基于变权综合原理的钢箱梁桥状态评估

基于变权综合原理的钢箱梁桥状态评估

徐巍

江苏省高速公路交通运输执法总队徐盐支队，江苏 宿迁， 223700

摘 要：为了研究变权综合原理在钢箱梁桥状态评估中的应用，采用人工巡检方法获取实桥钢箱梁桥主要病害，采用变权综合评估方法对钢箱梁桥进行状态评估，并研究均衡系数取值对总体评估结果的影响。研究结果表明：基于变权综合原理的评估方法能够反映出局部构件对钢箱梁桥整体结构的影响，并合理地评估结构的运营状况。局部构件损害较轻时均衡系数的取值对整体结构不大，局部构件损害严重时均衡系数的取值对整体结构评估有较大的影响。

关键词：钢箱梁桥；变权综合原理；状态评估；人工巡检；均衡系数

1 引言

钢箱梁桥自重轻、跨越能力强、施工速度快、造型美观，被广泛用于大跨结构桥梁及城市桥梁中，尤其是随着钢材轧制技术和焊接技术的提高，钢箱梁桥成为现代桥梁主要的型式之一^[1]。在跨越既有线路时，钢箱梁桥施工能够采用顶推施工、实现现场快速拼装，且不中断交通，在城市桥梁中钢箱梁也成为工程人员首选的结构型式。然而，由于构造复杂、焊缝较多，在车辆荷载、环境腐蚀等因素影响下，钢箱梁桥在使用过程中经常出现疲劳开裂、漆层剥落等问题，严重影响结构的安全运营，甚至有过钢箱梁桥倒塌的报道^[2-4]。为了确保钢箱梁桥安全运营、降低检测维护成本，开展运营状态下钢箱梁桥状态评估与维护研究成为桥梁管理部门重点关注的问题。

目前，桥梁结构状态评估主要分为三类^[5]，包括基于标准和规范的评估方法、基于长期监测数据的评估方法和基于系统工程理论的评估方法等。基于标准和规范的评估方法主要根据现场检测数据和现场结构检测结果，按照规范中的条款对桥梁承载能力进行评定，评估程序容易操作，但评估结果往往无法全面反映结构的实际状态和主要影响因素。基于长期监测数据的评估方法主要是针对单项评估，并且着重考虑安全性，成本相对较高，评估结果也只能反映局部安全状态。基于系统工程理论的评估方法又可分为模糊综合评估方法、变权综合评估方法和基于神经网络的评估方法等，基于变权综合原理的评估方法在常权基础上，可以全面考虑结构状态的影响因素，评估过程简单，目前被广泛用于桥梁结构的状态评估^[6]。

国内外学者针对基于变权综合原理的评估方法和工程应用开展了一些研究，汪培庄率先提出了变权的思想^[7]，强调指标权重随着指标状态值的变化而变化，有效改善了常权决策带来的评估结果偏差。李洪兴从确定变权的经验公式引出了变权原理^[8]，给出了变权的公理化定义并 讨论了与之有关的均衡函数及其梯度向量。姚炳学提出了局部变权的公理化定义^[9]，研究了与之相应的局部状态变权，得到了两类基本均衡函数。兰海等^[10]采用灰色关联分析和变权综合原理，首先建立了适用于桥梁评估的因素变权模型，并成功应用于大型桥梁结构的状态评估。伍华成基于变权综合原理^[11]，建立斜拉桥索力、线形状态评估模型，并根据一组实测数据，对索力、线形状态进行评估。侯福金提出了基于层次分析法的变权综合评估法的桥梁耐久性评估方法^[12]，建立了变权综合桥梁耐久性评估的方法和程序，并给出了桥梁耐久性评估模型流程图。黄侨、许翔等^[5,13]提出的基于局部变权原理和云理论的桥梁评估方法，并以某悬索桥为评估实例验证了该方法的可行性和适用性。上述研究表明，基于变权综合原理的评估方法在桥梁工程中已经开始尝试使用，但目前仅局限于对局部构件的状态评估。

为了给钢箱梁桥状态评估与维护提供技术支持，本文以某连续钢箱梁为工程背景，在常规检测结果基础上，采用变权综合原理对结构运营状态进行评估，并对均衡系数的选取进行分析讨论。

2 桥梁状态评估方法中变权综合原理的应用

2.1 常权综合评估法

常权综合评估方法是利用专家判别矩阵获得指标的权重水平，假定指标的权重水平在桥梁健康状况评价中不产生变化，采用加权几何平均、加权算术平均等计算方法对结构状态进行评估。目前，我国《公路桥梁技术状况评定标准》(JTGH21-2011) ^[14]中的综合评估方法就是按照常权综合评估方法进行评估，通过评分每个桥梁构件得到整体结构的状态。计算公式为：

（1）

式中： 为综合评估值； 为层次指标评估值； 为第j个指标的初始权重，且满足 。常权综合评估方法虽然有易于操作和理解的优点，但缺点不容忽视，比如评估结果不能明显的表现某一评价指标出现评价值为差或极差的情况，从而容易引起对桥梁某些损伤和病害的忽视，甚至造成评估结果的不准确。

2.2 变权综合评估法

桥梁结构在使用过程中，受交通荷载、环境因素、材料退化等因素影响，各评估因素的权重值会不断变化，在评估过程中应当对各评价指标权值进行适当调整。采用变权综合评估法就是综合考虑个影响因素的状况，并赋以相应权重系数，因此更能反映桥梁整体结构的真实状况。该方法计算公式为：

（2）

式中： 为综合评估值； 为第j个指标的初始权重； 为变权后的权重； 为第j个指标的评估值。变权向量需要考虑公理化定义的特性，即归一性、连续性和惩罚激励性等，即 ， 关于每个变量连续且单调递减。

在实际应用中，一般通过构造均衡函数或状态变权向量来进行变权评估。对于 ，如果 满足公理化定义，则称函数 为均衡函数，向量 为状态变权向量。和型均衡函数和积型均衡函数属于典型的均衡函数，和型均衡函数对应的变权综合模式是桥梁评估领域的常用方法，表达式为：

（3）

(4)

式中： 为因素变权的均衡系数，均衡系数 越大，表示桥梁整体对局部缺陷的容忍性越大。变权综合评估法中的权重根据构件的状态对权重进行调整，能够较好地反映出各构件对桥梁整体结构评估的影响，合理地评估结构的运营状况。

3 钢箱梁桥概况

3.1 工程概况

某连续钢箱梁桥跨径布置为（30+45+30）m，主桥为单箱三室钢箱梁，桥面板采用正交异性板结构，见图1。钢箱梁全宽19.5m，双向四车道设计，中心线处梁高2.8m，桥面设置1.5%的双向横坡，纵向节段采用焊接连接。钢箱梁面板厚16mm，底板厚14mm，腹板厚14mm，横隔板厚12mm。面板U肋尺寸为280mm×220mm×8mm，中心间距为600mm。钢箱梁主体结构钢材采用Q345qC，桥面铺装采用环氧沥青混合料。该桥于2011年开通运营，运营过程中发现钢箱梁局部漆层脱落、伸缩缝锈蚀等病害，2016年管养单位决定对桥梁上部结构进行全面巡检，检查方式采用人工检查，工具主要有放大镜、卷尺、方格纸等。

图1 连续钢箱梁桥

Fig.1 Continuous steel box girder bridge

3.2 巡检结果分析

巡检结果如表1所示，该钢箱梁桥主要存在的病害包括疲劳裂纹、漆层脱落、铺装层开裂、伸缩缝锈蚀等。疲劳裂纹主要出现在横隔板挖孔边缘，长度为5~10mm左右，个别位置的面板U肋与横隔板连接焊缝也萌生出裂纹。漆层脱落主要在腹板与横隔板，且基本在钢箱梁内部，剥落后的区域出现轻度锈蚀。桥面铺装出现数条横桥向裂缝，长度为50mm~150mm，桥面排水系统损害严重，可能会引起桥面雨水下渗。连续钢箱梁两端伸缩缝均出现部分锈蚀情况，一端支座附近有少量聚四氟乙烯板粉末，此外在一处支座旁发现尚有一些建筑垃圾未清理干净，可能会限制支座的变形。下部结构中，桥墩和桥台出现轻微的混凝土碳化现象，锥坡局部有明显破损现象。

表1 钢箱梁桥巡检结果

4 钢箱梁桥状态评估

4.1 基于巡检结果的状态评估

根据人工巡检结果，采用《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）^[14]中梁式桥各部件的权重值及病害评定标准，分别采用常权模型和变权模型对钢箱梁桥结构状态进行评估。由部件的评分值采用初始权重进行加权求得常权综合模型的评估结果，根据部件的评分值和变权综合原理进行加权求和得到变权模型的评估结果。本文在进行变权评估时，均衡系数参考既有工程经验^[15]，取 ，评估结果如表2所示。

上部承重构件中由于桥面板存在着微小的疲劳裂纹，虽不影响结构安全，但裂纹可能仍处在缓慢发展阶段，故承重构件评分值较低。而支座存在着磨损现象，且发现周围有未清理的建筑垃圾，容易对制作的正常使用造成影响。采用变权综合原理后，承重构件权重提高，一般构件降低，支座保持不变。采用常权评估方法时上部结构状态指标值为76.6，而采用变权评估方法时指标值为75.8，对应的技术状况等级为3类。下部结构中锥坡明显受损，桥墩和基础有轻微的混凝土碳化、剥落等病害，采用常权评估方法时上部结构状态指标值为88.0，而采用变权评估方法时指标值为87.3，对应的技术状况等级为2类。桥面系中桥面铺装存在数条横向裂缝，已经影响其正常工作状态，此外排水系统损坏严重，影响桥面的正常排水。采用常权评估方法时上部结构状态指标值为72.8，而采用变权评估方法时指标值为70.7，对应的技术状况等级为3类。变权评估结果小于常全评估结果，偏差较小，但是变权后不同构件的权重值作了相应的调整，有利于制定相应的维护策略，尤其对于斜拉桥、悬索桥等复杂桥梁。

《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）^[14]中上部结构、下部结构和桥面系的权重值分别为0.4、0.4、0.2，分别采用常权评估方法和变权评估方法对钢箱梁桥整体结构状态进行评估，常权评估结果为79.4，变权评估结果为79.0，整体结构技术状况等级为3类，相应的维修对策为中修。根据因素变权结果，维护重点针对桥面板疲劳裂纹、桥面排水系统、桥面铺装等。

表2 钢箱梁桥状态评估结果

4.2 评估结果与均衡系数的影响关系

上文采用变权综合原理进行钢箱梁桥状态评估时，常权评估结果与变权评估结果相对接近，但不同构件根据巡检结果相应做了调整。在评估过程中，均衡系数 的取值会对评估结果产生重要的影响，本文基于实桥钢箱梁桥巡检结果和状态评估结果，分析均衡系数的取值及局部构件的评分值对评估结果的影响。分别选取上部结构（权重值0.4）和桥面系（权重值0.2）的局部评分值为变量，研究均衡系数取值对总体评估结果的影响，分析结果如图2所示。对于初始权重值较高的上部结构来说，局部评分值对结构总体评估结果影响较大，而桥面系评分值对总体评估结果影响显然要小很多。均衡系数的取值对总体评估结果影响较大，上部构件评分值为10时，总体结构常权评估（ ）结果为53，而最严格的变权评估（ ）结果为21，评估结果差异显著。当局部评分值高于60时，均衡系数取值对评估结果影响不大，即常权评估结果与变权评估结果较为接近，这也是本文实桥钢箱梁桥评估时两种方法评估结果相近的原因。

当局部构件损害较轻时，均衡系数的取值对整体结构不大，即可以采取常权综合法进行评估。当局部构件损害严重时，均衡系数的取值对整体结构评估有较大的影响，但一般情况下均衡系数取0.5即可。可以看出，变权评估法比常权评估法更可以体现单一构件状况变化对整体评估的影响，局部构件损坏严重时，评估结果更能反映结果的实际状态。

（a）上部结构评分值变化 （b）桥面系评分值变化

图2 均衡系数对评估结果的影响分析

Fig.2 Influence analysis of equal coefficient on state assessment result

5 结论与建议

为了研究变权综合评估法在钢箱梁桥状态评估中的应用，本文以某连续钢箱梁为工程背景，在常规检测结果基础上，对结构整体运营状态进行评估，并对均衡系数的选取进行分析讨论，主要结论如下：

（1）基于变权综合原理的评估方法能够根据构件的状态对权重进行调整，较好地反映出各构件对钢箱梁桥整体结构的影响，并合理地评估结构的运营状况。

（2）局部构件损害较轻时均衡系数的取值对整体结构不大，局部构件损害严重时均衡系数的取值对整体结构评估有较大的影响，一般情况下均衡系数取0.5即可。

（3）钢箱梁桥中桥面板和铺装对结构状态影响较大，尤其是桥面板裂纹严重影响结构的安全运营，在维护管理过程中应重点关注这两个部位。

参 考 文 献

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