基于物元分析的简支梁桥结构耐久性评估

基于物元分析的简支梁桥结构耐久性评估

北京有300多条采用钢筋混凝土（rc）的简条桥。其中，许多桥梁在超载和环境的影响下遭受不同程度的破坏，必须尽快评估、决策和处理。在遵循现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和《公路养护技术规范》、参考建筑结构现状评估研究成果的基础上,本文建立了在用钢筋混凝土简支梁桥结构综合评估方法。本方法包括:①从耐久性损伤、安全性(即承载力)和适用性(即刚度)三个方面进行评估;②根据层次分析法的原理,建立多层次的综合评估模型;③确定评估模型中指标、子指标的评估分级标准;④确定评估模型中各项目、指标及子指标初始权重;⑤从评估模型的底层逐层评估:根据物元分析的理论,引入关联度的概念,并采用变权评估;除底层外,每一层的评估以下一层评估结果为基础,最后得到简支梁桥结构耐久性损伤、安全性和适用性现状等级;⑥根据评定的等级,决定采取的处理措施。1评估模型RC简支梁桥多层次评估模型包括目标层、项目层和指标层(耐久性损伤的评估还包括子指标层),如图1、图2和图3所示。1.1综合评估的目标以桥梁结构的耐久性损伤、安全性和适用性作为综合评估的目标。从这三个方面进行评估,可以充分利用现行规范(规程)的规定,并借鉴建筑结构评估的研究成果,使评估结果更合理。1.2连接梁、盖梁、墩台、和支护结构的可靠性评估根据简支梁桥的结构组成和受力特点,将其上部结构的横向连接、主(板)梁、盖梁、墩台、和支座五部分作为评估项目(本文对桥梁可靠性有直接影响的桥梁结构地上部分进行评估,不包含桥面铺装损伤和桥梁附属设施的损伤)。1.3指标层1.3.1耐久性损伤指标根据对北京地区多座简支梁桥的现场调查和检测,确定耐久性损伤指标为:混凝土裂缝(不含顺筋裂缝)、混凝土腐蚀、钢筋锈蚀和保护层损伤(含顺筋裂缝),其中混凝土裂缝和混凝土腐蚀包含子指标。1.3.2安全指数根据不同构件的受力特点,选取相应等效承载力(受弯、受剪和受压)的降低率作为构件安全性评估指标。1.3.3适用性指标采用主梁等效刚度降低率作为适用性评估的指标。2评估、内涵和对策将桥梁结构的耐久性损伤、安全性和适用性现状分为四个等级,各等级的涵义及对策见表1～表3。3评估和分类基准包括子指标、分支和水平连接3.1环境保护指标3.1.1混凝土裂缝受力裂缝和非受力裂缝对桥梁结构的影响不一样,本文采用不同的评估标准。3.1.2混凝土腐蚀混凝土腐蚀指混凝土的液相腐蚀,主要表现为混凝土因溶出性腐蚀而形成的表面白斑和混凝土截面的损伤。3.1.3钢筋腐蚀根据钢筋的截面损失率,确定钢筋锈蚀程度的评估标准。3.1.4裂缝强度的确定根据保护层顺筋裂缝宽度,确定保护层损伤的评估标准。当保护层脱落时,可酌情取裂缝宽度为6～8mm进行评估。上述各耐久性损伤指标的评估标准见表4。3.1.5安装损坏支座损伤程度难以定量确定。本文根据支座损伤状况,对支座进行评分,评分标准见表5。3.1.6横向连接评分横向连接损伤程度也难以定量确定。根据横向连接的损伤状况,对横向连接进行评分,标准见表6。横向连接损伤使主(板)梁共同工作性能降低,用桥梁的整体性系数γ表示,评估标准见表6。3.2考虑梁荷载效应的参数设计对各评估项目采用相同标准,并严格控制一级和二级的标准、放宽三级和四级的标准。简支梁桥安全性指标评估分级标准见表2。横向连接损伤使主(板)梁荷载效应增大,用等效承载力降低率αD作为参数度量横向连接损伤对安全性的影响,用下式计算*:αD=1-γ+γα(1)式中,α为主(板)梁承载力降低率。受弯承载力降低率主要根据纵筋与混凝土之间粘结破坏的程度及钢筋截面面积损失率确定,计算方法可参考文献;受压和受剪承载力降低率计算方法可参考有关文献。由于横向连接的损伤对盖梁和墩台等构件的影响不大,所以计算相应构件的等效承载力降低率αD时,均取γ等于1,即αD=α。3.3刚度下降率的计算适用性指标评估分级标准见表3。用等效截面刚度降低率βD作为参数度量横向连接损伤对适用性的影响,用下式计算:βD=1-γ+γβ(2)式中,β为主(板)梁截面刚度降低率,计算方法可参考文献。4评估方法4.1初始权重的确定根据层次分析法原理,构造判断矩阵并求解,得到评估模型中各层次元素相对各评估目标的权重,即初始权重。计算结果示于图1、图2和图3,图中数字为百分数,分别以各评估目标为100得到的权重。4.2指标层评估4.2.1评估x0j分级对没有下级元素的指标(或子指标,包括支座和横向连接,下同),将实测值或评估值代入下列关联函数式进行计算,得到该指标对各等级的关联度。Kj(xi)=⎧⎩⎨⎪⎪−2ρ(xi‚x0ji)|x0ji|ρ(xi‚x0ji)ρ(xi‚xpi)−ρ(xi‚x0ji)xi∈x0jixi∉x0ji(3)Κj(xi)={-2ρ(xi‚x0ji)|x0ji|xi∈x0jiρ(xi‚x0ji)ρ(xi‚xpi)-ρ(xi‚x0ji)xi∉x0ji(3)式中,Kj(xi)——某元素下属的评估指标i对j等级的关联度,j为一、二、三、四级;ρ(xi,x0ji)——表示xi与实区间x0ji之距;ρ(xi,xpi)——表示xi与实区间xpi之距;xi——评估指标i的实测值或评估值;x0ji——评估指标i相对j等级的评估分级标准;xpi——评估指标i的取值范围。设x0ji=(a,b),ρ(xi,x0ji)采用如下形式:对一级:ρ(xi,x0ji)=(xi-b)/2(4)对二级和三级:ρ(xi‚x0ji)={a−xixi≤a+b2xi−bxi≥a+b2(5)ρ(xi‚x0ji)={a-xixi≤a+b2xi-bxi≥a+b2(5)对四级:ρ(xi,x0ji)=(a-xi)/2(6)ρ(xi,xpi)采用式(5)的形式。4.2.2初始权重的确定为考虑不同损伤程度的指标(或子指标)对评估结果的不同贡献,评估时采用变权评估,即采用修正权重。修正权重等于初始权重和信息权重的乘积,其中信息权重反映了指标损伤程度不同对评估结果的不同贡献:损伤严重,信息权重大;损伤轻,信息权重小。假设某指标i的实测值为xi,评估标准最大值为ximax,取该指标的信息权重W′i为:W′i=(0.1+0.9xi/ximax)(7)设该指标的初始权重为W0i,则取修正权重Wi为:Wi=W0i·W′i=W0i(0.1+0.9xi/ximax)(8)由式(8)可知,当指标实测值等于评估标准最大值时,对应权重即为初始权重;当指标实测值大于评估标准最大值时,对应权重大于初始权重;当指标实测值小于评估标准最大值时,对应权重小于初始权重;特别地,当指标完全没有损伤时,对应权重仅为初始权重的1/10。各包含子指标的指标的评估结果建立在其子指标评估结果的基础之上,指标对各等级的关联度等于其各个子指标对该等级关联度的加权平均值,其中权重采用各子指标的修正权重。4.3对该等级关联度的加权计算在指标层评估的基础上,构件(即相应的评估项目,如主梁、盖梁等)对各等级的关联度为其各指标对该等级关联度的加权平均值。对不包含子指标的指标,其修正权重按式(8)计算;对包含子指标的指标,其修正权重等于各子指标修正权重之和。当简支梁桥的某一类构件有多个时,该类构件对各等级的关联度为各个构件对该等级关联度的加权平均值。构件的修正权重等于该构件各评估指标修正权重之和。4.4各组成构件的修正权重各目标对各等级的关联度等于相应评估项目对该等级关联度的加权平均值,各类组成构件的修正权重等于该类构件修正权重的平均值。目标等级取为最大关联度所对应的等级。4.5检测、评估、处理在用RC简支梁桥结构技术现状综合评估前,应对结构的现状进行检测。评估流程见图4。对上述评估方法和评估流程的几点说明如下:①当桥梁为多跨简支梁桥时,应对每一跨分别评估。②当桥梁结构的某一评估项目或某一构件的损伤较严重时,可仅对该评估项目或构件进行评估。③当桥梁有碱骨料反应疑迹时,应进行专项检测、评估、处理。④实际操作中,可以先对桥梁结构进行耐久性损伤评估,当耐久性损伤等级为一级时,不必再进行结构的安全性和适用性评估,桥梁只需正常养护。⑤在对桥梁各构件进行安全性评估时,应根据桥梁受力、配筋和耐久性损伤情况选择危险截面,以危险截面的承载能力降低率作为构件的承载能力降低率。⑥在对桥面梁进行适用性评估时,可取构件弯矩较大范围内(如跨中两侧各1/4跨范围内)损伤最严重的截面估算其刚度降低率。⑦对于安全性和适用性显著降低的重大桥梁,由于加固、大修费用大,或加固施工严重影响交通时,可根据《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》,通过荷载试验确定桥梁的安全性和适用性,对桥梁现状作出更符合实际的评估。⑧由于设计等原因,桥梁可能有高于设计要求的安全储备。桥梁的实际承载力可根据其结构现状采用现行设计规范和本文的方法进行估算。挖掘桥梁承载能力的潜力或提高其荷载等级时,应慎重,对于重大桥梁,宜进行荷载试验。5低价值马家堡桥以原马家堡桥的一块桥面板梁不考虑桥梁整体性系数为例说明评估方法和评估过程。原马家堡桥建于1964年,为3跨简支板梁跨河桥,每跨7根梁。桥下河水污染严重。由于受到环境和人为因素的作用,损伤严重,主要表现为:保护层剥落、钢筋严重锈蚀、外露甚至在很长范围内与混凝土完全脱离。5.1赔偿损失的评估5.1.1枣核型裂缝实测板梁耐久性损伤指标如下:弯曲(受力)裂缝:0.1mm;枣核形裂缝:无;腹板斜裂缝:无;混凝土面积腐蚀(表面白斑)率:无;钢筋锈蚀率(跨中):10%;顺筋裂缝:保护层脱落很严重,取裂缝宽度为8mm。5.1.2混凝土腐蚀和钢筋腐蚀关联度弯曲裂缝对一、二、三、四级各等级的关联度为0,0,-0.67和-0.75;枣核形裂缝对各等级的关联度为1,-1,-1和-1;腹板斜裂缝对各等级的关联度为1,-1,-1和-1;混凝土腐蚀对各等级的关联度为1,-1,-1和-1;钢筋锈蚀对各等级的关联度为-0.31,-0.33,1和-0.2;顺筋裂缝对各等级的关联度为-1,-1,-1和1。弯曲裂缝的信息权重为0.19,修正权重为0.167;枣核形裂缝的信息权重为0.1,修正权重为0.088;腹板斜裂缝的信息权重为0.1,修正权重为0.088。混凝土裂缝的评估建立在三者评估结果的基础上,对各等级的关联度分别为0.513,-0.513,-0.838和-0.878。5.1.3修正权重的确定混凝土裂缝的修正权重为弯曲裂缝和纵向裂缝修正权重之和,等于0.343。混凝土腐蚀、钢筋锈蚀和顺筋裂缝的修正权重分别为0.469,9.163和17.353。板梁耐久性损伤对各等级的关联度等于板梁评估指标对各等级关联度的加权平均值,分别为-0.715,-0.770,-0.327和0.540。板梁耐久性损伤等级为四级。5.2安全评估5.2.1局部保压损伤由计算,板梁受弯承载力降低率为15%。忽略因局部保护层损伤对板梁截面的影响,板梁弯起钢筋基本没有损伤,板梁受剪承载力的降低率为0。5.2.2指标评价受弯承载力对各等级的关联度分别为-0.538,-0.667,0和0;受剪承载力对各等级的关联度分别为1,-1,-1和-1。5.2.3修正权重受弯承载力的修正权重为12.919,受剪承载力的修正权重为1.667。板梁安全性对各等级的关联度分别为-0.402,-0.705,-0.114和-0.114。板梁安全性等级介于三级和四级之间。5.3适用性评估5.3.1指标计算由计算,板梁受弯刚度的降低率为6%。5.3.2指标评价板梁受弯刚度对各等级的关联度分别为-0.294,-0.143,0.200和-0.429。5.3.3梁适用性各等级关联度板梁适用性仅含板梁受弯刚度降低率一个指标,所以板梁适用性对各等级的关联度等于板梁受弯刚度降低率对各等级的关联度,分别为-0.294,-0.143,0.200和-0.429。板梁适用性等级为三级。5.4处理方法根据上述评估结果,该板梁是不安全的,应立即加固或替换。6评估结论分析本文将物元分析理论引入层次分析法,对在用钢筋混凝土简支梁桥结构的技术现状进行评估。评估方法具有如下特点:①考虑到各等级之间以及各评估项目、指标相对重要性的模糊性,通过专家经验给出各等级的范围和相对重要性程度,将不确定的指标量化,便于评估。②考虑到分级标准本身的模糊性,通过计算指标对各等级的隶属程度即关联度,在比较中进行评估:关联度取值范围为[-1,1],下限表示完全不属于某等级,上限表示完全属于某等级。③为考虑不同损伤(或降低)程度的指标(或子指标)对评估结果的不同贡献,评估时采用变权评估。④本文的评