預應力混凝土梁橋的技術狀況評價及預測

王尚愛

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100）

預應力混凝土梁橋的技術狀況評價及預測

王尚愛

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100）

我國目前對公路交通事業(yè)的維護加強了重視，為了讓公路交通能夠正常運行，必須注意公路中橋梁的技術狀況，并采用合理方法予以評定，從而防止傷亡事故的發(fā)生。文章建立了預應力混凝土橋梁技術狀況評價模型，將扣分值系數(shù)和新扣分值用于其中，并基于技術狀況評價分數(shù)，預測了橋梁的壽命期限，并分析了養(yǎng)護維修在橋梁壽命中的重要作用，希望具有借鑒意義。

預應力；混凝土梁橋；技術狀況；評價預測

1 公路橋梁技術狀況的評價

公路橋梁技術狀況評價主要是針對橋梁結構狀態(tài)等級的綜合評價，涉及到使用功能、承載能力、使用價值等，它可以鑒定橋梁是否還存在設計應用的性能，從而采取措施進行維護。

關于構建評價指標體系，評價指標體系是評判的參考標準。其目的是為了研究橋梁缺損的情況和原因，制定維護方案，并按照技術狀況評定結果來將有限的資金應用到最嚴重的地方。指標體系的構建要保證整個體系要具有科學性、客觀性以及可操作性。要符合我國規(guī)范，按照橋型分類評定，盡量采用量化指標評定內(nèi)容，將橋梁體系分為上部、下部以及橋面三部分構建，并充分采用經(jīng)濟便捷的檢測要求。橋梁評定可以分為針對上下部結構的橫向類以及針對構件和全橋的縱向類。橋梁評定要按照層次分析原理，循序漸進的評價橋梁技術狀況，評定初期要保證實測數(shù)據(jù)的準確性。預應力混凝土梁橋技術狀況指標體系如圖1所示。具體應用中，要繼續(xù)細化，例如將C1上部承重結構分為蜂窩、掉角、空洞、混凝土質(zhì)量等多個指標層。

圖1 預應力混凝土梁橋指標體系框架

就評價標準來說，為了保證評價結合的真實性，在制定需要考慮評價對象的特點。保證和我國相關規(guī)范一致，按照環(huán)境、經(jīng)濟和社會協(xié)調(diào)發(fā)展理論，保證定量或定性標準的詳細描述，判別指標時需要對構件病害的范圍、尺寸及數(shù)量進行定性或定量描述，評價指標要防止定量和定性出現(xiàn)矛盾，如果存在矛盾應該以定量描述為主。評價指標按照嚴重程度從小到大可以分為三級、四級和五級。

就評定方法來說，我國目前應用的評價方法較多，都存在明顯的優(yōu)勢和局限性，所以要根據(jù)結構形式、成本條件以及測試要求等綜合選取。我國目前在橋梁狀況評估上的主要方法是常規(guī)評估方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡法以及層次分析法。

2 預應力混凝土梁橋技術狀況評定模型

2.1 模型結構構架

我國目前建立的各種有關橋梁技術狀況評價的指標體系，在側重點和項目包含比重上存在著較大的差異，然而在內(nèi)容上卻較為相同。模型第一層是橋梁技術狀況評價，第二層是上上部結構、橋面結構以及下部結構三個部分，三者的橋梁技術狀況評價指標中，上部結構主要在橋梁支座以上，它能夠按照結構形式以及承重結構材料進行分類，就預應力混凝土來說，有上部承重構件、上部一般構件以及支座。下部結構是橋梁最下部結構，主要有橋墩。橋臺等部分。橋面系指的是上部結構中直接承受車輛荷載的并將荷載送到主梁的整個橋面構造系統(tǒng)，主要包括橋面鋪裝、欄桿、人行道、伸縮縫以及排水系統(tǒng)等。

2.2 指扣分值系數(shù)計算

（1）要確定三層指標的權重，按照層次分析法得出了兩層之間的權重比值，結果如表1所示。

表1 三層指標權重值

（2）算出第四層指標權重。先要構造判斷矩陣，這是層次分析法的關鍵，能夠?qū)⒂绊懮喜砍兄貥嫾耐瑢又笜藖韮蓛杀容^從而得出其對第三層指標因素的影響程度，從個人構成判斷矩陣，矩陣中的賦值，由相關專家予以提供，將矩陣中各元素按照一到九的比率值兩兩比較。將矩陣中的數(shù)值進行一致性檢驗，先計算出矩陣特征向量最大值λmax，采用軟件MATLAB來進行計算。再計算出一致性指標C1，結果如表2所示，即，然后查找相應的平均隨機一致性指標RI，最后通過CI與RI的比值得出一致性比例即CR。如果CR小于0.1，則表明矩陣是符合一致性的，可以通過檢驗。當矩陣內(nèi)一致性滿足要求后，可以按照公式和來計算出矩陣的權重向量。將上述步驟加以重復匯總可以得出專家權重。

（3）群決策法來確定專家的可信度。先要計算群判斷的差異性，應用公式來對專家的權重向量標準差進行計算，k和i分別代表專家代碼和構件代碼，應用公式將項目標準差求和能夠得出該專家對所有評判指標的評判值。將各專家對指標的評分CI得出專家權重向量的標準差和對CI的評判值，重復以上步驟能夠得出模型的評判值匯總。將評判值帶代入公式將評判值歸一化，得出該模型專家對權重判斷的差異性系數(shù)匯總。另外還要計算群判斷的相似性，按照向量夾角余弦公式來對專家權重向量之間的夾角余弦值，然后將夾角帶入公式來計算該專家和其他專家之間的相似性之和，也就是向量夾角余弦值的和，最后將相似性的和應用公式歸一化，能夠得到模型專家判斷權重的相似性系數(shù)。最后結合專家判斷權重的差異性系數(shù)和相似性系數(shù)能夠得出可信度系數(shù)。

表2 判斷矩陣打分問卷—Cl為例

然后是確定扣分值系數(shù)，將專家得出的指標權重值和群決策法的可信度相乘，能夠得出該指標的扣分值系數(shù)。最后是建立新扣分值表，將第四層對第一層的權重命名為扣分值系數(shù)，從而建立預應力混凝土梁橋技術狀況模型。

3 預應力混凝土梁橋的壽命期預測

3.1 橋梁壽命預測的理論

使用壽命指的是橋梁在不養(yǎng)護和維修的情況下能夠使用的時間，也就是是建筑在建造后，在預定的維修條件和使用條件下，結構的安全性、耐久性和適用性都能滿足實際運營年限。然而在實際情況下，橋梁的使用壽命和設計壽命是不同的，所以必須要做好對橋梁壽命的預測工作，因為橋梁在細部構造、施工質(zhì)量、使用環(huán)境和養(yǎng)護頻率等改變后都能改變實際使用壽命。因此橋梁的使用壽命一般會少于設計使用壽命。因為使用壽命定義和分類不同，其角度分類和定義也會不同，預應力構建使用壽命的定義和分類方面主要有材料劣化、維修困難、承載力降低等。橋梁的使用時間極大決定橋梁缺陷情況的出現(xiàn)，除此之外，橋梁類型、檢測頻率、結構設計、養(yǎng)護維修、車輛荷載、車流量、自然災害等都會對橋梁出現(xiàn)缺陷的時間造成影響。部分橋梁雖然使用年限不足十年，但是也出現(xiàn)了缺陷，主要是因為，設計時選取的保證設計值較低，難以在建成后滿足實際需求，導致功能過時太早出現(xiàn)。部分橋梁結構設計因為沒有實際經(jīng)驗，導致缺陷容易出現(xiàn)。部分橋梁因為常受到自然災害和極端天氣的影響。橋梁壽命預測主要依靠橋梁體系的承載能力以及橋梁構件的技術狀況等，橋梁技術狀況評價和結構可靠度聯(lián)系密切，如果結構可靠度出現(xiàn)問題，橋梁技術狀況評價也會出現(xiàn)病害，如果橋梁技術狀況評價等級差，結構可靠性也會降低。對橋梁技術狀況進行評價來對預測出橋梁壽命有以下優(yōu)點。首先，數(shù)據(jù)來源穩(wěn)定，因為公路橋梁管理部門會對橋梁定期進行技術狀況評價，會得到較豐富的數(shù)據(jù)。其次，數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，檢測的頻率很有保證。最后，具有經(jīng)濟性，承載能力檢測需要投入較多的費用，成本較高，難以實際應用。對于公路橋梁壽命預測主要有以下辦法：①是經(jīng)驗預測法，主要是應用大量的現(xiàn)場經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)來評價預測橋梁的使用壽命，但是如果橋梁設計壽命太長，或者自然環(huán)境惡劣，這種方式?jīng)]有實際效果；②比較預測法，它假設混凝土在相同條件下壽命相同，但是其并沒有對混凝土的材料、施工質(zhì)量、環(huán)境及荷載進行考慮；③加速試驗預測法，它將材料處在較差的環(huán)境下，讓材料加速劣化，但是這種方式缺乏長期觀測數(shù)據(jù)，只能應用數(shù)學手段來建立模型從而預測橋梁壽命；④數(shù)學模型預測法，這種方法適用性較好，應用很廣泛，但是其準確度容易受到模型的合理性、數(shù)值范圍等的影響。養(yǎng)護維修策略的制定，需要按照病害原因、程度以及橋梁剩余壽命綜合考慮。養(yǎng)護方式可以有正常養(yǎng)護、加固處理以及小修三方面。加固處理一般應用在以下情況。第一，橋梁裂縫寬度超過0.01mm。第二，存在潛在安全隱患，讓橋梁的使用質(zhì)量和壽命都不能保證。采用這種養(yǎng)護方式需要考慮到：橋梁加固的費用，必須要遠遠低于橋梁的新建費用；持久性，加固處理要延長的設計壽命的20%；是安全性，加固處理不能影響橋梁的正常功能和原有結構。

3.2 工程實例

回歸預測是變量X、Y的一種依賴關系，X可以部分決定Y值，但是不能完全決定，Y值還受到其他未被考慮因素的影響，這種未考慮因素即是e值。某工程路段含有預應力混凝土梁橋40座，修建于1995年，其結構皆采用預應力混凝土空心板梁、鋼筋混凝土柱式墩臺、橡膠支座以及鉆孔灌注樁等，在2008年到2013年每年都測出其橋梁技術狀況評價，假設橋梁竣工時技術狀況評分是100分，橋梁技術狀況Y和使用年限X相關，不受其他因素影響。先建立線性回歸、指數(shù)函數(shù)、高斯函數(shù)、三角函數(shù)等模型，將數(shù)據(jù)帶入模型中，應用MATLAB對曲線擬合，求出模型參數(shù)。再選取負相關函數(shù)、調(diào)整復相關系數(shù)、誤差平方和以及均方根誤差四種模型檢驗參數(shù)。最后是點預測，將2013年的評價數(shù)據(jù)代入建立的模型中，算出Y的預測值，將預測值和實際值比較，來采用擬合優(yōu)度較好的模型。各橋的技術狀況差異較大，本次排除了擬合誤差較大的樣本，采用了剩余的橋梁樣本進行分析。從而得出路段橋梁從二類橋變成三類橋的時間，為養(yǎng)護維修提供數(shù)據(jù)支持。

4 結束語

橋梁的質(zhì)量和壽命直接影響了公路的暢通，為了有效地為橋梁進行養(yǎng)護，需要掌握好橋梁的技術狀況以及壽命預測。因此，相關人員要應用層次分析法、群決策以及回歸預測，從而為橋梁的有效維護提供數(shù)據(jù)支持。

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