的各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)獲得各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度向量。由各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度向量組成模糊關(guān)系矩陣R，

R=R1

R2

R3

R4

R5=

r11r12r13

r21r22r23

r31r32r33

r41r42r43

r51r52r53 ，（8）

式中： Ri為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度向量， i=1， 2， …， 5； riv為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能處于等級v的隸屬度， v=1， 2， 3。

2.3" 綜合權(quán)重確定

模糊綜合評價(jià)法可以直接給出水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的綜合評價(jià)結(jié)果，但是主觀性較強(qiáng)。為了充分考慮專家經(jīng)驗(yàn)和客觀環(huán)境的影響，結(jié)合層次分析法與熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

2.3.1" 層次分析法權(quán)重

1）構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣的構(gòu)建需要確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重優(yōu)先級。本文中基于專家經(jīng)驗(yàn)，采用優(yōu)序法，通過比較兩兩因素之間的重要程度構(gòu)造判斷矩陣H［16］，即

H=（hef）5×5 ，（9）

式中hef為第e個(gè)因素相對于第f個(gè)因素的比較結(jié)果，e=1， 2， …， 5， f=1， 2， …， 5。

2）確定權(quán)重集。計(jì)算判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量，即層次分析法的權(quán)重向量η，該特征向量即為層次分析法評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重集。

首先，對判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理［16］，即

H—=（hef——）5×5 ，（10）

式中： H—為歸一化后的判斷矩陣； hef——為歸一化后第e個(gè)因素相對于第f個(gè)因素的比較結(jié)果。

其次，將歸一化后判斷矩陣的各列元素求和得到向量η—［16］，即

η—=∑5e=1hef——1×5 。（11）

最后，對向量η—繼續(xù)歸一化處理，得到η。

3）一致性檢驗(yàn)。對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，過程如下：

首先，計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)ic［16］，即

ic=λmax-qq-1 ，（12）

式中： λmax為判斷矩陣的最大特征根； q為H的對角線元素之和，也是H的特征根之和。

其次，當(dāng)判斷矩陣的一致性比率rc小于0.1時(shí)，判定結(jié)果具有滿意一致性。為了衡量ic，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)ir［16］，即

ir=ic1+ic2+…+ickk=（λ1+λ2+…+λk）/k-qq-1 ，（13）

式中： ic1、 ic2、 …、 ick為隨機(jī)構(gòu)造的第1、 2、 …、 k個(gè)判斷矩陣的一致性指標(biāo)； λ1、 λ2、 …、 λk為隨機(jī)構(gòu)造的第1、 2、 …、 k個(gè)判斷矩陣的最大特征根。

如果 rc≥0.1，則適當(dāng)調(diào)整判斷矩陣的元素取值，重新分配權(quán)重系數(shù)。

2.3.2" 熵權(quán)法權(quán)重

為了消除各評價(jià)指標(biāo)數(shù)量級的差異性， 需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。 正、 負(fù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法［18］分別為

τij=xij-min{xi}max{xi}-min{xi} ，（14）

χij=max{xi}-xijmax{xi}-min{xi} ，（15）

式中： τij、 χij分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的正、 負(fù)指標(biāo)； xij為標(biāo)準(zhǔn)化前第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)xi的第j個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)， i=1， 2， …， 5， j=1， 2， …， 10。

信息熵［18］體現(xiàn)了系統(tǒng)的有序程度，可以衡量各指標(biāo)間的差異，即

Hi=-（ln u）-1∑5j=1pijln pij

，（16）

其中pij=zij∑5i=1zij ，（17）

式中： Hi為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的信息熵； u為檢測數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)； pij為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的第j個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)占第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)所有數(shù)據(jù)之和的分?jǐn)?shù)； zij為各評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。

各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重［18］為

μi=1-Hi5-∑5i=1Hi 。（18）

2.3.3" 確定綜合權(quán)重向量

綜合權(quán)重一般采用線性加權(quán)的方式進(jìn)行組合［18］，即

w=τη+υμ ，（19）

式中： w為綜合權(quán)重向量； τ為層次分析法權(quán)重占綜合權(quán)重的分?jǐn)?shù)； υ為熵權(quán)法權(quán)重占綜合權(quán)重的分?jǐn)?shù)； μ為熵權(quán)法的權(quán)重向量。

根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)的影響程度決定各方法權(quán)重系數(shù)的差異系數(shù)法較客觀［18］，因此利用差異系數(shù)法確定系數(shù)τ、 υ，

τ=5425（P1+2P2+…+5P5）-65

，（20）

υ=1-τ ，（21）

式中Pi為層次分析法各評價(jià)指標(biāo)依次按照升序排序后的權(quán)重。

2.4" 綜合評價(jià)向量

通過復(fù)合運(yùn)算獲取水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的模糊綜合評價(jià)結(jié)果，根據(jù)模糊評價(jià)理論，在確定各評價(jià)指標(biāo)組成的模糊關(guān)系矩陣R后，將R與綜合權(quán)重向量w進(jìn)行運(yùn)算，得到綜合評價(jià)向量b［17］，即

b=wR 。（22）

根據(jù)模糊綜合評價(jià)中的最大隸屬度原則，可以判定水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能所屬的綜合評價(jià)等級。由于評價(jià)結(jié)果采用綜合評價(jià)向量的形式表示，因此僅能獲取模糊綜合評價(jià)等級。b1、 b2、 b3分別為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能在3個(gè)等級時(shí)的不同歸屬度，當(dāng)2段水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)結(jié)果屬于同一等級時(shí)，無法比較，因此為了比較同一等級時(shí)不同路段的結(jié)構(gòu)性能，利用綜合評價(jià)向量中不同歸屬度時(shí)隸屬度的線性組合進(jìn)行表征。同時(shí)，為了反映不同等級時(shí)隸屬度的差別，需要在隸屬度值前賦以權(quán)重系數(shù)。水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性能評價(jià)指標(biāo)可以用結(jié)構(gòu)損壞指數(shù)（structural failure index）si進(jìn)行表征，

si=（αb1+βb2+γb3）×100% ，（23）

式中α、 β、 γ分別為b1、 b2、 b3對應(yīng)的隸屬度權(quán)重系數(shù)。

3" 實(shí)例分析

以浙江省嘉興市和上海市奉賢區(qū)的4段水泥路為研究對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能評價(jià)，分別命名為JX-A、 JX-B、 FX-A、 FX-B，各路段的結(jié)構(gòu)性能如圖3所示。從圖中可以看出，JX-A、 JX-B的結(jié)構(gòu)性能為基本無破損，F(xiàn)X-A的結(jié)構(gòu)性能為破碎板板角斷裂，F(xiàn)X-B的結(jié)構(gòu)性能為產(chǎn)生橫向裂縫。

3.1" 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能綜合評價(jià)結(jié)果

各評價(jià)等級時(shí)隸屬度權(quán)重系數(shù)設(shè)置為α=0.4， β=0.8和γ=1時(shí)，各路段綜合評價(jià)向量和si等級如表2所示。由表可知，各路段按結(jié)構(gòu)性能從優(yōu)到差的順序?yàn)镴X-A、 JX-B、 FX-B、 FX-A。

3.2" 不同模型的評價(jià)效果對比

為了驗(yàn)證本文模型的可靠性， 同時(shí)利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8］中的評價(jià)方法即路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)（PSSI）模型評價(jià)各路段結(jié)構(gòu)性能， 2種模型的結(jié)構(gòu)性能評價(jià)結(jié)果如表3所示。 從表中可以看出： 2種模型對JX-A、 JX-B的評價(jià)結(jié)果一致， 而相對于FX-B， PSSI模型所得FX-A的結(jié)構(gòu)性能更好， 本文模型所得的結(jié)果正好相反； PSSI模型的結(jié)果只依賴路面指標(biāo)彎沉值， 實(shí)際上路面彎沉所受的影響因素很多， 僅通過路面彎沉值無法準(zhǔn)確判斷水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性能。 另外， 從圖3（c）、 （d）中也能直觀得到FX-A的結(jié)構(gòu)性能比FX-B的差。 由此可知， 本文模型的評價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際路面的結(jié)構(gòu)性能， 說明本文模型的可靠性較好。

4" 結(jié)論

本文中基于層次分析法和熵權(quán)法構(gòu)建水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能模糊綜合評價(jià)模型， 綜合評價(jià)了水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性能， 得到以下主要結(jié)論：

1）考慮舊水泥混凝土實(shí)際結(jié)構(gòu)性能，從表面破損、 接縫、 脫空、 整體承載能力4個(gè)角度出發(fā)，以PSCI、 斷板率、 脫空率、 接縫傳荷能力良好率和結(jié)構(gòu)承載力良好率5個(gè)指標(biāo)構(gòu)成水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)體系，能較好地評價(jià)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能。

2）基于模糊評價(jià)法建立的各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)改進(jìn)了評價(jià)結(jié)果的表達(dá)形式，客觀地評價(jià)了各路段結(jié)構(gòu)性能，采用層次分析法和熵權(quán)法確定綜合評價(jià)中各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，充分考慮了主客觀因素，改善了評價(jià)結(jié)果的可靠性。

3）利用本文模型和PSSI模型對浙江省嘉興市和上海市奉賢區(qū)的4段水泥路進(jìn)行了實(shí)例研究，本文模型所得各路段按結(jié)構(gòu)性能從優(yōu)到差的順序?yàn)镴X-A、 JX-B、 FX-B、 FX-A，結(jié)果表明，本文模型的評價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際，可靠性較好。

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