高速公路宽幅空心板梁桥承载能力的检算系数评定法研究

林 珈， 田莉梅

(1.北京交通职业技术学院, 北京 102200; 2.廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000)

高速公路宽幅空心板梁桥承载能力的检算系数评定法研究

林 珈1， 田莉梅2

(1.北京交通职业技术学院, 北京 102200; 2.廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000)

目前我国桥梁因设计荷载等级低、病害、损伤等问题越来越不能适应日益发展的交通运输。根据我国现有桥梁状况、技术水平，采用模糊综合评判方法，对高速公路宽幅空心板桥梁承载力检算系数评定法进行了研究。将模糊数学综合评判理论运用到高速公路宽幅空心板桥承载能力的检算系数的评价上，提出空心板桥技术状况的模糊综合评判方法。以辽宁某高速公路宽幅空心板桥为为例，采用层次分析法和模糊数学原理，宽幅空心板桥承载能力的检算系数为0.514，通过模糊综合评判法，客观、科学、合理对桥梁技术状况进行了评价，以前主观判断、进行简单加权平均的缺陷得以克服。

承载能力； 检算系数； 评定法； 宽幅空心板梁桥

1 概述

我国交通运输随着经济的快速发展，发展趋向大流量、高速、重载的现代运输结构，在整个运输体系中，公路运输占有的比例日益增大[1-3]。桥梁被比作公路的咽喉，其对公路的重要性显而易见，桥梁使用质量、结构性能对公路尤为重要[4]。1982年公路普查资料显示，我国公路桥梁中有3.54 %的危桥，这些桥梁大多为承载能力不足。国道干线每年花费在换梁、加固、日常维修等方面的费用非常高[5,6]。

目前，我国桥梁因设计荷载等级低、病害、损伤等问题越来越不能适应日益发展的交通运输[7-9]。研究桥梁承载力检算系数，对桥梁实际承载力进行快速准确评估非常有必要，在安全的前提下，尽量对桥梁结构潜力进行挖掘，将现有桥梁使用价值发挥到极大，避免对桥梁进行修理和替换，从而节约费用，并将桥梁使用寿命延长[10]。通过运用快速桥梁承载力检算系数，可将评估周期缩短，进而使评估效率得到提高，技术、经济意义明显，可取得良好社会效益[11-15]。根据我国现有桥梁状况、技术水平，本文采用模糊综合评判方法，对高速公路宽幅空心板桥梁承载力检算系数评定法进行了研究。

2 宽幅空心板桥梁存在的问题

在近些年，宽幅空心板梁桥使用比较广泛，国内对于高速公路宽幅空心板桥梁研究不多，因此开展相关承载力检算系数评定的研究十分有必要。图1为宽幅空心板截面示意图，预应力宽幅空心板梁在高速公路的应用中，其板宽一般为1.5 m，横向间距较大、单片梁的受力也较大，对空心板壁厚的削减有些过度，混凝土空心板梁跨径30 m 的则更加明显，其腹板厚度、底板厚度、顶板厚度均为1.02 m，梁的高度为1.30 m。因板梁结构截面有太大的挖空率、较小的梁高，因此造成主梁刚度较小，在活载作用下，梁体变形较大，冲击作用明显。

在使用过程中，宽幅空心板梁被发现有较多许多病害产生，例如因单片梁受力较大，会引起板梁间铰缝失效提前，桥面铺装产生的纵向裂缝比较严重；较薄的腹板和顶底板造成梁体有纵向裂缝产生；因腹板较薄，厚度不足的抗剪钢筋导致腹板易产生斜裂缝，影响到梁体的抗剪承载能力；使用扁锚体系使得局部承压抗裂难以满足。

图1 宽幅空心板截面示意图(单位： cm)Figure 1 The schematic diagram of wide hollow slab section (unit: cm)

3 常规桥梁承载力评定检算系数评定方法

我国现行规范的极限状态方程中，在进行结构荷载效应、抗力效应的修正时，使用桥梁承载力检算系数Z1。Z1表示构件抗力折减或提高，按构件技术或结构技术状况，Z1取定评定值D。桥梁结构构件的技术检测指标主要有4个，分别为固有模态参数0.3、构件外观质量0.4、固有模态参数0.3、构件混凝土强度0.3。D值采用公式(1)进行计算。

D=∑αjDj

(1)

4 检算系数快速计算方法

本文基于模糊数学原理采用层次分析法，建立高速公路宽幅空心板桥梁承载力检算系数快速计算方法。

4.1 原有的检算系数评定方法

《公路旧桥承载能力鉴定方法》规定承载能力检算采用公式(2)计算：

(2)

式中:Z1为承载能力检算系数，Z1值的大小依据桥梁实际技术状况进行确定，表1为拱桥检算系数取值。

表1 拱桥检算系数取值Table1 ThecalculationcoefficientofarchbridgeZ1拱桥工况11～12桥梁设计值和拱轴线吻合；墩台未发生位移；拱圈未风化、开裂、剥蚀、等；裂缝轻微或无裂缝10～12较少的桥梁拱轴线偏移；墩台变位未明显发生；拱圈有轻微风化和开裂出现；裂缝宽度达到要求09～10较大的桥梁拱轴线偏移；较小的墩台位移；较严重的主拱圈风化；裂缝宽度大于规定值小于09桥梁墩台变位明显，拱脚转角变位明显；主拱圈风化严重；拱圈各部位松散

《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21 — 2011)定量化应用检测结果，对桥梁承载能力进行客观评估，对圬工拱桥采用公式(3)进行规定：

(3)

在进行检测评定时，承载能力检算系数Z1，对桥梁构件的自振的频率、外观、材质的强度、缺损、结构等进行了综合考虑，表2为圬工及配筋混凝土桥梁的承载能力检算系数。

通过规范计算检算系数存在一定的不足，《公路旧桥承载能力鉴定方法》对检算系数评定标准比较笼统，检算系数Z1值是专家根据经验确定的，存在较大的主观人为因素。一定量的详细检测数据在《公路桥梁承载能力检测评定规程》中是必须要有的，对于公路国道、省道中数量较多的桥梁，进行每座桥梁详细检测，不太容易实现。

表2 桥梁承载能力检算系数Table2 Thecalculatingcoefficientofbearingcapacityofbridge评定标度D轴心受压偏心受压1118115211310831041014086083

4.2 修正的检算系数流程图

根据规程建立层次分析结构，增减和修正影响检算系数的各因素指标及权值，图2为承载力评定系数各指标修正流程图，该流程图由3部分组成，分别为确定层次分析底层指标、指标权重修正、桥梁承载力评定检算系数。

图2 承载力评定系数各指标修正流程图Figure 2 The flow chart of the index evaluation coefficient of bearing capacity

4.3 增减指标及修正权重

本研究依据模糊评判原理，对模糊综合检算系数Z1进行取值。在评价Z1系数取值时，涉及较多桥梁构件的评价，本研究对权重较大构件、主要受力构件作为重点，对最重要的4 个影响因素进行选取，对各构件的质量状况进行综合考虑，专业人员打分，各构件一级综合评判不再独立进行，图3为评判因素层次模型图。

图3 因素层次模型图Figure 3 The factor hierarchy model

桥梁检算系数用A表示，桥台位移情况用B1表示，主拱圈病害情况用B2表示，拱轴线偏离情况用B3表示，C1表示裂缝，C2表示砌块断裂，C3表示钢筋锈蚀，C4表示混凝土松散脱落。根据图3中的因素层次关系，对因素集进行划分，见式(4)和式(5)：

(4)

(5)

4.4 建立空心板桥梁承载力检算评估集

以《公路桥梁承载能力检测评定规程》评定标度D的评定标准为依据，根据多座实桥加固状况，采用4个评定标度对Z1检算系数进行评定，表3为空心板桥梁检算系数评定标度及分值。

表3 空心板桥梁检算系数评定标度及分值Table3 Thehollowslabbridgecheckcoefficientevaluationscaleandscore评定标度技术状况评定分值1好1142较好1093较差0994危险079

根据《公路桥梁技术状况评定标准》细化的检算系数评定标准，建立各影响因素的评定标准。根据主拱圈病害、桥台位移、拱轴线变形的实际情况，划分了4个等级，评定分值见公式(6)：

(6)

4.5 层次分析法影响因素的权重系数

针对各影响因素，结合实际加固实例，依据专业人员的意见，在层次分析法中，对各影响因素判断矩阵进行组建，表4为检算系数各影响因素判断矩阵，表5为主拱圈病害各影响因素判断矩阵。

表4 检算系数各影响因素判断矩阵Table4 ThecalculationcoefficientofeachinfluencingfactorjudgmentmatrixAB1B2B3B1112B2112B305051

表5 主拱圈病害各影响因素判断矩阵Table5B2C1C2C3C4C11351C21/3131/3C3021/3102C41351

(7)

在主拱圈病害中，裂缝宽度、砌块断裂、钢筋锈蚀、混凝土松散脱落影响因素的权向量计算见公式(8)：

(8)

通过判断矩阵的一致性检验可得到公式(9)：

CR2=CR31=CR32=0

(9)

4.6 空心板桥梁承载力检算系数二级模糊综合评估

整个评估结构通过层次分析法可分为3层，在建立检算系数快速计算方法时，采用一级模糊法，进行主拱圈裂缝宽度(C1)、砌块断裂(C2)、钢筋锈蚀(C3)、混凝土松散脱落(C4)病害的综合评估；根据主拱圈一级模糊评估结果，采用二级模糊法，对桥台位移(B1)、主拱圈病害(B2)、拱轴线变形(B3)进行检算系数的综合评估。

4.6.1 一级模糊综合评估

(10)

公式中rij表示第i个影响因素，对第j个评定标度的隶属度，本研究使用F分布中降半梯形法，确定隶属度函数，Vj级隶属度函数用公式(11)表示：

(11)

Vj+1级隶属度函数用公式(12)表示：

(12)

进行模糊矩阵、权向量相乘，得到模糊综合评价结果BC，见公式(13)：

(13)

公式中的模糊合成算子用●表示，表6为常用的模糊合成算子及其特点。

表6 模糊合成算子Table6 Thefuzzysyntheticoperator算子特点模糊合成算子M1M2M3M4体现权数作用不突出突出不突出突出综合程度低低高高利用R信息不全面不全面较全面全面类型主因素明显主因素明显加权平均加权平均

通过分析，获得M4按权数大小对各因素的统筹兼顾，空心板桥梁承载力检算系数快速计算方法采用M4模糊合成算子，见公式(14)：

k=1,2,3,4

(14)

4.6.2 综合评估二级模糊

通过一级模糊的综合评估，可获得的BC，通过组成产生模糊关系矩阵RB2，结合隶属度函数RB1、RB3，综合对检算系数二级模糊进行评估，见公式(15)：

(15)

根据M4模糊合成算子，获得二级模糊综合评价的结果，见公式(16)：

BA=WA●RA

(16)

根据加权平均原则，综合对模糊综合评估向量进行评价，见公式(17)：

(17)

通过计算得到M值，即得到空心板桥梁承载力检算系数A的值。

5 应用实例

本文以辽宁某高速公路宽幅空心板桥检测所得资料为依据，桥梁全长65 m，主梁高1.4 m，主梁间距1.7 m，桥面净宽7.5 m。采用模糊二级评判方法，对该宽幅空心板桥承载能力的检算系数进行评定，表7为该桥承载能力检算系数。

表7 桥梁承载能力检算系数Table7 Thecalculatingcoefficientofbearingcapacity检测指标评定标度值Ei权重αi裂缝宽度06(较差的状态)045砌块断裂04(危险的状态)018钢筋锈蚀04(危险的状态)025混凝土松散脱落06(较差的状态)012计算得综合状况评定值=06×045+04×018+04×025+06×012=0514

从表7可以看出: 采用层次分析法和模糊数学原理，宽幅空心板桥承载能力的检算系数为0.514，通过模糊综合评判法，客观、科学、合理对桥梁技术状况进行了评价，以前主观判断、进行简单加权平均的缺陷得以克服。

6 结论

根据我国现有桥梁状况、技术水平，本文采用模糊综合评判方法，对高速公路宽幅空心板桥梁承载力检算系数评定法进行了研究。将模糊数学综合评判理论运用到高速公路宽幅空心板桥承载能力的检算系数的评价上，提出空心板桥技术状况的模糊综合评判方法。以辽宁某高速公路宽幅空心板桥为为例，采用层次分析法和模糊数学原理，宽幅空心板桥承载能力的检算系数为0.514，通过模糊综合评判法，客观、科学、合理对桥梁技术状况进行了评价，以前主观判断、进行简单加权平均的缺陷得以克服。

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The Bearing Capacity of Highway of Wide Hollow Slab Beam Bridge Calculation of Coefficient Evaluation Method

LIN Jia1， TIAN Limei2

(1.Beijing Jiaotong Vocational Technical College, Beijing 102200, China; 2.Langfang Teachers University，Langfang, Hebei 065000, China)

At present, our country can not adapt to the increasingly development of transportation due to the low design load level, disease, damage and other problems.According to the existing bridge status in our country, the level of technology, this paper uses fuzzy comprehensive evaluation method of highway wide hollow slab bridge to calculate bearing capacity coefficient evaluation method is studied. The fuzzy mathematics comprehensive evaluation theory to evaluate the carrying capacity of the expressway wide hollow slab bridge calculation coefficient, fuzzy comprehensive evaluation method of hollow slab bridge technical condition. On a highway in Liaoning wide hollow slab bridge for example, by using AHP and fuzzy mathematics principle, wide hollow slab bearing capacity calculation coefficient is 0.514, by using fuzzy comprehensive evaluation method, objective, scientific and reasonable for the bridge technical condition is evaluated before the subjective judgment, to overcome defects of simple weighted average.

bearing capacity; check coefficient; evaluation method; wide hollow plate girder bridge

2016 — 10 — 19

林 珈(1975-)，女，河北隆化人，硕士，讲师，研究方向：路桥工程技术。

U 448.21+2

A

1674 — 0610(2016)06 — 0159 — 05