桥梁下部结构的耐久性评估实用方法——模糊综合评价法

邢 蓉

（山西交通职业技术学院，山西 太原 030031）

0 引言

桥梁随着运营时间的增长，长期暴露在室外，经受着自然环境的影响，结构自然老化，交通量的与日俱增，行车荷载的不合理控制，以及洪水、船舶等冲撞，使桥梁结构抗力的衰减程度增大，耐久性会不断降低，甚至会影响到桥梁的安全性问题。因此，桥梁耐久性的正确评估已经成为一个新兴而又有挑战性的研究课题。耐久性评估主要侧重于结构损伤及其成因，以及这些损伤对材料的物理特性的影响，确定现阶段结构的性能，并估计剩余使用寿命。而这些损伤原因是处于不断变化的过程中，存在极大的不确定性。近年来，随着数学理论的引入和广泛应用，将桥梁建设、检测、评估逐步数字化、科学化，而模糊综合评价正是通过应用模糊数学的相关概念，对实际模糊问题进行科学、量化评估的方法，能充分反映影响桥梁耐久性各因素的关联性、随机性强的特点。

1 运用模糊综合评价方法的评估步骤

首先，桥梁耐久性评估是从桥梁的构件出发，构件的失效不能反映桥梁整体的失效，但各构件的失效对桥梁的影响程度是不同的，从各个构件的分析指标建立出模糊评价多层次模型[1]，见模型函数（1）。

式中：Q 为待定的结构；E={e1,e2，e3，e4，e5,}，其中 e1代表耐久性优，e2代表耐久性良，e3代表耐久性中，e4代表耐久性差，e5代表耐久性劣；X为不同研究对象的 i个影响因素总集，X={x1,x2，……，xi,}，xi为子因素集，xi={g1,g2，……，gj,}；g为影响桥梁结构耐久性的因素。

其次，确定单因素模糊集的隶属函数，从各个因素确定该结构对评估等级的隶属度，构造出从因素论域到评估论域的一个模糊关系矩阵或综合评价矩阵R。因为在役钢筋混凝土桥梁的综合评定依照《公路桥涵养护规范》中，按3个层次即第一层次为构件耐久性评定，第二层次为桥梁构成耐久性评定，第三层次为桥梁整体结构耐久性评定，除附属结构与设施分为4个等级外，其余各个层次均为5个等级，各个等级的考核指标中，既有定性指标，又有定量指标，而对于定性指标只能通过较好、较大、较差、部分、较小这些模糊的概念去描述，因此用模糊控制理论来进行耐久性评定具有实用价值。

最后应用综合模糊关系合成原理进行综合评估得出等级模糊向量[2]。

2 模糊综合评价法的实际工程应用

工程概况：桥位于神池至河曲高速公路K70+285.5处，桥梁全长434.32 m，前右角90°。按左右幅分离设计。下部结构：2号、5号主引桥过渡墩采用空心墩，墩高分别为17.5 m、28.5 m；3号、4号主桥桥墩采用双薄壁空心墩，墩高分别为61.0 m、55.0 m；1号、6号、7号引桥桥墩采用柱式墩，0号桥台采用肋板台，8号桥台采用柱式台，墩台均采用钻孔灌注桩基础。本桥位于R=∞和Ls=150 m（右）、R=1 000 m（右）的平曲线上，墩台采用径向布置。

2.1 建立评估对象

图1 立面、平面图（单位：cm）

如图2所示，本文以该桥下部结构为例，采用模糊综合评价法对其耐久性进行评定。

图2 评估层次划分图

2.2 建立模型函数

本例依据模糊评估模型对上述桥梁的下部承重构件进行评估。现取4个桥墩构件、4个基础构件和两个桥台构件作为评估对象，并用P表示桥墩，用A表示桥台，用B表示基础，根据结构构件的重要性程度以及耐久性影响因素对各构件的耐久性影响程度的高低，建立评估模型，其中：X={x1,x2，x3,x4，x5,x6，x7,x8，x9,x10}，X 为不同研究对象的 i个影响因素总集，即：

且xi为多个影响耐久性因素构成的子因素集，即：xi={g1,g2，g3,g4，g5}, 其中 g1为裂缝宽度，g2为表面缺损，g3为变形情况，g4为环境作用因素，g5为稳定性。

2.2.1 确定耐久性指标分值

已知该桥的耐久性指标分值见表1。

表1 耐久性指标分值

2.2.2 确定结构耐久性的等级划分情况

在役钢筋混凝土桥梁的综合评定依照《公路桥涵养护规范》中，按3个层次即第一层次为构件耐久性评定，第二层次为桥梁构成耐久性评定，第三层次为桥梁整体结构耐久性评定，除附属结构与设施分为4个等级外，其余各个层次均为5个等级，按照实际具体情况来评估桥梁的具体情况，将耐久性等级进行划分[3]，见表2。

表2 耐久性等级划分

2.2.3 建立隶属函数

2.2.4 建立单因素评定矩阵

根据隶属函数，将表1的质量因子向量代入得到该评估桥梁的桥墩、桥台、基础的单因素评定矩阵如下：

2.3 计算综合评定向量

2.3.1 计算二级综合评定向量及一级综合评定向量：

a）根据CMFS权重计算方法得到5个影响因素的权重为 A=（0.10，0.25，0.25，0.15，0.25），由此，可得出桥墩、桥台、基础的二级综合评定向量为：

根据最大隶属原则，该桥所研究的各构件的耐久性评定结果见表3。

表3 构件耐久性的评定结果

b）计算下部结构的一级综合评定向量：

将 xi视为因素，记作 x=｛x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10｝，

写出关于x的矩阵为：

权重分配A'=(0.10,0.10,0.10,0.10,0.09,0.09,0.11,0.11,0.10,0.10).

由此，可得结构的一级综合评定向量为：

2.3.2 评估结果

通过对桥墩、桥台、基础的一级综合评定向量，下部结构的二级综合评定向量进行详细计算，根据计算结果可见评估桥梁的下部结构耐久性属于良，桥墩、桥台需要采取适当的后期养护方案，基础也要进行日常监测，以保证桥梁下部结构在良好环境下能正常运营，延长桥梁的使用寿命。

3 结论

a）应用模糊综合评价法对桥梁结构的耐久性进行评估，其评估过程层次清晰，模糊指标得到量化，评估结果科学合理，让人一目了然。

b）模糊综合评价法不仅能对桥梁结构的耐久性进行评估，而且还可以推广到桥梁的适应性与安全性以及经济性的评估，既能比较现实地反应实际情况，而且能减轻桥梁工程师的设计计算工作，为优化桥梁设计方案提供有力依据。