基于监测数据的预应力混凝土梁施工质量评价

2022-09-15吴小平阮映辉陈岳飞刘志文张英杰

城市道桥与防洪 2022年8期

吴小平，阮映辉，陈岳飞，刘志文，张英杰

（1.浙江省公路与运输管理中心，浙江杭州 310009；2.浙江台州市沿海高速公路有限公司，浙江台州 318000；3.湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南长沙 410082；4.湖南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410082；5.长沙旭辉房地产开发有限公司，湖南长沙 410082）

0 引言

随着我国交通基础设施建设的持续推进，高速公路建设项目管理信息化要求日益提高。高速公路建设项目具有规模大、投资数额大、技术要求高、参建单位和人员多等特点，采用传统的工程项目管理方法无法及时更新动态信息，管理效率和质量均难以满足要求。因此，如何结合现代信息技术对工程质量和施工管理水平进行合理评价是高速公路建设管理面临的一个重要问题。

国内外许多学者针对基础设施建设的施工质量评价方法和体系开展了大量的研究工作。在高速公路施工质量评价方面，Zambrano等开展了路基压实施工质量监控研究，提出路基先进密实质量控制方法（advanced compaction technology,ACT），实现了路基压实过程中的自动监测控制技术[1]。卢晓红从评价指标体系构建、指标筛选方法、标准化方法和权重确定四个方面，对道路交通建设项目评价指标体系进行了深入分析与总结。最后以广西水任至南宁高速公路环境质量评价为例进行了实证分析[2]。杜鹏以公路建设项目目标评价指标和评价方法的构建为主，建立了模糊综合评价模型[3]。苏燕将层次分析方法与模糊评价方法相结合，建立了多层次模糊综合评价方法，对北京市莲花池项目进行了实例分析[4]。张颖红等将模糊可变评价模型应用于钢筋混凝土施工质量评价中，建立了钢筋混凝土施工质量模糊可变评价模型，采用模板工程、钢筋工程、混凝土工程的施工质量作为评价指标来评价钢筋混凝土施工质量。结果表明：模糊可变评价模型误判率低，识别正确率高[5]。张玮等采用模糊综合评价方法建立了公路施工质量评价体系，建立评价模型的评判集，并对云南某高速公路整体施工质量进行了评价[6]。郭月红等在模糊层次分析法基础上，提出“比例法”来代替隶属度函数法确定隶属度矩阵，并以实际工程为例进行验证。结果表明：比例法以实际检测结果为基础，构造的隶属度矩阵与桥梁施工质量真实情况较符，消除了隶属度函数法给评价结果带来的主观性影响[7]。仇志明将模糊数学、层次分析法与德尔菲专家法相结合建立了钢筋混凝土梁施工质量综合评价指标体系（Fuzzy Analytic Delphi，FAD），并结合塔韩铁路大罕台川特大桥钢筋混凝土梁进行分析，对该工程钢筋混凝土梁质量进行了评价，评价结果与现场实际情况吻合较好[8]。

重大水利水电基础设施施工质量控制关系大坝安全，常规质量控制手段由于人为干扰大，管理粗放，难以确保填筑碾压过程质量，因此，如何准确、合理评价大坝的施工质量也受到许多学者关注。马洪淇等针对常规人工控制手段难以确保高心墙堆石坝施工质量，以及高强度连续施工下高混凝土坝施工进度难以实时控制等问题，提出了大坝填筑碾压实时监测技术、坝料运输实时监控及施工质量动态信息PDA实时采集技术等，提出了网络环境下数字大坝系统集成技术[9]。钟登华等针对混凝土坝振捣施工质量评价问题，提出了基于双测距仪联合测距的混凝土振捣施工质量实时监控方法，建立了考虑混凝土特性参数不确定性的混凝土振捣质量动态评价模型[10]。

本文在综述国内外基础设施施工质量评价方法的基础上，依托浙江沿海高速公路台州段信息化平台监测数据，将层次分析法与模糊评价方法相结合，建立了预应力混凝土梁施工质量评价方法，并针对浙江沿海高速台州段主要标段混凝土梁施工质量进行评价。

1 信息化管理平台简介

为了提升施工管理水平、确保工程建设质量，根据浙江沿海高速公路台州段工程项目管理信息化的实际需求，建立了以物联网、移动终端、二维码等信息技术为特征的工程建设信息化综合管理平台。该信息化综合管理平台包括6大管理系统、9大监测系统，“6+9”管理模式让工程质量管理与控制从“事后监管”转向“事中监管”，从被动监测变为主动监管；各种数据的实时采集、分析汇总，可有效避免偷工减料与数据造假，并可有效提升管理效率与水平。

2 预应力混凝土梁施工质量评价体系

2.1 评价指标确定

预应力混凝土梁广泛应用于高速公路桥梁工程中，如何确保预应力混凝土梁的施工质量是高速公路项目建设管理的重要内容之一。预应力混凝土梁施工质量评价中涉及的主要影响因素为混凝土强度、钢筋强度、以及预应力张拉力和养护等条件，所涉及的影响因素相对较少，且各因素之间总体相互独立，为此可采用层次分析法（AHP）进行指标与权重的确定。根据预应力混凝土梁的特点，基于浙江沿海高速台州段信息化综合管理平台的监测数据，结合《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》（JTG F80/1—2017）的相关规定，结合专家咨询法（问卷调查）和层次分析法来确定预应力混凝土梁施工质量评价体系目标层、准则层和指标层，即预应力混凝土梁施工质量评价的三个一级指标为混凝土强度、钢筋强度、预应力张拉误差率，每个一级指标包含合格率、变异系数及平均值与目标值之比三个二级指标，表1为预应力混凝土梁施工质量评价指标。

表1 预应力混凝土梁施工质量评价指标

2.2 权重系数确定

各评价指标权重的确定对于评价方法具有重要影响，权重系数确定是否合理将直接影响评价结果的可靠性与有效性。

权重系数的确定方法大致有如下三大类：分别是主观赋权法、客观赋权法、以及主客观综合集成赋权法。主观赋权法主要依赖专家知识经验进行主观判断来确定指标权重，常用的方法有专家估测法、层次分析法、二项系数法与环比评分法。客观赋权法主要通过对样本数据分析来计算出权重，主要的方法有变异系数法、多元统计法、向量相似度法、灰色关联度法、熵值法、粗糙集法以及神经网络法等。主客观综合集成权重法将主观、客观权重确定的优势结合而成的一种权重确定法[11]。综合考虑，本文采用第一类方法主观赋权法中的专家估测法来确定各指标权重系数。在参考《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》（JTG F80/1—2017）的基础上，通过设计调查问卷的方式，采用专家咨询法确定准则层和指标层对应的指标，再结合专家咨询法和层次分析法确定指标权重。表2为根据专家估测法确定的预应力混凝土梁施工质量评价一级指标及二级指标权重系数。

表2 预应力混凝土梁施工质量评价指标权重系数

评价预应力混凝土梁施工质量的一级指标分别为混凝土强度、钢筋强度和预应力钢筋张拉误差率。样本数据绝大数都在合格以上，因此若仅以合格率来评价则不具有区分度，故综合考虑将各一级指标划分为合格率、变异系数及平均值与设计值的比值三个二级指标进行评价。考虑到大多数测量值基本符合正态分布特征，故采用正态分布方法来划分等级，基于Matlab软件编写了数据分析处理程序，对样本数据进行正态分布曲线拟合，并计算样本数据的均值、标准差、变异系数、合格率和超限概率值等。预应力混凝土梁混凝土强度、钢筋强度与预应力钢筋张拉三个一级指标对应的二级指标等级取值限值汇总分别见表3~表5。

表3 混凝土强度二级指标评价等级限制值汇总

表5 预应力钢筋张拉误差率二级评价指标等级限制值汇总

表4 钢筋强度二级指标评价等级限制值汇总

2.4 模糊综合评价

根据表3~表5确定的评价等级，对各评价等级进行分数赋值，以实现对预应力混凝土梁施工质量的最终量化评价。根据评价对象，按照确定的评价标准，建立评价集v=｛v1，v2，v3，v4，v5｝，其中v1，v2，v3，v4，v5分别对应各二级评价指标的评价等级中优、良、中、差和不合格，表6为各评价等级对应的分数表。

表6 各二级评价指标评价等级对应的分值表

3 工程实例

3.1 工程概况

依托浙江省沿海高速公路工程台州段进行预应力混凝土梁施工质量评价，浙江沿海高速公路台州段是国家“十二五”规划要求加快建设的国家高速公路网（“7918”网）的组成部分，是长三角区域规划中要求加快改扩建的甬台温高速公路的复线。浙江沿海高速台州段全线有TJ9、TJ10、PPP1、PPP2、TS09~TS17共13个施工标段。

3.2 TJ 9标段模糊综合评价

3.2.1 混凝土强度

浙江台州沿海高速公路信息化管理系统共对全线TJ9、TJ10、PPP1、PPP2、TS09-TS17共13个施工标段进行了监测，各标段生产的混凝土等级为C15-C55，每个标段采用的混凝土等级各不相同，且每种等级混凝土试块的数量也不尽相同。对于数量较多的情况，进行正态性检验，采用Matlab软件进行正态分布曲线的拟合，最后给出样本数据的均值、标准差、变异系数、合格率和超限概率值等；对于数量较少的情况，不具有正态性，但计算其均值、标准差、变异系数、合格率等。

以TJ9标段设计强度等级为C50的混凝土试块立方体强度数据为样本进行分析，该样本数据立方体抗压平均强度达到C50以上，即50 MPa为合格，同时为了避免造成浪费，规定其上限值不能高于设计强度的20%，即60 MPa，共有660个监测数据。为判断样本数据是否符合正态分布，首先采用Matlab软件中的Normplot函数对其进行检验，结果见图1（a）。由图1（a）中可知该样本数据符合正态分布。进而采用Matlab对其进行正态分布拟合，结果见图1（b）。根据拟合的正态分布曲线可知，样本均值为fc=57.3 MPa，标准差fcσ=1.87 MPa，变异系数CV=0.033，合格率为96.4%，超出最大限值（即60 MPa）的概率值为4.14%，在50～60 MPa之间的概率为92.23%，见图1（c）。根据该方法进而可求得各标段混凝土立方体抗压强度平均值、标准差及变异系数等，表7所示为TJ9标段不同等级混凝土立方体抗压强度对应的统计参数汇总。

图1 TJ 9标段C50混凝土立方体抗压强度正态分布检验与拟合

表7 TJ 9标段不同标号混凝土立方体28 d抗压强度统计参数汇总

3.2.2 钢筋屈服强度

全线各标段的钢筋直径为6.5～32 mm共12种规格，其中直径为6.5～10 mm钢筋采用HPB300，其屈服强度为300 MPa；直径为12～32 mm钢筋采用HRB400，其屈服强度为400 MPa。考虑到钢筋的屈服强度实验值与规定的屈服强度之比不大于1.3，即HPB300钢筋屈服强度的范围是300～390 MPa，HPB400钢筋屈服强度范围是400～520 MPa。钢筋屈服强度实测值符合正态分布的特性，用Matlab软件进行正态分布曲线的拟合，最后给出样本数据的合格率、均值、标准差和变异系数等。现取第TJ9标段φ28 mm钢筋屈服强度实验数据作为样本数据进一步加以说明。该样本数据的屈服强度要求满足400-520 MPa为合格，数据共有26个。图2为钢筋屈服强度正态分布检验与拟合曲线，由图2可知，钢筋屈服强度数据符合正态分布。TJ9标段φ28 mm钢筋屈服强度等级评价汇总见表8。由表8可知，TJ9标段φ28 mm钢筋屈服强度评价等级情况为：优秀占92.50%、良好占7.5%、中等、较差占和不合格均为0，按最大隶属度原则，评价结果为优。

表8 TJ 9标段φ28 mm钢筋屈服强度等级评价汇总

图2 TJ 9标段钢筋屈服强度正态分布检验与拟合

3.2.3 预应力钢筋张拉误差率

根据预应力钢筋施工技术标准，确定采用预应力钢筋张拉伸长量与理论伸长量的相对误差来评价预应力张拉施工质量，且规定误差率的合格范围不超过±6%。预应力钢筋张拉的误差率总体上满足正态分布的特点，用Matlab进行正态分布曲线的拟合，最后给出样本数据的合格率、均值、标准差和变异系数等。现取第TJ9标段的预应力钢筋张拉误差的数据作来分析，该样本数据共有2 716个，为判断样本数据是否符合正态分布的特性，首先采用Matlab软件中的Normplot函数对样本数据进行正态性检验，见图3。由图3可知，预应力钢筋张拉误差率符合正态分布，根据拟合的正态分布曲线，得到样本数据的均值为1.328 3%，标准差为3.585 3%，合格率为88.3%。TJ9标段预应力张拉等级评价汇总见表9。由表9可知，TJ9标段预应力张拉误差率评价等级情况为：优秀占0.0%、良好占70%、中等、较差占和不合格分别30%、0.0%和0.0%，按最大隶属度原则，评价结果为良好。

表9 TJ 9标段预应力钢筋张拉误差率等价评价汇总

图3 TJ 9标段预应力钢筋张拉误差率正态分布检验与拟合

3.2.4 施工质量综合评价

以TJ9标段为例进行预应力混凝土梁施工质量综合评价，各二级评价指标对应的等级隶属度见表10，表11为TJ9标段预应力混凝土梁施工质量综合评价结果汇总。由表11可知，TJ9标段的施工质量评价为：优秀占69.79%、良好占22.71%、中等占7.5%、较差占0%，不合格占0%，按最大隶属度原则，评价结果为优。