快速路高架桥匝道安全评估研究

高 珊，袁 磊

(1.成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106;2.四川华西绿舍建材有限公司，四川 成都 610081)

0 引 言

随着社会经济和交通运输的快速发展，城市快速路高架桥已经成为各大城市交通发展的重要组成部分.然而，根据实际工程检测发现，高架桥的匝道连接部位，由于其独特的结构状态和受力机理，在实际运营过程中产生了许多病害，尤其是近些年的匝道桥频发桥毁人亡的严重事故［1－2］.高架桥匝道结构安全性问题己经引起工程界、桥梁管理部门的关注，建立一种安全有效的高架桥匝道安全评估体系势在必行.目前，对既有桥梁的损伤评定是一个比较复杂的问题，在桥梁结构损伤评定中存在大量的不确定因素和信息，至今尚无统一的评判标准.然而，影响快速路高架桥匝道桥梁损伤的因素的多样性以及桥梁结构本身的复杂性，造成了桥梁损伤类型的多样性和多层性，而仅用少数几个指标很难反映桥梁损伤的实际情况，需要建立一个完整的评价指标体系.对此，本研究根据独柱匝道桥梁结构的构造特点，采用AHP 层次分析法，把系统分解成几个子系统，再对各个子系统建立评价指标体系，分析各个评价指标的损伤等级标准，并对各个指标进行评估，从而建立起一套完整的独柱匝道桥梁安全评估体系.

1 高架桥匝道安全评估体系建立

1.1 一票否决制

从诸多高架桥匝道安全事故中发现，超载车辆偏载作用下引发支座脱空是引发桥梁梁体侧翻整体垮塌的主要因素.因此，在运用独柱匝道桥安全评估体系对独柱匝道桥进行安全评估之前，首先要对独柱匝道桥进行稳定性分析.如果在使用阶段偏载、支座沉降及温度荷载各工况作用下，支座出现负反力，则表示支座在相应荷载组合工况下，有脱空现象，则预示该桥梁在运营阶段存在主梁倾覆的可能性.那么，该独柱匝道桥可直接评定为“坏的”或“危险”状态，必须进行改造.若在各工况作用下，匝道桥的支座未出现负反力，则可以采用独柱桥安全评估体系对匝道桥的安全状况进行进一步的评估［3－5］.

1.2 AHP 法建立快速路高架桥匝道安全评估体系

本研究在原有评估体系研究的基础上，采用层次分析法(AHP 法)对桥梁结构耐久性、承载力和使用状况，通过3 个一级子系统建立评估模型进行评价，具体如图1 所示.评价指标体系是关系到评估结果是否准确可靠的关键.

建立了评估体系的层次结构模型，在评估结构状态之前还必须要确定各层指标之间的相对重要性——权重值，此可以用判断矩阵来计算.首先，建立指标的两两判断矩阵，然后，对判断矩阵进行一致性检验，最终，确定指标的权重.在综合评估方法的实际运用中，评估指标还需要考虑均衡性问题，即评估指标的权重应该是变化的.当某一指标水平处于极差的状态时，应该加大对此指标的重视程度，即加大此评估指标的权重，甚至可以由这个指标判断结构整体的状态.因此，进行状态评估时，应当利用变权原理来反映指标的不均匀性.整个评估的基本流程如图2 所示.

图1 快速路高架桥匝道损伤指标层次结构图

图2 快速路高架桥匝道桥梁安全评估流程

我国《公路桥涵养护规范》(JTGHll-2004)将桥梁状态总体技术评定结果分为五类:一类为完好、良好状态;二类为较好状态;三类为较差状态;四类为坏的状态;五类为危险状态.为了与我国现行有关规范和标准保持一致，本研究将快速路高架桥匝道安全评估的评语集设为v={v1，v2，v3，v4，v5}={无损伤，轻微损伤，中等损伤，严重损伤，破坏性损伤}，并对应上述每一个评语作如下的规定:无损伤为符合国家现行的规范要求，只需日常的清洁保养;轻微损伤为略低于国家现行的规范要求，但不影响安全及正常使用，需进行小修保养;中等损伤为中度不符国家现行的规范要求，已中度影响安全或正常使用，需进行中修;严重损伤为较严重不符国家现行的规范要求已较严重影响安全或正常使用，需进行大修或加固;破坏性损伤为严重不符国家现行的规范要求，已危及安全或不能正常使用，必须立即采取措施.

一级模糊综合评判是对影响快速路高架桥匝道损伤最基本的因子，如混凝土裂缝状况等C1 ～C14 14 个因子进行评估;对耐久性、承载力、使用状况等B1 ～B3 进行模糊综合评判，属于二级模糊综合评判范畴.

1.2.1 一级模糊综合评判.

首先建立单个因素的评价矩阵，然后确立因素集中的各个因子的权重向量，最后对该因素的损伤状态进行模糊综合评判.

1.2.2 二级模糊综合评判.

桥梁损伤的二层次模糊综合评判是在一级模糊综合评判得到的耐久性评价向量B1，承载力评价向量B2，桥梁使用状况评价向量B3 的基础上，组成单因素评判矩阵，

然后乘以B1、B2、B3 3 个因素所对应的权重向量，A= (a1，a2，a3)，将3 个损伤因素进行二级模糊综合评判，

在求出B 之后，对评判结果进行归一化处理，则有，

通过上述给出的桥梁结构各指标的损伤评估等级向量，根据各项损伤对桥梁整体技术状态的影响确定其权重，从而给出桥梁的总体损伤程度.

2 工程实际应用

分析对象的五乡互通立交位于宁波绕城高速公路东段，全线长2.55 km，包含8 条互通匝道(见图3).匝道桥梁上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，3～5 跨一联;下部结构采用钻孔灌注桩基础，柱式墩，中墩采用独柱式，交接墩采用双柱式，共计有独柱墩连续箱梁27 联.现以B 匝道与E 匝道为例进行匝道安全评估.B 匝道桥的计算联为4 m×20 m 的现浇钢筋混凝土连续箱梁，桥梁下部结构采用钻孔桩基础配以独柱墩，仅在联间设有盖梁，桥台为U 型桥台.E 匝道上部结构为4 m×30 m 预应力混凝土连续箱梁，桥面总宽8.5 m.下部结构10 号墩、14 号台采用双支座，支座间距3 m，11 ～13 号墩采用独柱墩［6］.

图3 五乡互通立交示意图

在分析时，首先对独柱匝道桥进行稳定性分析.本次验算使用阶段的荷载组合为，恒载+预应力效应+汽车荷载(含冲击力、曲线半径小于250 m 计离心力)+支座变位+整体升(降)温+梯度升(降)温.为安全起见，汽车荷载标准按以下3 种工况进行上部结构抗倾覆验算.

1)工况1.《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60－2004)公路-Ⅰ级荷载.

2)工况2.1.3 倍公路-Ⅰ级车道荷载.其定义如下:计算在《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60－2004)相关条文规定基础上，按均布荷载标准值qk乘以1.3 的系数，集中荷载标准值pk 乘以1.3 的系数进行计算，按实际的车道数进行加载.

3)工况3.集装箱车队自定义车辆荷载.其定义如下:按1.2 倍的规范、55 t 车辆荷载进行加载计算，车队纵向的前后轮轮距为10 m，按实际的车道数进行加载.

2.1 工程实例一(一票否决制)

E 匝道采用Midas Civil 建立空间有限元模型(见图4).经过详细计算得出E 匝道在不同荷载工况下的支座反力如表1 所示.

图4 五乡互通立交E 匝道结构有限元模型

表1 五乡互通立交E 匝道支座反力计算表

计算结果表明，在3 种工况下E 匝道各支座均有负反力产生，即支座会有脱空现象，则本桥在运营阶段存在箱梁整体倾覆的可能性，因此，该匝道桥符合一票否决原则，直接评定其安全等级为差的或危险状态，必须对其进行改造.

2.2 工程实例二

2.2.1 匝道抗倾覆性验算.

B 匝道采用Midas Civil 建立空间有限元模型(见图5).经过详细计算得出B 匝道在不同荷载工况下的支座反力如表2 所示.

图5 五乡互通立交B 匝道结构有限元模型

计算结果表明，在3 种工况下B 匝道支座均出不现负反力，即支座不会有脱空现象，说明B 匝道不存在桥梁倾覆危险.因此，可直接用匝道桥安全评估系统对该桥进行安全评估.

2.2.2 匝道桥安全评估系统的建立.

根据独柱匝道桥安全评估体系，本研究从耐久性、承载力及桥梁使用状况3 个方面14 个指标对B匝道桥进行安全评估.分析时，参考浙江省交通科学研究所提供的五乡互通立交桥定期检查报告及宁波市交通局提供的相关资料［6］，确定各项评价指标情况，采用Super Decisions 软件创建层次分析模型(见图6).以Super Decisions 超级决策软件中的判断矩阵为模板，创建调查问卷，将收回的问卷数据输入Super Decisions 超级决策软件，获得该匝道桥各指标权重和隶属度如表3 所示.

表2 五乡互通立交B 匝道支座反力计算表

图6 基于Super Decisions 的层次分析(AHP)模型图

在权重集及隶属度确定之后，结合C 级指标的权重，对B 级指标的评价向量进行多级模糊计算，其计算过程及结果如下:

耐久性=(0.22，0.16，0.49，0.13)·

表3 评价指标权重及隶属度

承载力=(0.17，0.07，0.26，0.33，0.06，0.11)

根据最大隶属度原则，“耐久性”指标的最大隶属度值为0.4111，其对应的评语为“良好”;“承载力”指标的最大隶属度值为0.3511，其对应的评语为“一般”;“桥梁使用状况”指标的最大隶属度值为0.346，其对应的评语为“较差”.

根据C 级指标权重与隶属度计算得出的各个B级指标的评价向量，结合B 级指标的权重，计算评价目标的评价结果，其计算过程及结果如下:

独柱匝道桥梁安全评估

=(0.0604，0.1961，0.2887，0.3000，0.1548)

根据最大隶属度原则，在向量(0.0604，0.1961，0.2887，0.3000，0.1548)中，最 大 隶 属 度 值 为0.3000，其对应评语为“严重损伤”.

运用AHP-多级模糊综合评价法对该独柱匝道工程项目的总体评价结果为:严重损伤，应对其进行维修加固处理.该结论与浙江省交通科学研究院提供的五乡互通立交桥定期检查报告中给出的检测结果一致，表明了本快速路高架桥匝道安全评估体系的正确性和适用性.

3 结 论

本研究针对目前快速路高架桥匝道结构研究中存在的问题，结合快速路高架桥匝道结构的力学特性，明确了影响快速路高架桥匝道安全性的各种因素，采用层次分析法(AHP)建立了快速路高架桥匝道结构的安全评估模型.同时，以宁波五乡互通立交匝道为工程实例，分别对其B 匝道及E 匝道进行安全评估，验证了本快速路高架桥匝道结构的安全评估体系的可行性和适用性.

［1］朱汉华，周智辉，等.土木工程结构受力安全问题的思考［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［2］陈庆华.浅析弯梁桥的存在问题及构造设想［J］.四川建材，2007，33(6):19－20 +22.

［3］E.C.汉勃利.桥梁上部构造性能［M］.郭文辉译.北京:人民交通出版社，1982.

［4］邵容光，夏淦.混凝土弯梁桥［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［5］徐秋实.高速公路互通式立交桥安全设计方法研究［D］.北京:北京工业大学，2008.

［6］宁波五乡互通立交桥梁定期检查报告［R］.杭州:浙江省交通科学研究院，2010.