基于改进不确定型层次分析法的桥梁预防性养护综合评估指标体系研究

何伟南

(绍兴市公路管理局,浙江 绍兴 312035)



基于改进不确定型层次分析法的桥梁预防性养护综合评估指标体系研究

何伟南

(绍兴市公路管理局,浙江 绍兴 312035)

针对桥梁预防性养护评估问题，提出层次评价分析模型。该模型以养护经济性和结构安全及耐久性为目标，把对目标产生影响的各主要因素逐层分解为可现场检测或进行数理统计分析的定性或定量指标，并且基于改进的不确定型层次分析法确定各主要因素权重，由模糊评判方法建立分级隶属度函数，由此建立了一套桥梁预防性养护综合评价体系。实例表明本方法具有很好的准确性和实用性。

桥梁；预防性养护；改进不确定型层次分析法；模糊综合评价

0 引 言

近年来，为了使混凝土桥梁使用寿命延长，减少后期维修工作，基于预防性养护理念，桥梁预防性养护逐渐发展起来，以往桥梁都是在桥梁结构病害发生比较严重时才进行维修养护，而预防性养护则是在桥梁运营前期或病害刚发生时进行的，可以有效防止病害进一步发展，使得桥梁结构使用寿命延长，服务质量提高，维修期限延长、成本降低，这种新的养护方式预期效果很好。

桥梁预防性养护，需要一个科学有效的可以进行量化的评价指标体系来确定采取预防性养护的最有利时机。本文以桥梁养护涉及经济性、安全及耐久性为目标函数建立层次分析模型，并且采用改进的不确定型层次分析法确定各影响因素的权重系数，采用模糊评判法建立模型中的隶属度函数。

1 改进的不确定型层次分析法及模糊综合评价理论

1.1 改进的不确定型层次分析法

1.1.1 基本原理

首先对需要解决的问题性质和要求进行分析，确定总目标，之后对问题进行深入分析，将其按层次分解，分解后在某层次上，相对于其上层目标，通过两两比较确定出各因素的权重系数，如此进行层层分析，至最后一层。如此即可将各影响因素相对总目标的重要性进行量化，再进一步进行排序。

1.1.2 基本算法

(1)比较同一层次各事件的重要性程度，然后根据其标度区间建立影响目标的判断矩阵。

(2)分别通过判断区间随机抽样法、区间数特征根法、判断矩阵的一致性逼近与排序法和区间数对数最小二乘法计算区间数判断矩阵，从而确定权重系数。

(3)在上一步的基础上计算各层对目标层的合成权重系数。

1.2 模糊综合判断

模糊综合评判是在模糊理论的基础上，计算分析同一层中各影响事件对上层事件的影响程度，然后逐层计算出各层中事件对总目标的影响[1]，此方法的优点是能够有效地将事件对目标的影响进行定量化，不再只是定性进行分析评价。

该方法的具体实施步骤为：

(1)找出因素集：U={μ1，μ2，…，μn}；

(2)建立评判集：V={V1，V2，…，Vm}；

(3)建立权重：A={a1，a2，…，an}；

权重系数可以利用三种方法来进行确定：敏感性拟和、历史数据统计分析以及专家评判法[2]；

(4)建立影响因素评判矩阵R，其隶属度可以采用三种方法确定：数理统计方法、贴近度以及距离法；

(5)将综合评判矩阵归一化，最后得到评判集各种质量等级的概率[3]。

两层次评判模型如下：

多层次评价模型依此类推。

2 桥梁预防性养护评价的指标体系

要建立桥梁预防性养护指标体系，需要建立有效可靠的桥梁预防性养护评价层次分析模型，且模型中的基本指标必须是影响养护经济性和安全及耐久性的各主要因素[4]。其中，影响结构安全及耐久性的主要因素涉及结构构件本身的使用性能以及施

工质量，如：裂缝、变形、表观质量、碳化、钢筋锈蚀以及预应力损失；影响经济性的主要因素则涉及桥梁运营产生的各方面效益以及桥梁施工成本和施工效果对后期运营的影响，如：养护效果、成本效益、社会效益、交通量影响以及施工难度。如此经过两层分解，即将目标分解成双目标，再进一步分解成多指标，建立层次分析模型[5]见图1。

图1 桥梁预防性养护层次分析模型

3 确定因素权重集

在上述混凝土桥梁预防性养护评价层次分析模型中，将上述中影响经济性的五个指标表示为：养护效果B1，成本效益B2，社会效益B3，交通量影响B4，施工难度B5。

依据以上原理，建立判断矩阵[5]如下所示：

3.1 采用四种方法计算权重系数

接下来，分别采用判断区间随机抽样法、区间数特征根法、判断矩阵的一致性逼近与排序法和区间数对数最小二乘法计算权重，各方法的计算结果见表1。

表1 桥梁养护经济性判断矩阵的权重系数

同理，可计算得出影响桥梁安全及耐久性评估的权重系数，具体结果见表2。

表2 桥梁养护安全及耐久性判断矩阵的权重系数

3.2 计算各层对目标层的合成权重

结构安全及耐久性，桥梁预防性养护经济性对预防性养护技术评估影响的权重系数，也即综合评估因素权重向量为：

接下来计算合成权重，计算原理及方法参考文献[6]，这里不做赘述，只列出计算结果分别见表3和表4。

表3 桥梁养护经济性总权重系数

表4 桥梁养护安全及耐久总权重

4 指标分级标准及隶属度函数建立[7,8]

限于篇幅，本节不对桥梁预防性养护中结构安全及耐久性指标分级标准及隶属度函数建立进行详细说明，仅重点阐述其经济性指标分级标准及隶属度函数如何建立。

4.1 指标分级标准

与我国现行有关规范和标准的评估方法类似，本文也将桥梁预防性养护经济性划分为五个等级，各类别涵义详见表5。

表5 桥梁预防性养护经济性等级涵义及状态

4.2 隶属度函数建立

4.2.1 养护效果分级隶属函数

预养护后桥梁结构的安全及耐久性会有一定范围上的提高，而其提高多少则直接表现了桥梁预养护的经济性效果，笔者将桥梁预养护后结构安全及耐久性相对于预养护前提高的百分率定义为结构改善系数，用以评定桥梁结构安全及耐久性的改善程度，其计算公式为：

式中：η为结构改善系数；P1与P2分别定量表示预养护前、后结构安全及耐久性。

由公式可看出，η越大，则预养护后桥梁结构安全及耐久性相对于预养护前的改善效果越好，也即预养护效果越好。按照计算结果将其分为五个等级，具体分级情况如表6。

表6 安全及耐久性提高程度的等级评定

4.2.2 成本效益分级隶属函数

本文将预养护工程项目中耗费单位成本所得到的结构改善系数定义为成本效益系数，用k表示，用以评价桥梁预养护的成本效益，计算如下：

式中：Q为每m2桥面所耗费的预养护成本。

同理，成本效益评估等级按k从大到小依次划分为1～5级，k越大，成本效益越大。

4.2.3 社会效益分级隶属函数

桥梁预养护产生的社会效益主要是由交通运输方面产生的经济效益组成，如运输费用节约，运输时间节约，交通事故减少，缓解交通拥挤等。 社会效益评估等级按社会效益大小从显著到无依次划分为1～5级。

4.2.4 交通影响程度分级隶属函数

桥梁的交通影响程度分级指标评定只能通过定性分析来确定，且无法直接进行评定，需要通过桥梁通行能力的降低使得桥梁经济性的削减程度来间接评定。交通影响程度评估等级按对通行能力从无到影响大依次划分为1～5级。

4.2.5 施工难易程度分级隶属函数

桥梁预防性养护施工难易程度分级指标评定也难以通过定量分析确定，只能进行定性分析，其评估等级按施工难易从方便到困难依次划分为1～5级。

5 工程实例

5.1 工程概况

某高速公路上的一座在运营的预应力混凝土连续梁桥，桥梁上部结构跨径布置为3×30m，横向由8片连续小箱梁组成；下部结构形式为桩柱式墩台，桥梁全长268m。现仅对该桥中跨部分按照上述方法建立相应模型进行预防性养护综合评估。

5.1.1 实地检测

(1)结构裂缝状况

对桥梁中跨进行表观检查，发现裂缝主要集中在主梁梁底锚固端，其裂缝检测具体状况为：主梁30%的梁底锚固端均有短纵缝，缝长在25～40cm，缝宽在0.06～0.12mm；下部结构有一处0.07mm宽竖向裂缝，位于外侧墩柱，距墩顶1.6m处；其余位置没有检查到裂缝。

(2)结构变形情况

结构无明显变形恶化。

(3)表观质量情况

对桥梁中跨进行表观质量检测，检测结果为在3片梁底面发现蜂窝及麻面，但仅是很少量地分布，不超过构件表面的3%，也没有检测到剥落或露筋现象。

(4)混凝土碳化情况

采用滴酚酞试剂方法测量桥梁中跨主梁混凝土碳化深度，检测结果为：主筋保护层厚度平均1.86cm，混凝土碳化深度平均1.04cm。

(5)钢筋锈蚀情况

采用钢筋锈蚀电位检测方法对桥梁中跨主梁、下部结构进行钢筋锈蚀电位检测，得到钢筋锈蚀电位的平均值分别为-47.6mV、-98.7mV。

(6)预应力损失情况

对桥梁中跨主梁进行预应力损失检测，检测发现结构无下挠，仅出现少许预应力损失以及少量结构性裂缝。

5.1.2 预防性养护经济性情况

本桥梁仅检测到少许的碳化现象，使得钢筋锈蚀更容易发生，没发现结构性损伤。预防性养护措施中可对桥梁结构中的主要受力构件或者易碳化部位进行涂层保护，该预养护措施施工方便，经济效益及社会效益均较好。

5.1.3 底层指标隶属度矩阵

根据本桥梁现场检测结果以及预防性养护经济性情况，按照上述定义的养护经济性分级和评估等级隶属函数，得出养护指标隶属度矩阵R1：

5.1.4 中间层指标模糊评判结果

本桥梁中间层预防性养护经济性模糊评判结果如下：

其中最大为0.8218，根据最大隶属度原则，本案例桥梁经济性评估等级为二级。

按照同样的计算理论和方法，可得出结构安全及耐久性评判结果。

5.1.5 最高层指标模糊评判结果及等级评估

对本桥梁最高层预防性养护综合模糊评判如下：

B=AR=

其中0.8002最大，即该桥梁预防性养护综合评估等级为二级[9]。

5.2 不同方法评定结果比较

根据《公路桥梁技术状况评定标准》[10]对本桥上部结构、下部结构及桥面系三项主体部件进行技术评定，评定技术得分分别为：82.5，85，100；总体得分87分，等级2类。

将其与本文改进的不确定型层次分析模型计算的结果进行对比可知，两种方法对桥梁预养护技术状况综合评定结果最终均为2类，说明本文采用的桥梁预防性养护综合评价体系具有合理性。此体系可为桥梁预防性养护工作提供准确实用的指导。

[1]肖盛燮，王平义，吕恩琳．模糊数学在土木与水利工程中的应用[M]．北京：人民交通出版社，2004．

[2]王永平，张宝银，张树仁．桥梁使用性能模糊评估专家系统[J]．中国公路学报，1996，9(2)：62-67．

[3]Z P Bazant．Physical Model for Steel Corrosion in Concrete Sea Structures-theory [J]．Journal of Structures Division，1979，105(6)：1155-1166．

[4]张劲泉，宿建，程寿山，等．混凝土旧桥材质状况与耐久性检测评定指南及工程实例[M].北京：人民交通出版社，2007．

[5]孙马，刘庆阳，向程龙.桥梁预防性养护综合评估指标体系研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版，2013，(S1)：899-902.

[6]邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012，24(7)：93-100．

[7]谢季坚，刘承平．模糊数学方法及其应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2000．

[8]李贞新，郭丰哲，钱永久.既有钢筋混凝土拱桥耐久性的模糊综合评估[J].西南交通大学学报，2006，41(3)：366-370．

[9]JTG H11-2004,公路桥涵养护规范[S]．

[10]JTG/T H21-2011，公路桥梁技术状况评定标准[S]．

Research on the Comprehensive Evaluation System of Preventive Maintenance to Bridges Based on the Improved Uncertainty AHP

HE Wei-nan

(Shaoxing Highway Administration Bureau，Shaoxing 312035，China)

Aiming at the problem of bridge preventive maintenance evaluation, the analytic hierarchy model is put forward with the aid of mathematical tools. The model with conservation economic and structural safety and durability as the goal, the to produce effect of major factors layer decomposition for on-site detection or mathematical statistics analysis of qualitative and quantitative indicators, based on the improved uncertain hierarchical analysis method determine the weight of the main factors, by fuzzy evaluation method to establish classification subjection degree function, built a bridge prevention maintenance comprehensive evaluation system. Examples show that the method has good accuracy and practicability.

bridge; preventive maintenance; improved fuzzy analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation

2016-08-01

何伟南(1977-)，男，浙江武义人，高级工程师，E-mail：hwnhero@163.com。

U445.7

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.03.002

1671-234X(2016)03-0006-05

浙江交通职业技术学院学报，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016