国内规范的在役混凝土梁桥性能评定方法探析

魏津昌

(厦门大学嘉庚学院土木工程系 福建漳州 363105)

0 引言

我国当前的桥梁性能评估规范有《公路桥涵养护规范》《公路桥梁技术状况评定标准》和《公路桥梁承载能力检测评定规程》等。《公路桥涵养护规范》[1]是针对各类桥梁评估和养护的的规范，在对混凝土梁桥的评估中存在部件权重固定，没有设置规范预定部件的桥梁总评分过高，没有直接将桥梁评估为五类桥梁的条件等问题。《公路桥梁技术状况评定标准》[2]是针对各类桥梁评估的标准，其基本上克服了《公路桥涵养护规范》在混凝土梁桥评估上的不足，能够比较合理地评估混凝土梁桥的服役性能，但是其评估过程偏重于桥梁的外观缺损。《公路桥梁承载能力检测评定规程》[3]涉及到桥梁静动载试验，虽然能比较好地评估桥梁的承载能力，但评估费用高且耗时长。综合来说，我国目前的3个主要规范是从缺损性和承载力角度评估桥梁性能而缺乏对桥梁适用性的探讨，其中对于承载力的评估花费较高。

本文参考美国AASHTO桥梁评估规范[4]，采用模糊数学、AHP法和隶属度函数从桥梁缺损性、承载力和通行能力等多个方面评估桥梁服役性能。研究成果可供桥梁管理部门参考，以更为完善、经济和快速地了解桥梁的服役情况。

1 单项指标评定体系

在役混凝土梁桥服役性能，可从耐久性、安全性和适用性3个方面来考虑，因此，可以引入缺损性指标、承载力指标和通行能力指标来定量描述在役混凝土梁桥服役性能。

1.1 桥梁缺损性评定

对在役混凝土梁桥进行缺损性评定，实际上是进行耐久性评定。本文结合《公路工程混凝土结构耐久性设计细则》[5]和桥梁各部件失效对桥梁整体性能的影响，将混凝土梁桥不可更换或难更换部件定义为关键部件；可更换部件中对桥梁整体性能影响较大的部件定义为次关键部件；可更换部件中对桥梁整体性能影响较小的部件定义为附属部件，部件分类如表1所示。

表1 混凝土梁桥部件分类表

根据表1的分类方法，桥梁的缺损性评分BDI应满足：

(1)

式(1)中：Ki为桥梁各部件组的权重，i=1,2,3分别表示关键部件组，次关键部件组和附属部件组。默认情况下将《公路桥梁技术状况评定标准》[2]中定义的混凝土梁桥各部件的权重按表1分别进行累加得到K1=0.63；K2=0.27；K3=0.10。Mi(i=1,2,3)为桥梁部件组的评分值，部件组中各部件的评分值为Cj。

(1)对于关键部件组，M1=minCj，j=1,2,3,4分别表示关键部件中的主梁、桥墩、桥台、基础；

桥梁缺损性评分是一个主客观结合的过程，要获得评分值，需根据病害情况参考表[2]对桥梁的各个部件评分：即根据病害先确定部件所在的状态等级，再依据病害严重程度评分。

1.2 桥梁承载能力评定

(1)模糊综合评判原理

设因素集Up={u1,u2,…,um}共有m个因素；备择集V={v1,v2,…,vn}共有n种评判结果；Ri={ri1,ri2,…,rim}为第i(i=1,2,…,m)个因素对备择集的隶属度，rij为第i个因素对于第j(i=1,2,…,n)个评判结果的隶属度，其中rij∈[0,1]，0表示完全不属于，1表示完全属于； 通过专家和隶属度函数[6]结合的办法确定。

在综合评判的过程中，因素集合Up上的模糊子集A={a1,a2,…,am}是考虑各因素对评判结果所起作用大小的度量，其中ai表示第i(i=1,2,…,m)个因素的权重，即单独考虑因素ui对评判结果所起作用大小的度量。

A的确定方法为AHP法：设因素i下层有q个子因素，用aiek表示因素i下层第e个子因素与第k个子因素相互比较后对因素i的影响程度，此影响程度用1至9共9个级别表示，如表2所示。

将按上面方法得到的q个因素之间的标度qiek，按组成方法Ai=(aiekq×q组成判断矩阵Ai，并求得其最大病害值及其对应的特征向量。将求得的特征向量归一化处理，且进行矩阵一致性检验[7]：

表2 层次分析法判断矩阵标度及其含义

(2)

式(2)中，λmax为判断矩阵的最大特征值；m为因素集因素个数，AHP法中2≤m≤9；RI为判断矩阵的一致性指标，按表3取值。若CR<0.10，则认为判断矩阵具备满意的一致性，权重分配是合理的。否则，要调整判断矩阵的权重直到满足CR<0.10的一致性要求。

表3 一致性指标取值表

在确定A和R后进行模糊综合评判过程为[7]：

(3)

(2)承载能力三级模糊评定

桥梁承载能力评定，实际上是桥梁安全性评定。混凝土梁桥典型病害，有桥面铺装病害、墩台病害和主梁(板)病害。在考虑混凝土梁桥整体(或某跨)承载力时，应重点考虑墩台承载力和主梁承载力。本文将桥梁承载力的三级模糊评判层次表达如图1所示。

图1 承载能力三级模糊评定层次图

其中，一级模糊综合评判中因素集u21={锈蚀电位、裂缝宽度、电阻率、混凝土强度、碳化深度和氯离子浓度}6个因素，u22={锈蚀电位、裂缝宽度、电阻率、混凝土强度、碳化深度、氯离子浓度和墩台变位}7个因素。二级模糊综合评判中，因素集U1={设计水平、施工质量和建材优劣}3个因素；U2={主梁承载力、墩台承载力和受载后结构变形}3个因素；U3={预防性维护、纠正性维护和意外损失}3个因素。三级模糊综合评判中，因素集U={建设期、运营期和维护期}3个因素。3个等级的模糊评判备择集V={很好、良好、一般、差和很差}5种评判结果。

(3)桥梁的承载力评分

承载力评分，用加权平均法考虑所有评判指标的贡献。为了突出重要性大的因素作用，对评判结果B的各因素B1,B2,…,Bn的平方值进行加权平均。SMi(i=1,2,,5)表示5个承载力等级的评分值中值：97.5，87.5，70，50，20[2]。桥梁承载力BBC为：

(4)

其中，当BDI∈[0,60)、需改变荷载等级的桥梁、遭受重大灾害的桥梁等情况下，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[3]进行荷载试验进而准确判断桥梁的承载能力。

1.3 桥梁通行能力评定

桥梁通行能力，实际上是桥梁适用性。交通流量和车辆载荷的不断增大，对桥梁提出了更高的要求，不仅要求桥梁安全、耐久，还要求行车畅通和舒适。因此，桥梁性能评定，还要考虑包括桥梁泄洪能力、行车稳定性、桥梁美观性等在内的桥梁通行能力。为了定量表示桥梁通行能力引入几个指标：

(1)桥梁宽度适应性BWA

(5)

式(5)中：Wb为桥梁宽度和道路宽度中的较小值，单位为m；wr为桥梁宽度和道路宽度中的较大值，单位为m。

(2)桥头跳车适应性JSC(适用于有限速的大跨径桥梁)

(6)

式(6)中：d为台背下沉值，单位为mm；v为车辆行驶速度，单位为km/h。

(3)桥梁高度适应性HSC(适用于大跨径桥梁)

(7)

式(7)中：h为桥下净高，H为规范要求的桥下净高，两者单位为m。

(4)桥梁长度适应性LSC(适用于大跨径桥梁)

(8)

式(8)中：l为桥实长，L为规范要求的桥长，两者单位为m。

(5)桥梁环境适应性BEA

桥梁环境适应性系数BEA,描述桥梁与桥址处自然、人文和社会环境的适应程度，通过专家打分表来确定，如表4所示。

表4 桥梁适应性专家打分表

注：表中“☆”表示专家的打分值。

(6)桥梁行车条件适应性BDC

BDC=K1×BWA+K2×JSC

(9)

式(9)中，K1和K2分别为BWA和JSC的权值，按AHP法确定。

(7)桥梁通过能力适应性BTC

BTC=K3×HSC+K4×LSC

(10)

式(10)中，K3和K4分别为HSC和LSC的权值，按AHP法确定。

(8)桥梁整体通行能力BAE用(6)、(7)、(5)加权平均得到

BAE=K5×BDC+K6×BTC+K7×BEA

(11)

式(11)中，K5、K6和K7分别为BDC、BTC和BEA的权值，按AHP法确定。

2 桥梁性能综合评定

为了整体上了解桥梁的服役性能，需要定义一个桥梁性能综合评分值TCI。TCI的计算，考虑对缺损性指标BDI、承载力指标BBC和通行能力指标BAE进行加权求和：

TCI=K8×BDI+K9×BBC+K10×BAE

(12)

式(12)中，K8、K9和K10分别为BDI、BBC和BAE的权值，按AHP法确定。

根据TCI值的大小，对应表5评分值范围确定桥梁总体性能状态。桥梁总体性能状态分为5级：1级为总体性能状态很好，进行日常养护；2级为总体性能状态良好，进行小修；3级为总体性能状态一般，酌情进行交通管制；4级为总体性能状态差，进行大修或改造并进行交通管制；5级为总体性能状态很差，进行改建或重建并关闭交通。

表5 桥梁性能综合评定参考表

3 算例

某混凝土梁桥病害如下，承载力影响因素检查结果如表6所示。

表6 现有承载能力影响因素检查结果

(1)主梁存在裂缝总共有116条，其中横向裂缝4条，其余均为纵向裂缝或斜向裂缝，裂缝长度为30cm～1200cm，宽度为0.03mm～0.2mm；混凝土剥落共出现15处，累计面积2875cm2；蜂窝麻面1处，面积225cm2。桥台和基础未见明显病害。

(2)盖梁混凝土剥落露筋3处，累计面积600cm2；2处裂缝，裂缝长度为30cm，宽度为0.07mm～0.2mm；2处渗水，病害范围12000cm2。桥墩墩柱混凝土剥落露筋3处，累计面积800cm2；裂缝11处，缝长为40mm～100cm，缝宽为0.2mm～1.3mm。

(3)桥面铺装1处板角断裂，2处混凝土剥落露筋，面积范围为1000cm2和23 100cm2。

(4)伸缩缝堵塞和橡胶条损坏达到22%，凹凸不平差1.1cm。

(5)排水设施和横向联系未发现明显病害。

(6)20个支座不密贴，占总数8%。

(7)栏杆大量腐蚀严重，总面积达到30%以上。

(8)人行道出现少量坑槽、孔洞、裂缝，总面积约10%。

(9)桥上标志轻微模糊。

(10)其他附属部件未发现明显病害。

3.1 桥梁缺损状况评定

桥梁部件评分如表7所示；桥梁部件组评分如表8所示。

表7 桥梁部件评分

表8 桥梁部件组评分

3.2 桥梁承载力评定

(1)一级模糊综合评定

使用AHP法，通过分析各因素影响桥梁承载力的相对重要程度并咨询有关专家，得到主梁承载力因素u21的判断矩阵A21、墩台承载力因素u22的判断矩阵A22如下：

A21存在唯一的最大特征值λmax=6.110，λmax对应的特征向量为WT=(0.408,0.229,0.098,0.057,0.110,0.098)进行一致性检验：

(13)

因此，主梁承载力影响因素的权重向量为：

评判备择集V={很好，良好，一般，差和很差}共有5种评判结果。通过隶属度函数得到主梁承载力因素u21的隶属度矩阵R21和墩台承载力因素u22的隶属度矩阵R22如下：

对6个主梁和7个桥墩承载力因素进行模糊评判：

(2)二级模糊综合评定

对建造期3因素、运营期3因素和维护期3因素模糊评判：

(3)三级模糊综合评定

模糊综合评定结果为：

计算桥梁承载力：

(14)

3.3 桥梁通行能力评定

桥梁宽度为23m，桥头两侧道路宽度为17m；台背下沉值为0mm，行车速度均值为30km/h；桥下净高为4m，规范要求桥高为4m；桥梁实际长度为209.5m，规范要求的桥长为209.5m。可以求得BWA=69.39;JSC=100;HSC=100;LSC=100,专家通过表4打分并取平均值得BEA=85。通过AHP法可得桥梁宽度适应性和桥头跳车适应性的判断矩阵为：

3.4 桥梁性能综合评定

通过AHP法构建桥梁缺损性、承载力和通行能力判断矩阵：

4 结语

本文从缺损性、承载力、通行能力和桥梁综合性能4个方面建立混凝土梁桥服役性能评定体系，并通过算例验证了体系的可行性。该体系对桥梁管理部门进行桥梁性能评定具有参考意义。