软土地区高速公路改扩建桥梁耐久性分析

2023-11-07卢涛马朝辉佘明星

运输经理世界 2023年21期

卢涛、马朝辉、佘明星

（保利长大工程有限公司，广东广州 510000）

0 引言

我国部分现有公路桥梁参照20 世纪70 年代或80年代初期的设计标准建造，受限于原设计标准，破损和老化也对其正常使用带来影响。国内旧桥改扩建的经验表明，改扩建拓宽工程将是我国未来桥梁建设的重点[1]。本文针对软土地区改扩建拓宽后混凝土桥梁的特点，以桥梁技术状态评定基本理论为依据，以层次分析法[2]为基础，建立适合类似工程背景的混凝土桥梁技术状态评定模型，为软土地区桥梁改扩建拓宽后的养护与耐久性评定[3]工作提供技术支持。

1 耐久性研究基本理论

1.1 层次分析法基本原理

层次分析法（AHP）是一种层次权重决策分析方法，根据因素间的相互关联与影响对底层方案进行权重分析与排序，从而为问题的决策提供依据。桥梁的技术状态评定工作作为一种复杂的多因素决策问题，将AHP 引入评价过程中，能够更加系统地分析桥梁技术状态的影响因素，实现评价过程的层次化和条理化。

1.2 主观赋权法——G1 法基本理论

尽管层次分析法在评价领域中被广泛采用，但该方法中判断矩阵的一致性检验是限制其应用的关键。序关系分析法（又称G1法），与AHP 法不同，G1法在计算过程中无须构建判断矩阵，从而避免一致性检验，保证指标间的一致性关系。

1.3 客观赋权法——熵值法

在实际综合评价中，为了获得精度和可信度更高的评价结果，采用多种评价方法相结合的组合评价方法来对决策问题进行分析：在主观赋权法（G1法）的基础上，引入有代表性的客观赋权法——熵值法（entropy method）。熵值法根据各项指标的变异程度分析该指标能够提供的信息量，从而确定指标的权重。

1.4 主客观集成组合评价方法

主观赋权法评价结果主观倾向性较严重；而客观赋权法以各项评价指标的数据为依据，评价结果受数据波动影响较大。因此，只有在评价模型中对两类方法进行组合，充分结合两者的优势，才能使评价更为科学合理。

2 软土地区拓宽后桥梁耐久性工程应用研究

2.1 工程概况

开阳高速公路采取双向四车道，设计速度120km/h，路基宽度28m。根据现场桥梁实际情况，选取水口高架桥左右幅现浇箱梁联（桩号K3157+866.3—K3157+956.2）进行检测分析。

拓宽方案为现浇箱梁上部结构拼接加宽利用，拼接宽度为11.5m（左幅）和7.5m（右幅）。跨径组合为左幅（14.365+2×25+25.539）m，右幅（26.331+2×25+13.573）m。上部结构采用预应力混凝土现浇箱梁，梁高与原桥一致，均取1.5m。下部结构采用柱式墩、肋板台，墩台均采用桩基础（见图1）。

图1 水口高架桥现浇箱梁拼宽平面布置图（单位：mm）

新建桥梁上部结构与原有上部结构通过后浇筑拼接段连接，新建下部结构与原有下部结构相互独立。扩建桥采用等梁高现浇箱梁，通过翼缘拼接。

2.2 旧桥技术状况评定分析

水口高架桥现浇箱梁联桥梁拓宽方式为上连下不连，先确定评价指标的重要性排序关系。

2.2.1 主观赋权法——G1法确立权重

旧桥桥梁技术状况评定模型包含四个指标：上部结构、下部结构、桥面系、附属设施。第二层评价指标的重要性序关系根据桥梁的受力特点及桥梁实际运营情况确定，得到如下排序：上部结构＞下部结构＞桥面系＞附属设施，记为：B1＞B2＞B3＞B4＞；评价指标的下属层按上述重要性排序关系确定，即第三层分别记为：C1、C2、C3、C4、C5。

在上部结构下层，即C1层包含2 个指标，确定的重要性关系为：主梁＞加固措施，记为：C11＞C12。

在下部结构下层，即C2层包含4 个指标，确定的重要性关系为：墩身＞盖梁＞基础＞支座，记为：C21＞C22＞C23＞C24。

在桥面系下层，即C3层包含4 个指标，确定的重要性关系为：桥面铺装＞伸缩缝＞护栏＞排水设施，记为：C31＞C32＞C33＞C34。

在附属设施下层，即C4层包含4 个指标，确定的重要性关系为：桥墩防撞装置＞限位装置＞交通标线＞交通标志牌，记为：C41＞C42＞C43＞C44。

计算各单层评价指标的权重：在桥梁各评价指标相对重要性程度比较值的基础上，按照G1法对各单层评价指标的权重进行计算。各构件权重的计算结果如表1 所示。

2.2.2 客观赋权法——熵值法计算权重

通过熵值法确定桥梁各评价指标的权重，依然邀请用G1法计算权重时的三位专家参加评分，可计算得到B层各指标的得分值Xk，即可得B层各评价指标权重，计算结果见表2。

表2 桥梁B 层评价指标权重计算

2.2.3 指标最终权重的确立

在用G1法和熵值法分别计算出指标主、客观权重后，计算指标的最终权重，见表3。

表3 指标最终权重表

3 桥梁整体状态指数评分值

在确定桥梁各评价指标的最终权重后，结合各指标的三位专家的平均得分，即可得到桥梁整体状态指数评分值。

3.1 桥梁部件结构状态指数计算

水口高架桥现浇箱梁部件结构状态指数值如表4所示。

表4 水口高架桥现浇箱梁部件结构状态指数

3.2 桥梁整体结构状态指数计算

在得到部件B1～B4结构状态指数值的基础上，计算水口高架桥现浇箱梁整体技术状态指数，权重分别为0.4419、0.3084、0.1313、0.1184；结构指数分别为7.419、7.581、8.178、7.673，桥梁整体结构状态指数为7.5987。

由计算结果知：7.9 ＞I=7.5987 ＞6.3，即水口高架桥现浇箱梁的一级重要构件没有严重损坏，根据并行综合评定方法，水口高架桥现浇箱梁整体技术状态列为二类，工作状态较好。

3.3 旧桥扩宽后结构耐久性分析

3.3.1 模糊综合评价指标计算

采用二级模糊综合评价指标对拓宽后桥梁结构进行耐久性评定。本文取旧桥上部结构、旧桥下部结构、旧桥桥面系、旧桥附属设施、新桥上部结构、新桥下部结构、新桥桥面系、新桥附属设施。

桥梁拓宽后原有结构将成为一个新结构，本文将新旧桥对于新结构耐久性的重要程度看作是同等的，新旧桥的上部结构、下部结构、桥面系和附属设施对结构的重要程度是一致的，不同构件的重要程度依次为：上部结构、下部结构、桥面系和附属设施。对影响桥梁耐久性的各个部件进行评价。

[旧桥上部结构旧桥下部结构旧桥桥面系旧桥附属设施]；

一级综合评价计算，关系矩阵为：

评价结果为：

对B进行标准化处理后得到：

3.3.2 扩宽后桥梁整体模糊可靠度分析

为了与我国现行有关规范和标准保持一致，采用划分等级的方法对桥梁的耐久性进行评价，将改造后桥梁的耐久性评价与桥梁的养护、加固联系起来，使其具有可操作性，评价等级是指被评价因素对属于各评价等级的程度。对该桥耐久性评价采用五个等级：V={V1,V2,V3,V4,V5}。根据非对称贴近度法对该桥整体模糊可靠度进行计算：

其中N(B,D1)最大，故改扩建拓宽后水口高架桥现浇箱梁新旧桥整体耐久性评价为一级，对应新旧桥整体技术状态评定为一类，工作状态较好。