基于檢測資料的閘門安全狀態(tài)模糊綜合評(píng)判

張?jiān)瞥?，黃 銘，姚 亮

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院，安徽合肥230009)

0 引 言

我國有很多水利水電工程修建于建國初期[1]。經(jīng)過多年的運(yùn)行，很多的水工金屬結(jié)構(gòu)仍在發(fā)揮著巨大的作用。但是，由于年代久遠(yuǎn)，加之水工金屬結(jié)構(gòu)多數(shù)處于潮濕、陰暗等惡劣的環(huán)境中，其安全性能無法得到保證，因此對(duì)其進(jìn)行檢測及安全評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

本文以閘門為研究對(duì)象，由于閘門本身作為水利水電工程的擋水、排水的設(shè)備，所處的環(huán)境惡劣，并且常年承受靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的水壓力，因此其安全性能評(píng)判也是水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[2]。

1 模糊綜合評(píng)判

常見的水工金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)判方法有綜合評(píng)判法和可靠度評(píng)判法，綜合評(píng)判法是以水工金屬結(jié)構(gòu)安全的主要影響因素為框架，將多個(gè)因素轉(zhuǎn)化為一個(gè)能夠綜合反映水工金屬結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)?？煽慷仍u(píng)估法是選擇出影響水工金屬結(jié)構(gòu)的多個(gè)因素作為隨機(jī)變量，根據(jù)這些因素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及水工金屬結(jié)構(gòu)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算失效率和可靠指標(biāo)，進(jìn)行安全評(píng)估[3]。

模糊綜合評(píng)判是應(yīng)用模糊轉(zhuǎn)換原理，分析影響被評(píng)價(jià)事物的各種因素，確定出評(píng)價(jià)事物的因素集及評(píng)判等集，計(jì)算被評(píng)價(jià)事物的各種相關(guān)因素的隸屬度與權(quán)值，然后進(jìn)行綜合評(píng)判[4]。由于影響閘門的安全因素較多，并且各影響因素對(duì)閘門的安全影響程度也不盡相同，因此本文采用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)閘門進(jìn)行安全評(píng)判。

2 閘門的模糊綜合評(píng)判

2.1 評(píng)判因素集及評(píng)判框架

影響閘門安全性能的因素有很多種，由于閘門長期在陰暗潮濕的環(huán)境下工作，很容易產(chǎn)生不同程度的腐蝕[5]。較淺的腐蝕容易導(dǎo)致閘門漏水，啟閉不穩(wěn)定，嚴(yán)重腐蝕可能會(huì)使閘門失事，從而會(huì)危害到人民的生命和財(cái)產(chǎn)損失[6]。因此腐蝕應(yīng)作為鋼閘門安全檢測的重要因素；水工鋼閘門經(jīng)過長期運(yùn)行，其主要結(jié)構(gòu)處的焊接部位可能會(huì)出現(xiàn)裂紋等缺陷，影響閘門的安全運(yùn)行，因此焊縫應(yīng)作為鋼閘門安全檢測的重要因素。閘門經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，其主要結(jié)構(gòu)部件的材料，可能會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，使得閘門狀況可能與原設(shè)計(jì)不符，因此需要對(duì)閘門材料進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)以上內(nèi)容，本文對(duì)閘門的安全綜合評(píng)判采用多級(jí)評(píng)判框架，一級(jí)評(píng)判因素為

u={u1u2u3}={腐蝕 焊縫 材料}

腐蝕一般會(huì)有多個(gè)部位，將其各個(gè)部位做為二級(jí)評(píng)判因素，進(jìn)行多級(jí)評(píng)判。在工程實(shí)踐中，有時(shí)對(duì)焊縫的檢測可能只涉及到某個(gè)部位，或者多個(gè)部位的某一點(diǎn)，因此對(duì)焊縫可根據(jù)具體情況進(jìn)行一級(jí)或者多級(jí)評(píng)判。閘門材料涉及到其化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度等各種因素，本文重點(diǎn)討論抗拉強(qiáng)度，化學(xué)成分一般不變，本文不作為代表項(xiàng)目；抗拉強(qiáng)度涉及到多個(gè)部位，將其各個(gè)部位作為二級(jí)評(píng)判因素，進(jìn)行多級(jí)評(píng)判。

2.2 評(píng)判等級(jí)的劃分

SL101—2014《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中對(duì)閘門的安全等級(jí)分為安全、基本安全和不安全3個(gè)等級(jí)，所以本文據(jù)此將各評(píng)判因素的評(píng)判等級(jí)分為3個(gè)等級(jí)，即

v={v1v2v3}={安全 基本安全 不安全}

對(duì)于腐蝕，《規(guī)程》5.2中將腐蝕分為A、B、C、D 4級(jí)，規(guī)定A級(jí)為腐蝕不明顯、B級(jí)為腐蝕平均深度不大于1 mm、C級(jí)為腐蝕平均深度不大于2 mm、D級(jí)為腐蝕平均深度大于2 mm，又根據(jù)《規(guī)程》13.0.2中腐蝕程度為A級(jí)和B級(jí)的評(píng)定為安全，腐蝕程度為C級(jí)的評(píng)定為基本安全，腐蝕程度屬于D級(jí)的為不安全，因此本文規(guī)定腐蝕平均深度不大于1 mm的為安全，1 mm到2 mm的為基本安全，大于2 mm的為不安全?？捎孟率奖硎?/p>

(1)

對(duì)于焊縫，根據(jù)GB11345—89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，本文規(guī)定評(píng)定等級(jí)在評(píng)定線與定量線之間的為安全，在定量線與判廢線之間的為基本安全，判廢線以上的為不安全。

對(duì)于閘門材料中的抗拉強(qiáng)度，因?yàn)樵贕B700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)》中給出了抗拉強(qiáng)度具體相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值范圍， 因此先確定出其安全系數(shù)[7]，公式為

(2)

式中，n為安全系數(shù)；σ為檢測抗拉強(qiáng)度，σmin為容許最小抗拉強(qiáng)度。

然后確定最大安全系數(shù)，計(jì)算如下式

(3)

式中，N為最大安全系數(shù)；σmax為容許最大抗拉強(qiáng)度。

(4)

2.3 評(píng)判矩陣的確定

評(píng)判矩陣是由各個(gè)影響因素的隸屬度所組成的，對(duì)于閘門的腐蝕情況，腐蝕的程度越小，閘門越安全，因此應(yīng)采用偏小型分布函數(shù)確定隸屬度，常見的偏小型分布有正態(tài)分布、梯形分布、拋物線型分布等，本文以偏小型的降半正態(tài)分布函數(shù)為例(見圖1)，公式如下

(5)

圖1 偏小型降半正態(tài)分布

(6)

式中，ui為評(píng)判因素的第i個(gè)檢測值；j為評(píng)判等級(jí)的個(gè)數(shù)；σ為評(píng)判因素?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；rij為評(píng)判因素的第i個(gè)檢測值ui對(duì)于安全等級(jí)vj的隸屬度；aj為對(duì)應(yīng)評(píng)判集vj在該區(qū)域的最小值。

對(duì)于焊縫采用模糊統(tǒng)計(jì)的方法確定隸屬度，計(jì)算公式為

(7)

式中，nj為屬于評(píng)判等級(jí)vj的評(píng)判因素的檢測值個(gè)數(shù)；n為檢測值總數(shù)。

對(duì)于閘門材料中的抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)度越高，閘門越安全，因此應(yīng)采用偏大型的分布函數(shù)確定隸屬度，常見的偏大型有正態(tài)分布、梯形分布、拋物線型分布等，本文以偏大型的梯形分布為例(見圖2)，其公式如下

(8)

對(duì)上式進(jìn)行改進(jìn)如下

(9)

圖2 偏大型梯形分布

式中，aj、bj分別為對(duì)應(yīng)評(píng)判集vj的最小值和最大值；即式(4)各個(gè)安全等級(jí)的數(shù)值。

2.4 權(quán)值的確定

根據(jù)評(píng)判對(duì)象的不同，權(quán)值的確定方法也有所不同，常見的有層次分析法、調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、加權(quán)統(tǒng)計(jì)法和熵權(quán)法等[8]。本文根據(jù)閘門檢測的現(xiàn)有資料及其數(shù)據(jù)特征，采用層次分析法來確定腐蝕、焊縫和閘門材料的權(quán)值。對(duì)于涉及到多個(gè)部位的腐蝕，由于腐蝕在每個(gè)部位都會(huì)對(duì)閘門產(chǎn)生較大的影響，因此對(duì)于各個(gè)部位采用平均賦權(quán)；對(duì)于閘門材料抗拉強(qiáng)度，同樣每個(gè)部位的抗拉強(qiáng)度對(duì)閘門的影響是基本相同的，因此也采用平均賦權(quán)。

層次分析法具體步驟為：構(gòu)造判斷矩陣，確定兩兩元素相比的判斷值cij，cij表示元素Bi相對(duì)于的Bj“重要程度”的判斷值，常用1～9的數(shù)字來標(biāo)度各元素對(duì)于上一級(jí)的重要程度[9]。具體判斷方法如表1。

表1 1～9標(biāo)度方法

由cij形成判斷矩陣，

(10)

式中，cii=1，cij·cji=1。

根據(jù)式(10)，采用方根法計(jì)算權(quán)值

(11)

對(duì)結(jié)果規(guī)范化

(12)

對(duì)式(10)進(jìn)行相容性檢驗(yàn)，定義不相容度R(C)

(13)

當(dāng)R(C)≤0.1時(shí)，式(10)的相容性較好，該方法有效，式(10)不必進(jìn)行調(diào)整；否則重新調(diào)整式(10)，直到R(C)≤0.1。

2.5 綜合評(píng)判

首先對(duì)腐蝕和閘門材料中的二級(jí)評(píng)判因素進(jìn)行單因素模糊綜合評(píng)判，確定出評(píng)判向量，然后再將腐蝕、焊縫、閘門材料三個(gè)因素的單個(gè)評(píng)判向量組合成綜合評(píng)判矩陣，根據(jù)最大隸屬度原則對(duì)閘門進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，得出閘門安全狀態(tài)。

表2 各個(gè)部位的腐蝕隸屬度

3 工程實(shí)例

本文以某水庫壩體底孔事故閘門實(shí)測的腐蝕、焊縫和材料中的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行閘門的安全性綜合評(píng)判。

3.1 隸屬度的計(jì)算

本文以某水庫底孔事故閘門16個(gè)部位每個(gè)部位四個(gè)測點(diǎn)的腐蝕狀況檢測結(jié)果為例，采用偏小型正態(tài)分布，計(jì)算出腐蝕每個(gè)部位的標(biāo)準(zhǔn)差σ將其帶入式(6)。根據(jù)式(6)求出腐蝕的隸屬度如表2。

由于各個(gè)部位的腐蝕對(duì)閘門都有很大的影響，可以認(rèn)為他們的權(quán)重相同，取這16個(gè)部位的平均值得到腐蝕的評(píng)判向量

r1={0.346 0.352 0.302}

(14)

由最大隸屬度原則，可以看出腐蝕為基本安全。

對(duì)于焊縫，選取了底孔事故閘門9個(gè)部位對(duì)其進(jìn)行檢測，由于檢測部位較少，數(shù)據(jù)比較單一，因此本文不另設(shè)下級(jí)評(píng)判。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》檢驗(yàn)等級(jí)采用B級(jí)，檢測數(shù)據(jù)其缺陷性質(zhì)分為夾渣和未焊透等幾種結(jié)果。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)把檢測到的缺陷性質(zhì)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的缺陷當(dāng)量與《標(biāo)準(zhǔn)》9.2圖8距離-波幅曲線(DAC)的靈敏度圖對(duì)比，根據(jù)式(7)應(yīng)用模糊統(tǒng)計(jì)的方法確定其隸屬度，整理數(shù)據(jù)得其評(píng)判向量為

r2={0.222 0.445 0.333}

(15)

對(duì)于閘門材料中的抗拉強(qiáng)度，選取底孔事故閘門面板、橫梁翼板和橫梁腹板三個(gè)部位進(jìn)行檢測，由于只有三個(gè)部位，數(shù)據(jù)較為簡單，本文采用偏大型的梯形分布，根據(jù)GB700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)》取σmax為500 N/mm2，σmin為370 N/mm2，將檢測數(shù)據(jù)帶入式(2)將其數(shù)值轉(zhuǎn)化為安全系數(shù)，將σmax=500 N/mm2，σmin=370 N/mm2帶入式(3)求得N，然后將求得的值N帶入式(4)得到抗拉強(qiáng)度各個(gè)安全等級(jí)的數(shù)值，通過(2)式計(jì)算出的安全系數(shù)與式(4)計(jì)算出的抗拉強(qiáng)度各個(gè)安全等級(jí)數(shù)值的比較，確定出屬于那一個(gè)安全等級(jí)，最后將轉(zhuǎn)化為安全系數(shù)的結(jié)果帶入式(9)得抗拉強(qiáng)度隸屬度矩陣

對(duì)于這三個(gè)部位的抗拉強(qiáng)度認(rèn)為對(duì)閘門的影響程度相同，因此賦予三個(gè)部位相同的權(quán)值，取這三個(gè)部位的均值得到抗拉強(qiáng)度的評(píng)判向量

r3={0.188 0.406 0.406}

(16)

在對(duì)腐蝕，焊縫，閘門材料三個(gè)影響因素分別計(jì)算完成做出評(píng)判后，把他們的結(jié)果作為閘門最終評(píng)判時(shí)的隸屬度向量，得到下式

(17)

3.2 計(jì)算權(quán)矩陣

腐蝕易導(dǎo)致閘門面板變薄，應(yīng)力提高[5]，閘門的強(qiáng)度和剛度受到影響，因此賦予較大權(quán)值；焊縫相比閘門材料能夠直觀的表現(xiàn)出來，并且閘門材料一般不會(huì)發(fā)生大的改變，因此焊縫相對(duì)閘門材料賦予較大權(quán)值。

由表1得判斷矩陣

(18)

對(duì)其進(jìn)行相容性判斷，得R(C)≤0.1。將式(18)代入式(11)、(12)，得到評(píng)判因素腐蝕，焊縫，材料的權(quán)重向量為

W=(0.648 0.230 0.122)

(19)

3.3 閘門綜合評(píng)判

將式(17)和式(19)相乘得到評(píng)判矩陣

B=W·R=(0.298 0.380 0.322)

根據(jù)最大隸屬度原則，屬于v2評(píng)判集的數(shù)值較大，所以閘門的安全狀態(tài)屬于基本安全。

4 結(jié) 論

(1)本文利用工程實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判的方法建立了閘門安全評(píng)判體系，通過對(duì)閘門重要影響因素的分析，確定出這些因素的隸屬度及權(quán)值，建立多級(jí)評(píng)判框架。通過工程實(shí)例，表明本文閘門安全評(píng)判體系合理可行。

(2)通過建立閘門安全狀態(tài)評(píng)判體系，為后期進(jìn)一步形成系統(tǒng)、完善的水工金屬結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)判奠定了基礎(chǔ)。