斜拉桥状态评估的指标体系

2022-02-10王明俊饶瑞陈婉其

智能建筑与智慧城市 2022年1期

王明俊，饶瑞，陈婉其

（1.广州市中心区交通项目管理中心；2.广州大学风工程与工程振动中心）

1 引言

我国城镇化进程不断加快，桥梁结构承受的车辆荷载日益增大，而桥梁结构性能却随着材料老化、外部环境变化等因素逐渐降低，故对桥梁进行科学、准确的安全评估非常重要。在信息融合方面，曾丽[1]提出基于节点信誉度的传感器数据融合方法，解决传统数据融合精度不高、安全性不高的问题。在融合模型方面，人们基于深度学习建立了多种神经网络模型，从而对桥梁状态进行评估[2-3]。

本文从层次分析法入手，以多源信息技术收集到的大量数据为基础，构建分析模型，进而对桥梁健康状态进行评估。本文针对大跨径斜拉桥结构复杂、影响因素众多的特点，融合多源信息，构建状态评估指标体系，从指标选取、评分和权重计算三方面展开讨论，提出建议，为层次分析法在斜拉桥状态评估中的推广应用提供参考。

2 评估指标体系

2.1 指标选取

根据层次分析法的思想和桥梁结构各部件、构件之间的关系，将大跨径斜拉桥状态评估的指标体系分为四层：结构层、部件层、构件层及局部层（见图1）。

图1 斜拉桥指标体系

第一层为斜拉桥的结构层。该层指标只有桥梁综合评估指数，表征斜拉桥桥梁最终的评估结果。

第二层为部件层。对大跨径斜拉桥而言，其索塔、斜拉索体系对结构而言至关重要。而桥面系的承载能力对桥梁无直接影响，可归为附属设施。为充分考虑斜拉桥特殊部件的重要性，同时减轻不重要的非承重构件比重，第二层指标划分为主梁、索塔、斜拉索、下部结构、附属设施。

第三层则为构件层。该层指标隶属于第二层指标。例如，隶属于主梁的有外观检查、主梁应力、主梁挠度等；隶属于索塔的有索塔外观检查、索塔偏位等；隶属于斜拉索的有斜拉索外观检查及索力等。

第四层为局部层。该层指标为第三层指标对应《城市桥梁检测与评定技术规范》[4]所描述的各种病害或一组序列指标里面具体某个测点的值。该层指标的选取无硬性规定，可根据桥梁的实际情况选取。

2.2 指标分类及评定标准

①定性指标，如混凝土破损、索塔偏位、排水情况等，这类指标没有具体的数值。为此，需先建立等级与评分的对应关系。假设两者呈线性关系，以索塔偏位这一指标为例，规范对索塔偏位的描述从好到坏分为1～5个标度。设定标度1对应100分，标度5对应40分，中间标度通过线性内插获得。

②定量指标，如裂缝宽度、混凝土碳化深度等，这类指标有具体的数值。该指标需要消除单位、数量级不同属性的影响，确定各等级对应的分数范围，明确各分值与等级类的一一对应关系，在每个等级内，分数按指标的具体数值进行内插。

③序列指标[5]，如主梁挠度、斜拉索索力等，这类指标是一组有具体数值的序列。由于该类指标各个测点值是变化的，借用灰色关联分析理论进行计算，用非均匀变化系数表示曲线之间的相似程度，考虑变权得到序列数据的均匀变化得分值。

2.3 指标权重计算

建立指标体系之后，需计算各指标的权重。指标权重反映了部件对整体桥梁结构的重要性，在工程上常用标度法结合特征向量法计算指标权重[6-7]。标度是量化定性判断的一种尺度，利用标度可以将主观的判断量化，其中常用的标度法有1～9标度法、指数标度法等。现分别基于1～9标度法、指数标度法以下部结构的子构件层的权重计算为例，结果如表1。

表1 标度法对比

随机一致性比值C.R（Consistent Ratia）能够反映构造矩阵的逻辑一致性，C.R越小，则矩阵的一致性就越好。可得，1～9标度法和指数标度法的逻辑性都符合要求，但前者的随机一致性比值C.R低，表明前者的随机一致性优于后者。因而本文推荐选取1～9标度法作为权重计算的方法。

3 实例分析

3.1 工程概况

对洛溪大桥拓宽工程进行实例分析，本桥布置有温湿度仪、静应变计、索力加速度计、挠度传感器、GNSS五种传感器，用于监测环境温湿度、结构静应变、斜拉索索力、主梁挠度、结构空间变形。后续桥梁状态评估基于传感器收集到的数据进行分析。

3.2 评估过程

3.2.1 主梁评估

从主梁应力、主梁挠度及外观检查三个指标对主梁进行评估。对新建桥梁，其外观检查取100分。主梁应力、主梁挠度按序列指标进行评估，采取均匀变化得分乘以非均匀变化系数的方法对单个测点进行评分，由变权综合原理对不同的测点进行权重分配。表2为对左右幅桥Z3主要梁段应力及对左右幅桥主梁内外测点挠度的评分值。

表2 主梁应力、挠度评估

续表

对主梁挠度取外侧点评分进行后续的主梁评估。经1～9标度法计算得到主梁应力、主梁挠度及外观检查权重分别为0.28、0.26、0.46，根据上述评分得到主梁最终评分为97.05。

3.2.2 索塔评估

索塔评估主要看外观检查和索塔偏位两个指标评分。索塔偏位为定性指标，为了消除主观误差，本文对索塔的评定结合《公路桥梁技术状况评定标准》和专家意见扣分值。

对洛溪大桥4#塔塔顶在一年内的位移监测数据进行分析，索塔偏位定性描述为无倾斜变形，评定标度为1，但其实际位移有偏差，故需进行扣分，所以索塔偏位评分为95分。索塔偏位和外观检查的权重分别为0.6、0.4，索塔最终评分为97分。

3.2.3 斜拉索评估

对斜拉索进行评估从外观检查和索力两个指标评分。其外观检查主要检查斜拉索、锚具、拉索护套和减震装置等。索力按序列指标评估进行评定，经计算左右幅的均匀变化得分分别为98.17、98.42，其非均匀变化系数分别为0.985、0.984，综合考虑左右幅索力得到评分值为96.77。索力和外观检查按权重0.5、0.5分配，得到斜拉索的最终评分为98.38。

3.2.4 下部结构评估

下部结构从基础、桥墩、桥台、支座四个指标进行评估，这四个指标均为定性指标。对于本桥评估，新建桥梁默认无相应的病害影响，故基础、桥墩、桥台、支座可均取100分。但本桥桥墩处设置的四个沉降观测点收集到的数据显示桥墩出现一定的沉降，综合考虑桥墩评分取95分。根据上述章节1～9标度法的下部结构的构件权重，结合各构件评分得到下部结构最终的评分为98.85分。

3.2.5 综合评估

基于本文所讨论方法对该桥进行综合评估。结果如下表所示。对新建桥梁，附属设施设备完好，评分为100分。根据讨论得到部件层指标的评分，分配权重之后得到桥梁综合评估值，如表3所示。