基于DER&U的石拱橋技術狀況評定新方法

蔣田勇，龍　偉

(1.長沙理工大學　土木與建筑學院, 湖南　長沙　410114；2.長沙市規(guī)劃設計院有限責任公司, 湖南　長沙　410007)

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基于DER&U的石拱橋技術狀況評定新方法

蔣田勇1，龍偉2

(1.長沙理工大學土木與建筑學院, 湖南長沙410114；2.長沙市規(guī)劃設計院有限責任公司, 湖南長沙410007)

摘要：針對在役石拱橋技術狀況評定的問題，提出將DER&U法應用于石拱橋的評定。與《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》和《公路橋梁技術狀況評定標準》兩個標準相比，基于DER&U的評定法將構(gòu)件的維修緊迫性列入技術狀況評定的一項重要指標，具有檢測評定和維修建議一體化的特點。研究了DER&U法的評定準則、構(gòu)件編碼系統(tǒng)及石拱橋D, E,R及U值的確定；推導了基于層次分析法的石拱橋各個構(gòu)件評定權(quán)重；在此基礎上計算石拱橋狀況指標CI值和優(yōu)選指標PI值。算例對比研究了3種評定方法，驗證了該方法可以簡化檢測工作，使評定計算過程簡單明了，通過構(gòu)件的DER值及維修急迫性U值可以了解構(gòu)件的劣化水平，及時提出構(gòu)件的維修建議。結(jié)果表明，當石拱橋CI值小于85分，PI值小于80分時，橋梁使用狀況較差，應及時對U值不小于3的構(gòu)件進行維修加固處理。

關鍵詞：橋梁工程；技術狀況；DER&U；石拱橋；維修急迫性

0引言

石拱橋作為我國傳統(tǒng)優(yōu)勢的橋型，在整個橋梁系統(tǒng)中的相對比例和絕對數(shù)量上均排在前例。據(jù)統(tǒng)計，我國仍具有大約400多萬座現(xiàn)役石拱橋，而僅在湖南省，石拱橋總長達到18×104m，共計約 4 000 座[1]。經(jīng)過長時間的運營服役，加之我國交通量的不斷增加，荷載等級不斷提高，以及重型車輛不斷增多的情況下，大量石拱橋逐漸變成了舊橋或者病危橋，無法滿足現(xiàn)今的交通需求。廢舊危橋建新橋會增加巨額的耗資，還存在直接影響交通,甚至阻斷交通的因素，以較少的投資對石拱橋進行合理的技術狀況評定，從而提出維修養(yǎng)護的建議成為一個迫切需要解決的問題[2]。

《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG H11—2004)(以下簡稱《養(yǎng)護規(guī)范》)是我國進行石拱橋結(jié)構(gòu)養(yǎng)護和技術狀況評定的主要依據(jù)，但該規(guī)范未根據(jù)橋型將部件進行細化[3]。《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/Tp1—2011)(以下簡稱《評定標準》)作為現(xiàn)有公路橋梁技術狀況評定的重要依據(jù)，仍存在工作量大，受評定人員主觀影響大等不足之處，有待于在生產(chǎn)實踐中進一步完善[4]?！冻鞘袠蛄吼B(yǎng)護技術規(guī)范》(CJJ99—2003)主要針對城市公路橋梁，對多數(shù)位于縣道、鄉(xiāng)道的石拱橋并不適用[5]。

DER&U評定法起源于中國臺灣地區(qū)，目前主要用于一般鋼筋混凝土梁橋的技術狀況評定，它從4個方面對橋梁各個構(gòu)件的劣化情況進行考慮，即構(gòu)件損傷程度(Degree)、劣化損傷情況所覆蓋的范圍(Extend)、劣化情況對橋梁整體結(jié)構(gòu)運營服役期間的服務性能和安全性能的影響范圍(Relevancy)以及劣化構(gòu)件損傷情況的維修緊迫性(Urgency)，并依靠上述檢測內(nèi)容及時提出合適的維修建議[6]。此法具有精簡、快速的記錄和檢測，看重劣化對橋梁重要性的影響情況，檢測評定和維修建議一體化，輸入電腦資料少，便于管理部門工作等特點[7]。該方法與國內(nèi)其他的方法相比，最大的特點就是將維修緊迫性作為評定的一個指標，非常適合我國數(shù)量眾多的石拱橋檢測評定工作，而目前將DER&U評定法應用于石拱橋的文獻尚未見到。本文擬將DER&U評定方法應用到石拱橋的狀況評定，為以后石拱橋的檢測評定以及維護管理提供參考。

1基于DER&U的技術狀況評定方法

1.1DER&U評定法基本準則

在橋梁檢測評定工作中，過多或過少的表達級數(shù)都會為評定工作帶來不利的影響。比如十分法(級數(shù)過多時)，能詳細表達構(gòu)件劣化的情況，但使得現(xiàn)場檢測人員在選取級數(shù)值時存在困擾；而二分法(級數(shù)過少時)，會造成評定結(jié)果不準確，與實際情況產(chǎn)生較大偏差[8]。本文采用較為合理的四分法對橋梁結(jié)構(gòu)評定加以討論，即D，E，R以及U這些量值在1～4之間進行取值，1～4為狀態(tài)相對程度。評定檢測過程中，當橋梁出現(xiàn)本身“無此構(gòu)件”、“無法檢測此構(gòu)件”或“無法判定”情況時，則記錄評分為0。DER&U法基本準則見表1。

表1　DER&U評定法的基本準則

1.2構(gòu)件編碼系統(tǒng)

組成橋梁的構(gòu)件有時十分復雜，特別是當跨數(shù)較多時，為使不同檢測員所記錄的同一構(gòu)件，能有同一記錄方式，避免記錄混亂乃至產(chǎn)生檢測管理錯誤，并利于橋梁管理單位管理工作，故應建立橋梁結(jié)構(gòu)的編碼系統(tǒng)，以便將橋梁中各不同的構(gòu)件有次序地進行記錄和歸類[9]。DER&U法中梁式橋一般構(gòu)件編碼準則如表2所示。

表2　梁式橋一般構(gòu)件編碼準則

DER&U評定法編碼系統(tǒng)中將梁橋劃分成了主梁(G)、橋臺(A)、橋墩(P)、跨號(S)和橫隔梁(D)等部分，編碼系統(tǒng)依公路里程行進方向，由里程數(shù)少至多、由左而右(面向里程增加方向)的原則予以編碼，且設定原點位于橋臺A1左端處。

石拱橋編碼系統(tǒng)的建立可參考一般梁式橋進行編碼，原則和方法基本相同，只需增加或去除兩者相異的構(gòu)件編碼，石拱橋特有構(gòu)件編碼見表3。

表3　石拱橋特有構(gòu)件編碼準則

1.3石拱橋D，E，R及U值的確定

(1)D值(Degree)判定方式

D值主要是用以量化橋梁各構(gòu)件損壞程度，構(gòu)件的材質(zhì)是產(chǎn)生劣化現(xiàn)象的重要因素[9]。劣化程度的評定常常會輔以文字和圖片來作為評定的參照，以便作為檢測工程人員的評定依據(jù)。

(2)E值(Extend)判定方式

E值以劣化范圍占整個構(gòu)件的百分比為判定標準，范圍大小的差異只能反映出橋梁狀況的好壞，無法判斷其受損的程度，可以目視檢測進行評定。

(3)R值(Relevancy)判定方式

R值的判定需研究構(gòu)件劣化情形對橋梁安全性和橋梁服務性兩方面的影響。不同構(gòu)件對橋梁的安全和服務性影響不同，按對兩者影響的不同比例與其評定值進行加權(quán)平均得到R值。受篇幅限制，僅列出石拱橋主拱圈或拱肋的D和R評定值如表4所示，表中的劣化狀況描述參考《評定標準》[10]。

表4　石拱橋主拱圈或拱肋的D和R評定值

(4)U值(Urgency)判斷方式

U值為橋梁結(jié)構(gòu)維修急迫性代表值，用以描述在發(fā)現(xiàn)構(gòu)件劣化現(xiàn)象時決定維修的時限。U值越高表示構(gòu)件越急需維修，盡量避免人為客觀因素影響急需維修構(gòu)件的判斷。D值為劣化程度指標，通常情況下劣化越嚴重越快進行處理；而E值(劣化范圍)的大小與維修急迫性的聯(lián)系很顯然不夠緊密；R值與橋梁安全性能和服務性能息息相關，隨時可能影響到路人的安全及橋梁結(jié)構(gòu)的運營[7]。由此可見，D和R較E與U值的相關性更大，E值可忽略其略微的相關性，故擬定用D和R乘以對應的權(quán)重來得到U值，如式(1)所示:

(1)

式中，X為與U值相關的緊迫性指標，X越大則維修緊迫性越高；a為D對U的影響程度量化值；b為R對U的影響程度量化值。DER&U檢測評定法預設a,b均等于1，得到緊迫性矩陣表如表5所示。

表5　急迫性矩陣X

表6　X值與U值對應關系

1.4基于層次分析法的石拱橋構(gòu)件權(quán)重計算

(1)層次分析模型建立

結(jié)合DER&U對橋梁構(gòu)件的分類方法，將引道路堤、引道護坡等構(gòu)件引入層次分析模型中，將石拱橋全橋健康狀況評定作為層次分析的總目標層，將19項構(gòu)件按上部結(jié)構(gòu)、橋面系、下部結(jié)構(gòu)和其他等4項組合構(gòu)件作為層次分析的第2層，將石拱橋19項構(gòu)件作為層次分析的第3層[11]。

表7　石拱橋?qū)哟畏治瞿Ｐ?/p>

(2)判斷矩陣的建立

石拱橋的構(gòu)件權(quán)重判斷矩陣B，如式(2)。

(2)

式中，bij表示兩個指標元素相比時，一個元素相對于另一個元素的重要程度，并用1-4標度進行打分。對于石拱橋，它分為19項構(gòu)件，即其指標元素共有19個，其判斷矩陣為19×19的方陣。

(3)構(gòu)件單一元素相對權(quán)重的計算

對判斷矩陣B進行特征根求解，可得到

(3)

式中，λmax為最大特征根；ω為最大特征根所對應的特征向量[12]。將向量ω進行歸一化處理，矩陣有且僅有一個特征根λmax。其具體計算步驟為：

①B的元素按列歸一化；

②將B的元素按行相加；

③正規(guī)化處理得到權(quán)重向量ωi，見式(4)。

(4)

式中,n為判斷矩陣階數(shù)；ωi為第i個元素的權(quán)重。

④計算特征值λmax。

(5)

(4)對判斷矩陣B進行一致性檢驗

矩陣一致性檢驗需計算一致性指標CI、隨機平均一致性指標RI和相對指標CR這3個指標[13]。

①一致性指標CI

(6)

式中，λmax為最大特征值，n為判斷矩陣的維數(shù)。

②求解隨機平均一致性指標RI

隨機平均一致性指標RI是多次(500次以上)重復進行隨機判斷矩陣特征值計算以后取算術平均得到的。

(7)

③求解相對指標CR

判斷矩陣一致性隨CR的變小而越好，判斷矩陣的一致性要求是相對指標CR=CI/RI<0.1，否則需重新構(gòu)造判斷矩陣，即對判斷矩陣中的因子作適當調(diào)整，直至矩陣B通過一致性檢驗。

通過3位專家的調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建了判斷矩陣B，按照上述步驟，最終計算得到了石拱橋19項構(gòu)件的權(quán)重，且一致性均滿足要求。為使石拱橋構(gòu)件的權(quán)重與DER&U統(tǒng)一，須將向量元素轉(zhuǎn)化成百分制，對3位專家得出的權(quán)重取平均并取整可得到石拱橋構(gòu)件權(quán)重結(jié)果，如表8所示。

表8　石拱橋構(gòu)件權(quán)重一覽表

1.5綜合評定指標計算

DER&U評定法的狀況指標須依據(jù)各構(gòu)件檢測DER值進行計算而得，并以此作為橋梁是否需要進行維修加固的最直接的依據(jù)。

1.5.1狀況指標(Condition Index，CI值)計算

橋梁整體狀況CI值以0～100代表橋梁目前的狀況，分數(shù)越高代表橋梁狀況越好[14]。將各檢測項目(橋梁構(gòu)件)分數(shù)乘以該構(gòu)件相對于橋梁的重要性權(quán)重，再相加除以權(quán)重之和(即100)得到CI值，如計算公式(8)所示。

(8)

(9)

(10)

式中,ωi為基于層次分析AHP法計算所得石拱橋構(gòu)件i權(quán)重分配值，具體取值見表8所示；Ici為構(gòu)件i狀況值；Icij為構(gòu)件i的第j部分狀況值；n為石拱橋各構(gòu)件的總數(shù)目；a為相對重要性參數(shù)，一般規(guī)定a值取1，較為重要的構(gòu)件取2；D，E，R值則分別為檢測所得各構(gòu)件劣化程度(Degree)、范圍(Extent)及重要性(Relevancy)的評定值。

1.5.2優(yōu)選指標(Priority Index，PI值)的計算

優(yōu)選指標PI取值方式同CI相似，而PI值設計的目的在于當構(gòu)件總數(shù)大于1時突顯出構(gòu)件狀況非常惡劣的部分。例如，多跨橋梁中，某跨主拱圈狀況非常差，而其他跨狀況完好，此時主拱圈Ici指數(shù)平均值正常，但無法反映主拱圈狀況十分差的那跨的情況以致于可能被忽略。PI在計算Ici時會取具代表性的構(gòu)件Ici值再加以平均，其計算公式見式(11)。

(11)

式中Ici取法如下：

(1)選取各檢測構(gòu)件狀況指標最小值Icij(min)，若Icij(min)<50，則將所有小于50的Icij算術平均，求得的值取為Ici值。

(2)若50≤Icij(min)≤75，則將位于[50,70]的所有Icij值算術平均，求得的值即為Ici值。

(3)若75

2工程實例技術狀況評定

2.1工程概況

某橋修建于20世紀70年代，橋長51 m，橋?qū)?.2 m，設計荷載為汽車-15級、掛-80。上部構(gòu)造為三孔13.4 m的石拱橋，凈矢跨比F0/L0=1/2.68；主拱圈厚0.5 m，兩岸橋臺、橋墩采用圬工砌體結(jié)構(gòu)。由于運營年限較長，目前該橋的使用性能存在嚴重的退化現(xiàn)象，安全性能方面存在著隱患，必須及時對該橋進行評定，為維修加固工作提供參考和建議。

2.2按《養(yǎng)護規(guī)范》評定

采用《養(yǎng)護規(guī)范》中的評定方法，其技術狀況評定結(jié)果見表9[15]。

表9　按《養(yǎng)護規(guī)范》技術狀況評定

(12)

根據(jù)《養(yǎng)護規(guī)范》評定，該橋?qū)儆诙悩?，表示橋梁有輕微的損壞，對缺損構(gòu)件進行維修補強即可，屬于小修范疇。

2.3按《評定標準》評定

根據(jù)對該橋的外觀檢查及專項檢查，按照《評定標準》中病害的定性定量描述[10]，對該橋的進行權(quán)重重分配，各構(gòu)件扣分結(jié)果見表10～表12。

表10　橋面系各要素權(quán)重及綜合評定

表11　上部結(jié)構(gòu)各要素權(quán)重及綜合評定

表12　下部結(jié)構(gòu)各要素權(quán)重及綜合評定

橋梁技術狀況評分：

Dr=BDCI×0.2+SPCI×0.4+SBCI×0.4=

59.22×0.2+67.43×0.4+76.88×0.4=69.57。

(13)

根據(jù)《評定標準》評定，該橋?qū)儆谌悩?，需進行中修。

2.4基于DER&U方法的橋梁技術狀況評定

(1)主要構(gòu)件劣化情況及DER&U值評分

根據(jù)工程實例的現(xiàn)場情況，結(jié)合石拱橋編碼準則，將存在明顯劣化情況的構(gòu)件進行編碼，即近端橋臺為A1，橋臺基礎為A2，排水設施為S1，拱上側(cè)墻S2，第二跨主拱圈為C2，第三跨主拱圈C3以及橋面鋪裝為S3。上述構(gòu)件的劣化情況、維修建議以及DER&U值評分，見表13所示。

表13　石拱橋主要構(gòu)件劣化情況及DER&U值評分

(2)橋梁狀況指標CI值計算

(14)

(15)

(3)橋梁優(yōu)選指標PI值的計算

PI值計算與CI值計算最大的區(qū)別在于構(gòu)件狀況Ici值的選取原則，該原則突顯出構(gòu)件狀況非常惡劣的部分。該橋PI值的計算見表15。從表15中，可以得到:

(16)

(17)

(4)基于DER&U方法的技術狀況評定

由以上結(jié)果計算可知，用基于DER&U的石拱橋狀況評定新法對該石拱橋進行評定得出，橋梁狀況指標CI值為82.56分,優(yōu)選指標PI值為77.05分，該橋使用狀況較差，建議對維修急迫性較高(U≥3)的構(gòu)件及時進行維修加固處理。

2.53種評定方法的比較

按3種方法對該橋進行技術狀態(tài)評定，其具體結(jié)果對比見表16所示。

表16　評定結(jié)果對比表

結(jié)果表明，按DER&U評定法計算得出CI值和PI值均高于按《養(yǎng)護規(guī)范》和《評定標準》得出的評分結(jié)果，而PI值與其他兩種方法計算出的結(jié)果較為接近。另外，該方法未對CI值和PI值作明確的界限規(guī)定，其值的大小無法直接表明此橋梁的具體狀況，但是通過本算例可以得知：當橋梁狀況指標CI值小于85分，優(yōu)選指標PI值小于80分時，橋梁構(gòu)件狀態(tài)使用狀況較差；且當維修急迫性U值大于等于3時，應及時對該構(gòu)件進行維修加固處理。

總之，通過3種評定方法的對比，得出了DER&U的技術狀況評定新方法具有以下特點：(1)簡化了檢測工作，評定計算過程簡單明了；(2)可以針對各個構(gòu)件的DER值及維修急迫性U值來反映構(gòu)件的劣化水平，并及時提出構(gòu)件的維修建議；(3)驗證了所研究的新方法能夠有效地應用于石拱橋狀況評定，為今后石拱橋的狀況評定工作提供了新的思路。

3結(jié)論

DER&U評定法與國內(nèi)其他的方法相比，不但將維修緊迫性作為評定的一項重要指標，使得檢測評定和維修建議一體化，而且記錄和檢測精簡、快速，強調(diào)劣化對橋梁重要性的影響情況，輸入電腦資料少，便于管理部門工作。對此，論文詳細地探討了該方法在石拱橋的檢測評定與應用工作，并進行了算例對比研究，結(jié)果表明了該方法的優(yōu)越性和可行性。

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收稿日期：2015-07-20

基金項目：國家自然科學基金項目(51208061)；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項目(12K077)

作者簡介：蔣田勇(1978-)，男，湖南宜章人，副教授.(363842987@qq.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.011

中圖分類號：U448.22

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)07-0068-08

A New Method for Evaluating Technical Status of Stone Arch Bridge Based on DER&U Method

JIANG Tian-yong1, LONG Wei2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410114, China;2.Changsha Planning & Design Institute Co.,Ltd., Changsha Hunan 410007, China)

Abstract：Aiming at the issues in evaluating technical condition of stone arch bridges in service, the DER&U method is proposed. Compared with Code of Maintenance of Highway Bridges and Culverts and Culverts and Standards for Technical Condition Evaluation of Highway Bridges, the new method takes the member maintenance urgency as an important index in the evaluation, it integrates detection evaluation and maintenance suggestion. The evaluation criterion of DER & U method, numbering system, and determination of D,E,R and U values of stone arch bridges are researched. The evaluation weights of stone arch bridge members are derived based on analytic hierarchy process. On this basis, the status index CI and the optimum index PI of the bridge are calculated. A comparative analysis of the 3 evaluation methods is made by numerical example. It is verified that this method can simplify the detecting work and evaluation process, the degradation level of bridge members can be reflected by the values of DER and U (maintenance urgency), and the maintenance suggestions can be put forward in time. The result indicates that the stone bridge service condition is poor when the CI value is less than 85 points and the PI value is lower than 80 points, and the members whose U value not less than 3 should be maintained timely.

Key words：bridge engineering; technical status; DER&U; stone arch bridge; maintenance urgency