基于物元分析的簡支梁橋結(jié)構(gòu)耐久性評估

基于物元分析的簡支梁橋結(jié)構(gòu)耐久性評估

北京有300多條采用鋼筋混凝土（rc）的簡條橋。其中，許多橋梁在超載和環(huán)境的影響下遭受不同程度的破壞，必須盡快評估、決策和處理。在遵循現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》和《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》、參考建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估研究成果的基礎上,本文建立了在用鋼筋混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)綜合評估方法。本方法包括:①從耐久性損傷、安全性(即承載力)和適用性(即剛度)三個方面進行評估;②根據(jù)層次分析法的原理,建立多層次的綜合評估模型;③確定評估模型中指標、子指標的評估分級標準;④確定評估模型中各項目、指標及子指標初始權(quán)重;⑤從評估模型的底層逐層評估:根據(jù)物元分析的理論,引入關(guān)聯(lián)度的概念,并采用變權(quán)評估;除底層外,每一層的評估以下一層評估結(jié)果為基礎,最后得到簡支梁橋結(jié)構(gòu)耐久性損傷、安全性和適用性現(xiàn)狀等級;⑥根據(jù)評定的等級,決定采取的處理措施。1評估模型RC簡支梁橋多層次評估模型包括目標層、項目層和指標層(耐久性損傷的評估還包括子指標層),如圖1、圖2和圖3所示。1.1綜合評估的目標以橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性損傷、安全性和適用性作為綜合評估的目標。從這三個方面進行評估,可以充分利用現(xiàn)行規(guī)范(規(guī)程)的規(guī)定,并借鑒建筑結(jié)構(gòu)評估的研究成果,使評估結(jié)果更合理。1.2連接梁、蓋梁、墩臺、和支護結(jié)構(gòu)的可靠性評估根據(jù)簡支梁橋的結(jié)構(gòu)組成和受力特點,將其上部結(jié)構(gòu)的橫向連接、主(板)梁、蓋梁、墩臺、和支座五部分作為評估項目(本文對橋梁可靠性有直接影響的橋梁結(jié)構(gòu)地上部分進行評估,不包含橋面鋪裝損傷和橋梁附屬設施的損傷)。1.3指標層1.3.1耐久性損傷指標根據(jù)對北京地區(qū)多座簡支梁橋的現(xiàn)場調(diào)查和檢測,確定耐久性損傷指標為:混凝土裂縫(不含順筋裂縫)、混凝土腐蝕、鋼筋銹蝕和保護層損傷(含順筋裂縫),其中混凝土裂縫和混凝土腐蝕包含子指標。1.3.2安全指數(shù)根據(jù)不同構(gòu)件的受力特點,選取相應等效承載力(受彎、受剪和受壓)的降低率作為構(gòu)件安全性評估指標。1.3.3適用性指標采用主梁等效剛度降低率作為適用性評估的指標。2評估、內(nèi)涵和對策將橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性損傷、安全性和適用性現(xiàn)狀分為四個等級,各等級的涵義及對策見表1～表3。3評估和分類基準包括子指標、分支和水平連接3.1環(huán)境保護指標3.1.1混凝土裂縫受力裂縫和非受力裂縫對橋梁結(jié)構(gòu)的影響不一樣,本文采用不同的評估標準。3.1.2混凝土腐蝕混凝土腐蝕指混凝土的液相腐蝕,主要表現(xiàn)為混凝土因溶出性腐蝕而形成的表面白斑和混凝土截面的損傷。3.1.3鋼筋腐蝕根據(jù)鋼筋的截面損失率,確定鋼筋銹蝕程度的評估標準。3.1.4裂縫強度的確定根據(jù)保護層順筋裂縫寬度,確定保護層損傷的評估標準。當保護層脫落時,可酌情取裂縫寬度為6～8mm進行評估。上述各耐久性損傷指標的評估標準見表4。3.1.5安裝損壞支座損傷程度難以定量確定。本文根據(jù)支座損傷狀況,對支座進行評分,評分標準見表5。3.1.6橫向連接評分橫向連接損傷程度也難以定量確定。根據(jù)橫向連接的損傷狀況,對橫向連接進行評分,標準見表6。橫向連接損傷使主(板)梁共同工作性能降低,用橋梁的整體性系數(shù)γ表示,評估標準見表6。3.2考慮梁荷載效應的參數(shù)設計對各評估項目采用相同標準,并嚴格控制一級和二級的標準、放寬三級和四級的標準。簡支梁橋安全性指標評估分級標準見表2。橫向連接損傷使主(板)梁荷載效應增大,用等效承載力降低率αD作為參數(shù)度量橫向連接損傷對安全性的影響,用下式計算*:αD=1-γ+γα(1)式中,α為主(板)梁承載力降低率。受彎承載力降低率主要根據(jù)縱筋與混凝土之間粘結(jié)破壞的程度及鋼筋截面面積損失率確定,計算方法可參考文獻;受壓和受剪承載力降低率計算方法可參考有關(guān)文獻。由于橫向連接的損傷對蓋梁和墩臺等構(gòu)件的影響不大,所以計算相應構(gòu)件的等效承載力降低率αD時,均取γ等于1,即αD=α。3.3剛度下降率的計算適用性指標評估分級標準見表3。用等效截面剛度降低率βD作為參數(shù)度量橫向連接損傷對適用性的影響,用下式計算:βD=1-γ+γβ(2)式中,β為主(板)梁截面剛度降低率,計算方法可參考文獻。4評估方法4.1初始權(quán)重的確定根據(jù)層次分析法原理,構(gòu)造判斷矩陣并求解,得到評估模型中各層次元素相對各評估目標的權(quán)重,即初始權(quán)重。計算結(jié)果示于圖1、圖2和圖3,圖中數(shù)字為百分數(shù),分別以各評估目標為100得到的權(quán)重。4.2指標層評估4.2.1評估x0j分級對沒有下級元素的指標(或子指標,包括支座和橫向連接,下同),將實測值或評估值代入下列關(guān)聯(lián)函數(shù)式進行計算,得到該指標對各等級的關(guān)聯(lián)度。Kj(xi)=??????2ρ(xi?x0ji)|x0ji|ρ(xi?x0ji)ρ(xi?xpi)?ρ(xi?x0ji)xi∈x0jixi?x0ji(3)Κj(xi)={-2ρ(xi?x0ji)|x0ji|xi∈x0jiρ(xi?x0ji)ρ(xi?xpi)-ρ(xi?x0ji)xi?x0ji(3)式中,Kj(xi)——某元素下屬的評估指標i對j等級的關(guān)聯(lián)度,j為一、二、三、四級;ρ(xi,x0ji)——表示xi與實區(qū)間x0ji之距;ρ(xi,xpi)——表示xi與實區(qū)間xpi之距;xi——評估指標i的實測值或評估值;x0ji——評估指標i相對j等級的評估分級標準;xpi——評估指標i的取值范圍。設x0ji=(a,b),ρ(xi,x0ji)采用如下形式:對一級:ρ(xi,x0ji)=(xi-b)/2(4)對二級和三級:ρ(xi?x0ji)={a?xixi≤a+b2xi?bxi≥a+b2(5)ρ(xi?x0ji)={a-xixi≤a+b2xi-bxi≥a+b2(5)對四級:ρ(xi,x0ji)=(a-xi)/2(6)ρ(xi,xpi)采用式(5)的形式。4.2.2初始權(quán)重的確定為考慮不同損傷程度的指標(或子指標)對評估結(jié)果的不同貢獻,評估時采用變權(quán)評估,即采用修正權(quán)重。修正權(quán)重等于初始權(quán)重和信息權(quán)重的乘積,其中信息權(quán)重反映了指標損傷程度不同對評估結(jié)果的不同貢獻:損傷嚴重,信息權(quán)重大;損傷輕,信息權(quán)重小。假設某指標i的實測值為xi,評估標準最大值為ximax,取該指標的信息權(quán)重W′i為:W′i=(0.1+0.9xi/ximax)(7)設該指標的初始權(quán)重為W0i,則取修正權(quán)重Wi為:Wi=W0i·W′i=W0i(0.1+0.9xi/ximax)(8)由式(8)可知,當指標實測值等于評估標準最大值時,對應權(quán)重即為初始權(quán)重;當指標實測值大于評估標準最大值時,對應權(quán)重大于初始權(quán)重;當指標實測值小于評估標準最大值時,對應權(quán)重小于初始權(quán)重;特別地,當指標完全沒有損傷時,對應權(quán)重僅為初始權(quán)重的1/10。各包含子指標的指標的評估結(jié)果建立在其子指標評估結(jié)果的基礎之上,指標對各等級的關(guān)聯(lián)度等于其各個子指標對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值,其中權(quán)重采用各子指標的修正權(quán)重。4.3對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)計算在指標層評估的基礎上,構(gòu)件(即相應的評估項目,如主梁、蓋梁等)對各等級的關(guān)聯(lián)度為其各指標對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值。對不包含子指標的指標,其修正權(quán)重按式(8)計算;對包含子指標的指標,其修正權(quán)重等于各子指標修正權(quán)重之和。當簡支梁橋的某一類構(gòu)件有多個時,該類構(gòu)件對各等級的關(guān)聯(lián)度為各個構(gòu)件對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值。構(gòu)件的修正權(quán)重等于該構(gòu)件各評估指標修正權(quán)重之和。4.4各組成構(gòu)件的修正權(quán)重各目標對各等級的關(guān)聯(lián)度等于相應評估項目對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值,各類組成構(gòu)件的修正權(quán)重等于該類構(gòu)件修正權(quán)重的平均值。目標等級取為最大關(guān)聯(lián)度所對應的等級。4.5檢測、評估、處理在用RC簡支梁橋結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀綜合評估前,應對結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀進行檢測。評估流程見圖4。對上述評估方法和評估流程的幾點說明如下:①當橋梁為多跨簡支梁橋時,應對每一跨分別評估。②當橋梁結(jié)構(gòu)的某一評估項目或某一構(gòu)件的損傷較嚴重時,可僅對該評估項目或構(gòu)件進行評估。③當橋梁有堿骨料反應疑跡時,應進行專項檢測、評估、處理。④實際操作中,可以先對橋梁結(jié)構(gòu)進行耐久性損傷評估,當耐久性損傷等級為一級時,不必再進行結(jié)構(gòu)的安全性和適用性評估,橋梁只需正常養(yǎng)護。⑤在對橋梁各構(gòu)件進行安全性評估時,應根據(jù)橋梁受力、配筋和耐久性損傷情況選擇危險截面,以危險截面的承載能力降低率作為構(gòu)件的承載能力降低率。⑥在對橋面梁進行適用性評估時,可取構(gòu)件彎矩較大范圍內(nèi)(如跨中兩側(cè)各1/4跨范圍內(nèi))損傷最嚴重的截面估算其剛度降低率。⑦對于安全性和適用性顯著降低的重大橋梁,由于加固、大修費用大,或加固施工嚴重影響交通時,可根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》,通過荷載試驗確定橋梁的安全性和適用性,對橋梁現(xiàn)狀作出更符合實際的評估。⑧由于設計等原因,橋梁可能有高于設計要求的安全儲備。橋梁的實際承載力可根據(jù)其結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀采用現(xiàn)行設計規(guī)范和本文的方法進行估算。挖掘橋梁承載能力的潛力或提高其荷載等級時,應慎重,對于重大橋梁,宜進行荷載試驗。5低價值馬家堡橋以原馬家堡橋的一塊橋面板梁不考慮橋梁整體性系數(shù)為例說明評估方法和評估過程。原馬家堡橋建于1964年,為3跨簡支板梁跨河橋,每跨7根梁。橋下河水污染嚴重。由于受到環(huán)境和人為因素的作用,損傷嚴重,主要表現(xiàn)為:保護層剝落、鋼筋嚴重銹蝕、外露甚至在很長范圍內(nèi)與混凝土完全脫離。5.1賠償損失的評估5.1.1棗核型裂縫實測板梁耐久性損傷指標如下:彎曲(受力)裂縫:0.1mm;棗核形裂縫:無;腹板斜裂縫:無;混凝土面積腐蝕(表面白斑)率:無;鋼筋銹蝕率(跨中):10%;順筋裂縫:保護層脫落很嚴重,取裂縫寬度為8mm。5.1.2混凝土腐蝕和鋼筋腐蝕關(guān)聯(lián)度彎曲裂縫對一、二、三、四級各等級的關(guān)聯(lián)度為0,0,-0.67和-0.75;棗核形裂縫對各等級的關(guān)聯(lián)度為1,-1,-1和-1;腹板斜裂縫對各等級的關(guān)聯(lián)度為1,-1,-1和-1;混凝土腐蝕對各等級的關(guān)聯(lián)度為1,-1,-1和-1;鋼筋銹蝕對各等級的關(guān)聯(lián)度為-0.31,-0.33,1和-0.2;順筋裂縫對各等級的關(guān)聯(lián)度為-1,-1,-1和1。彎曲裂縫的信息權(quán)重為0.19,修正權(quán)重為0.167;棗核形裂縫的信息權(quán)重為0.1,修正權(quán)重為0.088;腹板斜裂縫的信息權(quán)重為0.1,修正權(quán)重為0.088?；炷亮芽p的評估建立在三者評估結(jié)果的基礎上,對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為0.513,-0.513,-0.838和-0.878。5.1.3修正權(quán)重的確定混凝土裂縫的修正權(quán)重為彎曲裂縫和縱向裂縫修正權(quán)重之和,等于0.343。混凝土腐蝕、鋼筋銹蝕和順筋裂縫的修正權(quán)重分別為0.469,9.163和17.353。板梁耐久性損傷對各等級的關(guān)聯(lián)度等于板梁評估指標對各等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值,分別為-0.715,-0.770,-0.327和0.540。板梁耐久性損傷等級為四級。5.2安全評估5.2.1局部保壓損傷由計算,板梁受彎承載力降低率為15%。忽略因局部保護層損傷對板梁截面的影響,板梁彎起鋼筋基本沒有損傷,板梁受剪承載力的降低率為0。5.2.2指標評價受彎承載力對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為-0.538,-0.667,0和0;受剪承載力對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為1,-1,-1和-1。5.2.3修正權(quán)重受彎承載力的修正權(quán)重為12.919,受剪承載力的修正權(quán)重為1.667。板梁安全性對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為-0.402,-0.705,-0.114和-0.114。板梁安全性等級介于三級和四級之間。5.3適用性評估5.3.1指標計算由計算,板梁受彎剛度的降低率為6%。5.3.2指標評價板梁受彎剛度對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為-0.294,-0.143,0.200和-0.429。5.3.3梁適用性各等級關(guān)聯(lián)度板梁適用性僅含板梁受彎剛度降低率一個指標,所以板梁適用性對各等級的關(guān)聯(lián)度等于板梁受彎剛度降低率對各等級的關(guān)聯(lián)度,分別為-0.294,-0.143,0.200和-0.429。板梁適用性等級為三級。5.4處理方法根據(jù)上述評估結(jié)果,該板梁是不安全的,應立即加固或替換。6評估結(jié)論分析本文將物元分析理論引入層次分析法,對在用鋼筋混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀進行評估。評估方法具有如下特點:①考慮到各等級之間以及各評估項目、指標相對重要性的模糊性,通過專家經(jīng)驗給出各等級的范圍和相對重要性程度,將不確定的指標量化,便于評估。②考慮到分級標準本身的模糊性,通過計算指標對各等級的隸屬程度即關(guān)聯(lián)度,在比較中進行評估:關(guān)聯(lián)度取值范圍為[-1,1],下限表示完全不屬于某等級,上限表示完全屬于某等級。③為考慮不同損傷(或降低)程度的指標(或子指標)對評估結(jié)果的不同貢獻,評估時采用變權(quán)評估。④本文的評