DOI：10.3969/j.issn.10001565.2024.02.003

摘" 要：基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于既有橋梁狀態(tài)評(píng)估方法的研究，建立既有節(jié)段預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系.提出基于層次分析法的既有節(jié)段預(yù)制橋梁狀態(tài)評(píng)估方法，并在該方法的基礎(chǔ)上，引入權(quán)重賦分法考慮各影響因素的重要程度對(duì)既有節(jié)段梁各結(jié)構(gòu)進(jìn)行權(quán)重賦分，給出了相應(yīng)的橋梁狀態(tài)評(píng)估公式，制定了節(jié)段預(yù)制橋梁狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).最后，結(jié)合一個(gè)既有節(jié)段預(yù)制橋梁損傷狀態(tài)評(píng)估實(shí)例來演示本文所提出方法進(jìn)行節(jié)段梁狀態(tài)評(píng)估的實(shí)現(xiàn)過程.

關(guān)鍵詞：節(jié)段預(yù)制橋梁；損傷評(píng)估；層次分析法；權(quán)重賦分法

中圖分類號(hào)：U443.3""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：10001565（2024）02013108

State evaluation method of existing segmental precast concrete bridges

YUAN Aimin， CHEN Qi， MIAO Xinge， WANG Xi， HOU Da

（College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： Based on the research of domestic and foreign scholars on the state evaluation method of existing bridges， the state evaluation index system of existing segmental precast bridge structure is established. The condition assessment standard of existing segmental precast bridge based on analytic hierarchy process method is proposed. According to the principle of analytic hierarchy process method， the weight assignment method is introduced to consider the importance of each factor to evaluate the damage condition of the existing damaged segmental beam， so as to form a new set of state evaluation methods for the existing segmental precast bridge. Finally， an example of damage condition assessment of an existing segmental precast bridge is used to demonstrate the implementation of the proposed method for segmental beam.

Key words： segmental precast concrete bridges; damage assessment; analytic hierarchy process method; weight assignment method

節(jié)段預(yù)制橋梁拼裝是一種以縱向?yàn)橹?，將橋梁分段預(yù)制并拼裝的建造技術(shù)，能夠滿足橋梁工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化的施工要求，同時(shí)又具有施工質(zhì)量易控制、安全、對(duì)環(huán)境干擾少以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用［1］.在此類橋梁中，各個(gè)節(jié)段之間不連續(xù)，接縫處的縱向鋼筋斷開.隨著節(jié)段預(yù)制橋梁服役年限越來越長(zhǎng)，可能會(huì)產(chǎn)生接縫張開等問題，對(duì)橋梁整體的安全性和耐久性都產(chǎn)生一定的影響.因此，開展既有節(jié)段預(yù)制橋梁工作狀態(tài)的科學(xué)評(píng)估研究，對(duì)節(jié)段預(yù)制橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修和加固等具有重要意義.

收稿日期：20230913;修回日期：20240105

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51878250）；宿遷市交通運(yùn)輸科技與成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2022Y09）；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（KYCX23-0698）

第一作者：袁愛民（1974—），男，河海大學(xué)教授，博士，主要從事預(yù)制節(jié)段混凝土橋梁研究.E-mail： yuanam@163.com

橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估是指通過各種手段測(cè)量出橋梁當(dāng)前的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用某種結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估理論，并結(jié)合所測(cè)量的結(jié)構(gòu)信息，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以確定當(dāng)前橋梁的安全性和耐久性［2］.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在橋梁狀態(tài)評(píng)估方面開展了許多研究，并取得了一系列成果，逐漸形成了較為成熟的橋梁狀態(tài)評(píng)估方法，主要有層次分析法［3-4］、模糊綜合評(píng)估法［5-7］、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［8-9］、專家系統(tǒng)法［10］等.然而，要想得出準(zhǔn)確的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，排除人為主觀因素的影響，就必須提出一種科學(xué)客觀的綜合評(píng)估方法.目前，常用的評(píng)估方法為層次分析法，但大部分僅僅從單一角度出發(fā)，只考慮橋梁某一方面的影響因素，雖然大致能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，但所考慮的影響因素不夠全面，且各層次結(jié)構(gòu)之間的界限劃分不夠清晰，難以細(xì)化各影響因素，大大降低了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.

從文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果可知，雖然當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法眾多，但主要還是用于連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋等整體式橋梁的狀態(tài)評(píng)估，鮮有對(duì)節(jié)段預(yù)制橋梁損傷狀態(tài)評(píng)估的研究.因此，為對(duì)節(jié)段預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，本文將以層次分析法為基礎(chǔ)，綜合考慮既有節(jié)段預(yù)制橋梁的各個(gè)部分的影響因素，提出一種科學(xué)客觀的節(jié)段預(yù)制橋梁總體評(píng)估方法，并結(jié)合權(quán)重賦分法，得出一種科學(xué)準(zhǔn)確的節(jié)段預(yù)制橋梁損傷評(píng)估方法.

1" 節(jié)段預(yù)制橋梁狀態(tài)評(píng)估體系的提出

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)既有橋梁損傷狀態(tài)評(píng)估的方法主要有2種： 一是對(duì)現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的橋梁材料性能和結(jié)構(gòu)尺寸來對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行計(jì)算，之后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)橋梁的具體損傷狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，這類方法通常需要建立數(shù)學(xué)模型，并且需要考慮較多的參數(shù)，因此評(píng)估過程相對(duì)繁雜；另一種方法是基于學(xué)者們?cè)陂L(zhǎng)期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中所積累的經(jīng)驗(yàn)，通過結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特征以及必要的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，這種方法只需對(duì)橋梁使用狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和比較，就能得到評(píng)估結(jié)果，且結(jié)果較為符合實(shí)際情況.

層次分析法（analytical hierarchy process）［11］屬于第2類評(píng)估方法，最早由美國(guó)科學(xué)家Saaty提出，它通過建立研究對(duì)象的層次評(píng)估模型，采用適宜的標(biāo)度來確定每個(gè)層次中各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，然后通過多級(jí)評(píng)估規(guī)則及打分法來對(duì)各層指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分.該方法既能夠較為全面地考慮各方面的影響因素，又能體現(xiàn)各方面的影響因素對(duì)橋梁使用狀態(tài)的實(shí)際影響，從而使得評(píng)估結(jié)果更加科學(xué)、客觀.因此本文將以層次分析法為基礎(chǔ)來對(duì)節(jié)段預(yù)制橋梁進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估.

1.1" 評(píng)估結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

根據(jù)層次分析法，對(duì)橋梁整體進(jìn)行遞階分層評(píng)估模型的建立，對(duì)其復(fù)雜層次關(guān)系進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，如圖1所示.橋梁總體損傷評(píng)估為總目標(biāo)，上部結(jié)構(gòu)損傷狀況、下部結(jié)構(gòu)損傷狀況以及橋面系損傷狀況為一級(jí)損傷評(píng)估目標(biāo).一級(jí)損傷評(píng)估目標(biāo)下又分為二級(jí)損傷評(píng)估目標(biāo)，如上部結(jié)構(gòu)中主要承重構(gòu)件、次要承重構(gòu)件等.通過遞階層次分析評(píng)估，以此取得橋梁結(jié)構(gòu)損傷狀況等級(jí)及其隸屬每個(gè)等級(jí)的實(shí)際狀況.

1.2" 判斷矩陣構(gòu)建

對(duì)每一層中影響橋梁承載力的各個(gè)因素給出相應(yīng)的判斷，之后選擇恰當(dāng)?shù)臉?biāo)度將這些判斷表示出來，構(gòu)建判斷矩陣A.考慮n個(gè)影響因素的影響，可以得出兩兩比較的判斷矩陣A=（aij）n×n.

A=a11a12…a1n

a21a22…a2n

an1an2…ann，（1）

其中，矩陣A為正互反矩陣.aij表示因素i、j相較于判斷目標(biāo)的重要值.判斷矩陣A具有以下性質(zhì)：

aij＞0；（2）

aij=1aji，（i，j=1，2，…，n）.（3）

表1為層次分析法中的比例標(biāo)度表.

根據(jù)圖1和表1，構(gòu)建出節(jié)段預(yù)制橋梁狀態(tài)損傷評(píng)估的判斷矩陣.根據(jù)一二層結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)建上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系的判斷矩陣，其中上部結(jié)構(gòu)判斷矩陣如表2所示.

1.3" 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

層次單排序是指通過計(jì)算得出某一層次影響因素對(duì)上一層次中某因素相對(duì)重要性的排序權(quán)值的計(jì)算過程.能否進(jìn)行層次單排序，需要對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn).常見的確定權(quán)重的方法和法，具體過程如下：

1）將1.2節(jié)所得到的判斷矩陣A的元素按列進(jìn)行歸一化處理，得矩陣P=（pij）n×n，其中

pij=aij/∑ni=1aij（i，j=1，2，…，n）.（4）

2）將P中各行元素按行相加，得向量Q=（q1，q2，…qn）T，其中

qi=∑ni=1pij（i，j=1，2，…，n）.（5）

3）對(duì)向量Q進(jìn)行歸一化處理，可計(jì)算得出權(quán)重向量W=（ν1，ν2，…，νn）T，其中

wi=qi/∑ni=1qi，（i，j=1，2，…，n）.（6）

4）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值

λmax=1n∑ni=1（AW）iνi.（7）

5）采用一致性指標(biāo)CI進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，

CI=λmax-nn-1.（8）

CI值越小，表明一致性越好；CI值越大，不一致性越大.當(dāng)CI=0時(shí)，呈完全一致性；當(dāng)CI接近于0時(shí)，呈現(xiàn)出滿意的一致性.

由于隨機(jī)原因可能引起一致性偏差，因此，為了準(zhǔn)確衡量一致性指標(biāo)CI的大小，引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，

RI=CI1+CI2+…+CInn.（9）

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值如表3所示.由表3可知，RI的大小與判斷矩陣的階數(shù)有關(guān).判斷矩陣的階數(shù)越大，一致性隨機(jī)偏離出現(xiàn)的可能性也就越大.因此，在對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的過程中，還需要對(duì)CI和RI進(jìn)行比較，以此得出檢驗(yàn)數(shù)

CR=CIRI.（10）

對(duì)于一階、二階矩陣，如果能夠滿足αijαjk=aik（1≤i、j、k≤n），則無(wú)需檢驗(yàn)；對(duì)于三階及三階以上的矩陣，當(dāng)CR＜0.1時(shí)，矩陣滿足一致性檢驗(yàn)；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，則需要調(diào)節(jié)CR值，直到CR＜0.1.

對(duì)表2上部結(jié)構(gòu)判斷矩陣進(jìn)行檢驗(yàn).由表3可知，RI=0.90，通過一致性檢驗(yàn)計(jì)算出最大特征值λmax=4.246 3，之后計(jì)算出檢驗(yàn)數(shù)CR=0.091 22lt;0.1，滿足一致性檢驗(yàn).

1.4" 橋梁技術(shù)狀況評(píng)判

1）選取影響橋梁承載力的各個(gè)因素，建立橋梁整體損傷因素矩陣X.X內(nèi)子矩陣Xi（i=1，2，3）代表一級(jí)評(píng)價(jià).如上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系等.Xij（i，j=1，2，3，4）中，i，j分別代表一級(jí)損傷評(píng)估中第i個(gè)損傷指標(biāo)中的第j個(gè)因素，如上部結(jié)構(gòu)中的主要承重結(jié)構(gòu)、次要承重結(jié)構(gòu)等等.

X=X1X2Xn=X11X12…X1m

X21X22…X2m

Xn1Xn2…Xnm

.（11）

Xi=（Xi1，Xi2，…，Xin）T.（12）

2）建立評(píng)估指標(biāo)權(quán)重矩陣，針對(duì)目標(biāo)重要程度而言，如上部結(jié)構(gòu)損傷和橋面系損傷對(duì)橋梁整體承載能力影響不同，引入不同權(quán)重指標(biāo).

α=（α1，α2，…，αn）T.（13）

3）各部件評(píng)估得分矩陣，其中ki為第i個(gè)二級(jí)評(píng)估目標(biāo)的損傷評(píng)估得分.

k=（k1，k2，…，kn）.（14）

4）得出橋梁總體損傷評(píng)估得分分值.

OES=αkX.（15）

5）根據(jù)既有橋梁總體損傷評(píng)估得分，對(duì)橋梁進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)等級(jí)狀況的確定.

2" 節(jié)段梁損傷狀況等級(jí)評(píng)定

2.1" 混凝土損傷惡化系數(shù)的提出

混凝土損傷必然導(dǎo)致混凝土材料剛度的下降，引入損傷惡化系數(shù)對(duì)不同部位混凝土進(jìn)行強(qiáng)度折減，進(jìn)而評(píng)估出損傷后梁體的承載能力.文獻(xiàn)［12］研究表明，混凝土在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度開裂后，還存在殘余強(qiáng)度，殘余強(qiáng)度隨著裂縫寬度的增加而減小.歐洲規(guī)范［13］中給出了混凝土開裂后基于斷裂能的殘余強(qiáng)度的變化過程（圖 2）及計(jì)算公式（式 16～式18）.

GF=73f0.18cm，（16）

σct=fctm×1.0-0.8ww1，" w≤w1，（17）

σct=fctm×0.25-0.05ww1，" w＞w1，（18）

其中，fcm、fctm分別為混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度，具體取值如文獻(xiàn)［14］所示；w為裂縫張開寬度.

基于以上混凝土殘余強(qiáng)度理論，建立起以混凝土裂縫寬度為指標(biāo)的混凝土開裂后惡化系數(shù)計(jì)算公式，

K=1-σctfctm.（19）

2.2" 節(jié)段梁損傷狀況的評(píng)定等級(jí)構(gòu)建

由于本文僅對(duì)節(jié)段預(yù)制橋梁的梁體部分進(jìn)行評(píng)估，因此對(duì)其損傷評(píng)估僅能做到二級(jí)目標(biāo)損傷評(píng)估.基于節(jié)段梁損傷狀況評(píng)估對(duì)二級(jí)損傷評(píng)估指標(biāo)下各構(gòu)件損傷評(píng)分得分值進(jìn)行詳細(xì)說明.

首先，本文參考《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)既有節(jié)段梁評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行劃分，具體如表 4 所示.然后根據(jù)權(quán)重賦分法根據(jù)節(jié)段梁不同部位對(duì)承載力影響大小對(duì)各部位損傷進(jìn)行了權(quán)重賦分，各評(píng)價(jià)部位所占權(quán)重如表5所示.再依據(jù)表 6～表9 中評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)損傷部位進(jìn)行損傷分扣除，使用式（20）計(jì)算得出節(jié)段梁的綜合技術(shù)狀況評(píng)分.最后，依據(jù)技術(shù)狀況綜合評(píng)分對(duì)不同得分區(qū)間的節(jié)段梁進(jìn)行技術(shù)狀況等級(jí)劃分，確定節(jié)段梁損傷狀態(tài).

損毀級(jí)，節(jié)段梁各方面損傷嚴(yán)重，喪失承載能力，無(wú)修復(fù)加固必要.

STSB=100-∑ξiφijUi，（20）

式中，STSB為節(jié)段梁技術(shù)狀況得分，域值為0～100分；i為第i個(gè)評(píng)定項(xiàng)目；j為第j個(gè)評(píng)定類別；ξ、φ為權(quán)重系數(shù)；U為扣分值.

3" 應(yīng)用案例

將上述橋梁損傷評(píng)估方法用于本課題組試驗(yàn)破壞梁評(píng)估.本次所要進(jìn)行評(píng)估的節(jié)段預(yù)制梁為已經(jīng)發(fā)生破壞的接縫局部連續(xù)節(jié)段預(yù)制梁，梁由5個(gè)節(jié)段拼裝而成，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度均為60 cm，全長(zhǎng)共300 cm，計(jì)算跨徑280 cm.梁高40 cm，上下翼緣厚6 cm，腹板寬10 cm.B2、B4段為轉(zhuǎn)向塊段，轉(zhuǎn)向塊寬度設(shè)置為10 cm；兩側(cè)設(shè)置錨固端，寬20 cm，在轉(zhuǎn)向塊和錨固端上的相應(yīng)位置預(yù)埋PVC管，直徑為20 mm，用于體外預(yù)應(yīng)力束穿束.體外預(yù)應(yīng)力束布置為折線形，在錨固區(qū)和轉(zhuǎn)向區(qū)之間的彎折角度為8.6°.在接縫處腹板上設(shè)置3個(gè)剪力鍵.為提升梁體韌性，接縫處還設(shè)置了灌漿套筒結(jié)構(gòu).梁的具體破壞形式如圖3～4所示.

通過圖3～4可知，該試驗(yàn)梁損傷評(píng)估包括：1）接縫處混凝土被拉裂，灌漿套筒中鋼筋屈服，鋼筋損傷達(dá)到標(biāo)度5；2）體外預(yù)應(yīng)力束在試驗(yàn)結(jié)束后無(wú)明顯缺陷，損傷標(biāo)度為2；3）跨中最大撓度達(dá)到40 mmgt;計(jì)算跨徑的1/600，損傷達(dá)到標(biāo)度5；4）彎剪段混凝土出現(xiàn)許多細(xì)小裂縫，對(duì)梁體承載力幾乎沒有影響，損傷標(biāo)度為1；而純彎段混凝土破壞嚴(yán)重，裂縫寬度能達(dá)到20 mm左右，此處混凝土損傷惡化系數(shù)0.95lt;K，損傷標(biāo)度為5.

通過上述梁體破壞情況，結(jié)合式（20）對(duì)上述破壞梁體計(jì)算得出既有損傷節(jié)段梁得分：

STSB=100-∑4i=1ξiφijUi=100-［0.15×80+0.2×80+0.25×10+0.4×0.5×（0+80）］=53.5

.

依據(jù)表4既有節(jié)段梁評(píng)價(jià)等級(jí)，該節(jié)段預(yù)制梁技術(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)屬于較差級(jí)，節(jié)段梁承載力嚴(yán)重降低，需要進(jìn)行修復(fù)加固.

4" 結(jié)論

基于層次分析法構(gòu)建了節(jié)段預(yù)制橋梁損傷安全評(píng)估體系，建立了一個(gè)條理清晰、層次分明的指標(biāo)體系，在提出節(jié)段預(yù)制橋梁損傷安全評(píng)估體系的基礎(chǔ)上，考慮對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響大小，結(jié)合權(quán)重賦分法對(duì)節(jié)段梁不同部位進(jìn)行了權(quán)重賦分，給出了相應(yīng)的橋梁狀態(tài)評(píng)估公式，制定了節(jié)段預(yù)制橋梁狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；使用本文提出的橋梁狀態(tài)評(píng)估方法對(duì)本課題組的試驗(yàn)破壞梁進(jìn)行評(píng)估，得出既有節(jié)段梁技術(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)屬于較差級(jí)，節(jié)段梁承載力嚴(yán)重降低，需要進(jìn)行修復(fù)加固.

參" 考" 文" 獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王蘭英）