基于模糊層次分析法的橋梁加固方案比選研究*

徐孝輝

(貴州省貴陽公路管理局，貴州 貴陽 550002)

0 引言

隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，早期的勘察設(shè)計和施工質(zhì)量已不能滿足目前的交通要求。橋梁在長期服役過程中不可避免地會產(chǎn)生諸多病害，如果不及時處理橋梁病害，對其進行維護加固，甚至?xí)?dǎo)致橋梁喪失使用功能，造成嚴重的經(jīng)濟損失和安全事故。由于影響橋梁質(zhì)量的因素客觀存在且復(fù)雜多變，影響因素存在較大的模糊性，導(dǎo)致評判過程中出現(xiàn)大量人為干擾因素，會導(dǎo)致最終的評價結(jié)果失真[1]。為此，國內(nèi)外研究學(xué)者對橋梁加固進行了大量研究，但主要是關(guān)于技術(shù)的研究，對加固方案比選的研究較少[2-5]。加固方案比選需進行大規(guī)模的數(shù)學(xué)計算，不便于工作人員進行決策。通常由管養(yǎng)人員羅列影響加固方案的各種因素，并根據(jù)自身條件對比優(yōu)缺點，制定加固方案，傾向于考慮加固方案本身的優(yōu)劣，而不注重對橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的考量[6]。由于未結(jié)合橋梁管養(yǎng)實際情況進行決策研究，導(dǎo)致橋梁加固效果無法達到客觀預(yù)期要求。

影響橋梁加固效果的因素較多，且各因素影響程度不同。不同學(xué)者對各因素的影響認定不同，評價過程較模糊，導(dǎo)致各因素在目標評價中的重要性程度具有較強的模糊性。為在更大程度上提取專家評價中的模糊信息，更客觀地評價橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，需將模糊數(shù)學(xué)理論與傳統(tǒng)的層次分析法相結(jié)合。王建民等[7]采用模糊層次分析法對橋梁進行評價，并通過工程實例證明了模糊層次分析法在橋梁綜合評價中的可行性。孫威等[8]依托媽灣跨海隧道工程，采用模糊層次分析法對明挖段基坑施工風(fēng)險進行了評估。黃超等[9]針對廈門后溪長途汽車站平移工程實例，利用模糊層次分析法和模糊綜合評判法建立建筑平移工程風(fēng)險評估模型，對平移施工中的風(fēng)險進行評估和規(guī)避。本文根據(jù)姬昌大橋管養(yǎng)實際情況，采用模糊層次分析法開展橋梁加固方案比選研究。

1 工程概況

姬昌大橋為箱形拱橋，橋面采用瀝青混凝土鋪裝。該橋位于貴州省貴陽市S106線上，中心樁號為K29+659，全長219.4m，橋跨布置為(2×13+2×80+13)m，全寬11.5m，橋?qū)捊M合為2.25m(人行道)+7.00m(行車道)+2.25m(人行道)。引橋中貴陽岸、清水鋪岸均采用預(yù)制空心板鋪裝，主橋采用箱形拱，主拱圈線形為等截面懸鏈線，拱軸系數(shù)為0.7，截面高度為1.4m。拱上橫墻為實體墻，腹拱為5m跨徑的整體式實心板。下部結(jié)構(gòu)采用重力式墩臺、擴大基礎(chǔ)。該橋始建于1993年，設(shè)計荷載為汽車-20級荷載。

根據(jù)對姬昌大橋5號橋臺的現(xiàn)場檢查結(jié)果，按照JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》中3類橋單項控制指標規(guī)定，姬昌大橋橋臺存在多處開裂情況，技術(shù)狀況等級評定為3類。

管養(yǎng)人員決定對姬昌大橋進行加固改造，經(jīng)初步分析論證，提出2種加固方案以供選擇：①方案1 橋臺拆除重建，即將原有損傷開裂橋臺拆除，并在原位新建橋臺，采用承臺樁基礎(chǔ)，徹底解決5號橋臺安全隱患問題；②方案2 橋臺注漿加固，即對原橋臺進行灌漿加固，通過設(shè)置樁基礎(chǔ)和連接鋼板保護橋臺，提高橋臺地基承載力，從而達到加固橋臺地基的目的。

2 加固方案比選

由設(shè)計人員對姬昌大橋橋臺拆除重建方案和注漿加固方案的安全性、工程量、施工難度、交通影響情況等進行說明，充分比較不同方案的優(yōu)缺點，結(jié)果如表1所示。

表1 橋臺拆除重建方案和注漿加固方案對比

經(jīng)綜合分析2種加固方案在不同方面的優(yōu)劣，并重點考慮結(jié)構(gòu)安全性和耐久性要求，選擇橋臺拆除重建方案。

3 模糊層次分析法的應(yīng)用

3.1 評價指標體系的建立

橋梁加固方案選取與諸多評價指標有關(guān)，其中定量指標較少，多為定性指標，具有較強的模糊性[10]?？紤]所有影響因素難以實現(xiàn)，須進行一定取舍。按照JTG/T J22—2008《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》要求，橋梁加固前，應(yīng)對加固方案的技術(shù)性、經(jīng)濟性和社會影響情況進行對比分析，故橋梁加固一級評價指標可分為技術(shù)類、經(jīng)濟類、社會影響類。每個一級評價指標又可劃分為若干項子指標，即二級評價指標(見表2)，其中技術(shù)類一級評價指標可分為技術(shù)可行性、與原橋結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)安全耐久性，經(jīng)濟類一級評價指標可分為建設(shè)投資低、使用壽命長、維護費用低，社會影響類一級評價指標可分為對交通的影響小、對環(huán)境的影響小、當?shù)鼐用裰С謶B(tài)度。

表2 橋梁加固方案比選評價指標體系

3.2 評價指標權(quán)重的確定

進行綜合評價時，明確各指標所占權(quán)重尤為重要，在正確確定各指標權(quán)重的情況下可客觀準確地進行評價。評估前，需收集原橋運營狀況、施工數(shù)據(jù)、同類橋梁加固案例、改造資金等基礎(chǔ)情況數(shù)據(jù)及建設(shè)時的有關(guān)政策等資料。同時，邀請監(jiān)理單位、設(shè)計單位、施工單位等多方具有豐富經(jīng)驗的橋梁加固專家對橋梁各級評價指標進行研究判斷。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)橋梁管養(yǎng)實際情況判斷評價指標類型，確定評價指標體系，如在技術(shù)類評價指標中，技術(shù)可行性指標的權(quán)重是由現(xiàn)有施工技術(shù)決定的，可能存在采用的施工技術(shù)較成熟，但與原橋結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差的情況，則技術(shù)可行性在技術(shù)類指標中的權(quán)重會相應(yīng)提高，與原橋結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)安全耐久性在技術(shù)類指標中的權(quán)重會相應(yīng)下降?？芍诩夹g(shù)條件有限的情況下，不應(yīng)一味地追求施工便利性，應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)安全耐久，并與原結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，以提高施工質(zhì)量。因此，根據(jù)該理念，首先采用兩兩相互比較的方式，確定同一層次中各指標的重要性，從而確定一級評價指標的判斷矩陣，計算各一級評價指標在同一級別的權(quán)重；然后進行二級評價指標分析，通過兩兩相互比較的方式，得到各二級評價指標的判斷矩陣，并計算各二級評價指標在同一級別的權(quán)重；最后將不同二級評價指標權(quán)重乘以對應(yīng)的一級評價指標權(quán)重，得到整個評價方案中的二級評價指標權(quán)重。

3.2.1判斷標度設(shè)定

以上級元素為基礎(chǔ)，其控制的下級元素對基礎(chǔ)的相對重要性即為權(quán)重[11]。下級元素對基礎(chǔ)的重要性無法直接量化，僅可定性分析，因此通過兩兩比較的方式確定權(quán)重。若aij表示元素i較元素j重要的程度，則元素j較元素i重要的程度aji=1/aij，通常按1～9標度對重要性程度賦值，如表3所示。

表3 判斷標度及含義

3.2.2判斷矩陣建立

表4 一級評價指標判斷矩陣

表5 技術(shù)類二級評價指標判斷矩陣

表6 經(jīng)濟類二級評價指標判斷矩陣

表7 社會影響類二級評價指標判斷矩陣

3.2.3評價指標權(quán)重計算

通過方根法求解判斷矩陣的最大特征值和特征向量，然后進行歸一化處理，再驗證矩陣單層次排序的一致性。

評價指標權(quán)重計算結(jié)果如表8所示。由表8可知，技術(shù)類指標權(quán)重最大，其中結(jié)構(gòu)安全耐久性指標權(quán)重為0.454 4，充分突出了結(jié)構(gòu)安全的重要性。經(jīng)濟類指標權(quán)重較大，這符合在保證結(jié)構(gòu)安全耐久的情況下，盡量提高養(yǎng)護資金使用效益的公路管養(yǎng)實際情況。

表8 評價指標權(quán)重

3.2.4控制指標建立

根據(jù)管養(yǎng)實際情況，決策者可自行指定若干個指標作為控制指標，也可選擇幾個權(quán)重較大的指標作為控制指標。當加固方案控制指標不符合要求時，可實行一票否決制。

3.3 評價結(jié)果

邀請具有豐富橋梁加固經(jīng)驗的專家按照百分制對橋梁加固方案的每個評價指標進行評分，將專家的評分乘以評價指標的相應(yīng)權(quán)重，最終得到各評價指標的得分，如表9所示。由表9可知，橋臺拆除重建方案評分為90.20，橋臺注漿加固方案評分為82.54，可見橋臺拆除重建方案整體上明顯優(yōu)于橋臺注漿加固方案，故本工程選用橋臺拆除重建方案。

表9 姬昌大橋加固方案比選結(jié)果

綜上所述，基于模糊層次分析法進行橋梁加固方案比選時，可將具有較大主觀性和不確定性的定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，可得到直觀的評價結(jié)果。

4 結(jié)語

現(xiàn)有橋梁加固方案比選方法往往難以通過確定性的數(shù)學(xué)模型進行量化分析，主觀性和不確定性較大，可靠性較低。當評價指標模糊性較強時，管養(yǎng)人員難以給出評價指標相對重要性的準確值，僅能給出相對模糊的區(qū)間范圍。此時，不宜采用傳統(tǒng)比選方法。

基于模糊層次分析法對橋梁加固方案進行評判，可較好地解決方案選擇中影響因素的不確定性和主觀性，簡單有效，且較全面地考慮了影響因素，可在一定程度上量化定性指標，較客觀、系統(tǒng)地對比橋梁加固方案，更準確地反映橋梁實際情況，使橋梁加固決策更科學(xué)合理。