基于性能状态的既有桥梁技术状况评定

刘静,丁剑,宋瑞瑞,赫中营*

(1 河南省收费还贷高速公路管理中心,河南 郑州 450046;2 河南大学土木建筑学院,河南 开封 475004)

由于钢筋混凝土材料自然老化、结构施工时人为的一些不利因素、自然环境等因素的影响,桥梁会产生各种病害[1],从而导致桥梁耐久性降低、使用性能变差,甚至承载力不足。我国的桥梁设计使用年限为100年,2010年统计结果显示,62万座桥梁中危桥数量占比约14%[2]。目前,我国主要通过养护、评定规范[3-6]评定桥梁的技术状况,但这些规范在实际应用中评定结果存在很大误差,造成加固措施偏保守、费用较高等不足。因此,学者们研究和修订了这些方法,并取得了一定的成果,申强等[7]通过对《我国桥梁技术状况评价规范》[6](简称规范)的研究,总结了编订现行规范时理论基础和桥梁技术状况评定的原则,并对所有现行规范评分结果进行分析后提出了其中的不足之处;高志波[8]对规范[6]中评分计算方法的研究发现,不同计算顺序对计算结果有一定的影响,并提出了一种新的计算方法;周方[9]结合规范[6]和《美国桥梁技术状况评价规范》[10],运用数学分析方法对规范中的扣分值进行了改进;包龙生等[11]为了降低当前规范[3-6]在对桥梁进行技术状况评定时检测人的主观因素对桥梁技术状况的影响,提出应同时考虑自然环境、人为因素、桥梁自身状况的综合聚类系数法;YANEV B[12]采用《美国桥梁技术状况评价规范》[10]对纽约市某桥梁技术状况进行评定,并分析其病害原因;KANG J T等[13]针对目前桥梁技术状况评定时的误差问题,提出了利用灰色理论进行桥梁技术状况评定的方法,结果表明此方法可行;KIEN D等[14]通过分析发现规范[6]进行桥梁技术状况评定时不仅存在误差且费时费力,由此提出用探地雷达(GPR)进行混凝土桥梁的技术状况检测;YANG Y X[15]提出运用区间扩展理论对桥梁技术状况进行评价,并根据工程实例验证了结果的可靠性;王宗林、高庆飞[16]针对规范[6]中扣分值偏大提出了新的扣分值思路,通过工程实例和规范中计算方法验证了新方法的合理性;ZHANG Q Y[17]在分析国内外桥梁技术状况评定方法后,指出目前我国桥梁技术状况评定中的不足;郝天之[18]把桥梁技术状况评定与云重心理论相结合,分析结果表明其评测结果与规范[6]大致相同;HUANG S Q[19]阐述了桥梁评价模型建立的方案,并提出了如何用互联网技术进行桥梁技术状况评价。

目前,国内外对桥梁技术状况评定的研究方向是对现行规范进行修订,其方法是与现代先进技术相结合,主要有调整扣分值、规定病害计算顺序、应用数学模型和与互联网技术相结合4种方法。与现行规范[3-6]相比,上述方法对桥梁技术状况的评定具有一定的改进作用,但也存在以下明显的问题:一是不同技术人员使用调整扣分值法或规定病害计算顺序法对同一桥梁技术状况的评定结果不同,仍具有很大的主观性;二是应用数学模型法理论上可以更高效、快速进行桥梁技术状况的评定,但其应用比较复杂,且缺乏定量依据。因此,本文提出以下方法对桥梁技术状况进行评定,该方法先参考桥梁设计规范、现行评定标准,综合考虑正常使用状态和承载能力状态,将不同病害归结为这二种状态的影响因素,并确定病害的等级和扣分值,再运用层次分析法[20]确定评价体系各层次分项的权重及评价算法,得到可靠的桥梁整体技术状况评定等级,并通过算例验证本文方法的正确性和可靠性。

1 二种状态下桥梁病害等级划分

桥梁病害分为2种,一种是对桥梁正常使用性能有影响的病害,该种病害对桥梁的结构和使用能力的影响都较小,另一种是对桥梁结构的承载能力有影响的病害,该种病害的出现会直接影响桥梁结构的承载能力,对桥梁的使用产生较大的影响。目前,我国技术状况评定方法对桥梁病害的划分,没有直接考虑正常使用和承载能力的因素,对同一病害的不同程度赋予相同的权值,这种方法对桥梁整体状态的评定结果比实际情况将有很大的削减。性能状态法是根据不同病害程度对桥梁各组成构件的影响不同进行病害的权值划分。以桥梁结构中的裂缝为例,非结构性裂缝[21]仅对桥梁结构的正常使用产生影响,比较严重时才需要对其进行修补处理,而结构性裂缝[21]一旦出现即对桥梁的承载能力产生影响,此时需要维修加固。因此,裂缝病害对桥梁结构状态的影响应根据裂缝类型进行确定,即赋予不同的权值。

本文基于病害对桥梁技术状况的危害程度,并参考现有规范[6]确定的桥梁病害等级标度,对桥梁病害按影响正常使用和承载能力二种状态重新归类。规范[6]中按病害对桥梁功能的影响程度,将其最高标度分为三级、四级、五级3类,本文性能状态方法将三级、四级归为影响正常使用的病害;最高标度为五级的病害(锈蚀、裂缝、构件弯曲等)并不是刚出现就会对桥梁的技术等级产生较大的影响,而是随着病害程度的不断加深(即病害的标度逐渐升高)对桥梁性能影响越来越严重,所以本文性能状态法把这些病害分为以下2个等级:当病害标度被评定为1、2时,称为病害的一级状态,记为病害1(如裂缝1);当病害标度被评定为3、4、5时,称为该病害的二级状态,记为病害2(如裂缝2),并将一级状态归入影响桥梁正常使用的病害范畴,二级状态归入影响桥梁承载能力的病害范畴;另外,考虑到性能状态法的可行性,裂缝1、裂缝2根据裂缝宽度进行划分,不再考虑裂缝性质(结构性裂缝或非结构性裂缝)。

基于桥梁构件组成及其最高标度,结合桥梁正常使用和承载能力桥梁病害的最终分类如图1所示,其中,表层病害1指混凝土碳化、剥落掉角、空(孔)洞、蜂窝麻面等;表层病害2指混凝土碳化、剥落掉角、空(孔)洞、蜂窝麻面、钢筋锈蚀、冲刷掏空等;一级病害1指磨损1、裂缝1、混凝土碳化1、结构变位1、跨中挠曲1;一级病害2指钢筋锈蚀1、裂缝1、变形1(位移、沉降、滑移倾斜)。

图1 桥梁病害分类

2 考虑二种状态桥梁技术状况的评定

现有规范对桥梁技术状况评定时存在构件计算顺序的影响和扣分值偏大二大弊端,因此,本文根据层次分析法把评价体系分为5个层次(目标层Ⅰ,中间层Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,指标层Ⅴ)。

各层次元素分类见表1,表1中括号内数字为各部件权重,其表1中对桥梁病害都以对桥梁正常使用的影响和对桥梁承载能力的影响进行划分,把相似标度病害划分为一类,从而有效解决规范中计算顺序对技术状况评定的影响,因为在进行Ⅳ、Ⅴ层病害计算时对构件的每一类病害进行分别的计算,可避免同一构件2种病害计算顺序无法确定的难题,而且比当前桥梁技术状况评定方法对层次的划分更加详细,可较好解决现行规范中扣分值偏大的问题。

表1 桥梁技术状况评定层次

为了使本文方法更加严谨、准确,表1中Ⅲ、Ⅳ层权重(表中相应层次括号内数字)按现有规范中的规定计算,Ⅱ层采用本文新的权重值。新的权重值计算步骤如下。

2.1 构造判断矩阵

首先,明确专家对桥梁技术状况评定时权重的赋值标准,基于本文的2种评定方式得到的判断矩阵为,其中,A为对正常使用和承载能力2个指标打分得到的判断矩阵,参照判断矩阵中元素的赋值标准[2]计算,例如,数字“2”为正常使用与承载能力在稍微重要与相同重要之间。

2.2 指标的权重计算

本文通过矩阵方根计算权重,计算过程如下:

(1)计算判断矩阵每一行的乘积Mi。

式(1)中Mi表示计算判断矩阵A每一行乘积,M1=A11×A12=2,M2=A21×A22=1/2。

(2)计算Mi的n次方根Wi。

式(2)中Wi表示计算式(1)中Mi的n次方根,对于二阶矩阵,n=2,故。

(3)将方根向量归一化。

式(3)中ωi表示计算权向量,ω1=W1/(W1+W)=0.67,ω2=W2/(W1+W2)=0.33。

由式(1)至式(3)计算结果进行桥梁技术状况评定时,正常使用和承载能力对应的权重分别为0.33、0.67(表1中相应层次括号内数字)。进行上述层次划分后根据现行规范中的评定方法进行计算,从D层到A层逐层计算后可得桥梁技术状况。

3 案例及分析

某高速公路桥梁于1994年秋开工修建,1995年年底竣工通车,桥梁采用混凝土梁、橡胶支座、钢筋混凝土柱式墩台,设计行车速度120 km/h,双向四车道。经检测,该桥存在病害情况如表2所示。

表2 某公路桥梁病害种类

表2中不同种类的最严重病害相应于规范[6]的标度见表3。为了验证性能状态法的准确性,分别对性能状态法及其层次划分计算结果、现行规范的计算方法及其层次划分计算结果、减轻扣分值法的计算结果进行对比分析,计算后得出新的病害扣分见表4。

表3 不同种类的最严重病害相应规范[6]的标度

表4 新病害扣分值表

采用以上3种方法进行公路桥梁技术状况计算时,得出的结果可能较为接近,无法直观显现其它方法(把同种构件中同种病害赋予相同的权值)与性能状态法(根据病害对桥梁各组成构件的影响进行病害的权值划分)的差别,为了更好显现性能状态法与另二种方法的差异性,本文选择用差值表示技术状况评分,计算步骤与按照现行规范的计算步骤相似,结果见表5。

表5 桥梁技术状况评定结果

由表5可知:

(1)采用现行规范方法计算扣分值最大,基于性能状态法计算扣分值最小,且性能状态法计算影响桥梁正常使用状态下的扣分值与影响桥梁承载能力下的扣分值差别较大。在实际中桥梁病害的位置较多,其中大多数是影响桥梁的正常使用,如果使用本文以外的另2种方法进行技术状况评定,会使扣分值偏大。

(2)3种方法得到的桥梁技术状况等级均为2类。

为了更准确地描述本文方法的合理性,依据以上方法和过程,对河南省某高速公路段上3座桥进行技术状况评定,技术状况评定结果见图2。

从图2可见:通过3种方法计算得到的桥梁技术状况等级相同,但现行规范法技术状况的评分小于另2种方法。说明性能状态法和减小扣分值法都克服了现行规范法扣分值偏大的问题。

图2 河南省某高速公路段上3座桥评定结果的比较

由表5、图2可知:性能状态法计算结果与其他2种方法相接近,且介于其他2种方法之间。说明性能状态法计算结果是可行的。另外,性能状态法与现行规范法具有一定的差异性,但无法很直观显现性能状态法对桥梁评定结果的精确性。

实际工程中影响桥梁承载能力的病害对桥梁性能状态的影响高于影响桥梁正常使用的病害,为了进一步验证本文方法对病害扣分值的敏感性,本文将表3中的上部结构承重构件(主梁)钢筋锈蚀病害等级由“2”调整为“3”,将上部结构一般构件(横隔板)裂缝病害等级由“3”调整为“4”,然后分别按性能状态法、现行规范法、减轻扣分值法进行桥梁技术状况计算,结果如图3所示。从图3可知:

图3 某高速公路桥梁修改病害等级后评定结果比较

(1)调整上部结构承重构件病害等级后,由规范法和减小扣分值法计算的桥梁技术状况评分结果变化不大,变化率分别为0.35%、0.28%,基于性能状态法计算的评定结果变化较大,变化率为3.20%;调整上部结构一般构件病害等级后,由规范算法和减小扣分值法计算的桥梁技术状况评分结果变化较大,变化率分别为10.58%、7.18%,性能状态法计算的评定结果变化较小,变化率为1.59%。这表明性能状态法对影响桥梁承载能力病害的敏感性较高,对影响桥梁正常使用病害的敏感性较低。

(2)现行规范法、减小扣分值法进行桥梁技术状况计算,当桥梁的病害标度小且多数出现在一般结构时,桥梁技术状况的评定结果误差大,而采用性能状态法可更准确评定出桥梁技术状况等级,从而为桥梁的后续养护提供更准确的理论支撑。

4 结论

本文考虑桥梁正常使用和承载能力两种状态对桥梁上部结构、下部结构、桥面系的构件组成及其病害进行分类,然后根据新的病害分类采用层次分析法对桥梁进行更细致的层次划分和病害权重赋值,得出以下结论:

(1)性能状态法克服了现行规范评定方法中扣分值和计算顺序使桥梁技术状况评定结果偏保守和误差较大的缺陷。

(2)对桥梁技术状况进行评定时,性能状态法对桥梁主要构件的病害敏感性更高,但对桥梁一般构件的病害敏感性较低。

3种方法对不同构件病害的敏感性不同,性能状态法可以更科学、严谨地计算分析桥梁的技术状况等级,从而为桥梁养护的决策提供更准确的参考依据。