高速公路橋梁抗水毀穩(wěn)定性評價體系研究

池育源

（山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001）

引言

在實(shí)際工程設(shè)計中，誘發(fā)橋梁水毀的因素存在諸多不確定性和多因素耦合作用的共性問題，難以采用單一確定性分析方法對橋梁抗水毀穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確評價。模糊評價方法作為一種非確定性和耦合多因素的分析方法，在處理問題時將問題模型簡化，實(shí)現(xiàn)快速求解。趙紅[1]通過對橋涵水毀因素的復(fù)雜性和隨機(jī)性進(jìn)行分析，運(yùn)用模糊理論聯(lián)合常用的評價理論，初步建立了所研究區(qū)域的高速公路橋涵抗水毀設(shè)計穩(wěn)定性評價體系；弋珂源[2]采用模糊評價理論的最大隸屬度法對評價指標(biāo)處理，通過對所研究的橋涵抗水毀安全性分級處理，進(jìn)一步補(bǔ)充完善了抗水毀設(shè)計穩(wěn)定性評價體系。當(dāng)運(yùn)用到橋梁抗水毀穩(wěn)定性評價時，人為因素較多，導(dǎo)致評價結(jié)果存在一定不確定誤差。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能、串聯(lián)存儲功能和快速尋找最優(yōu)解的特點(diǎn)[3]，使其能夠通過選取一定代表性的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)而提高模型的準(zhǔn)確性。目前將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論直接運(yùn)用于橋梁水毀安全性評價的成果尚少，在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，在模糊理論基礎(chǔ)上，提出模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁穩(wěn)定性綜合評價模型，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較強(qiáng)的知識獲取能力和非線性映射功能，進(jìn)行非線性計算，實(shí)現(xiàn)橋梁的抗水毀穩(wěn)定性綜合評價研究[4-5]。

1 模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價方法

1.1 模糊評價

模糊評價理論，是在全面考慮各種影響因子的作用下，采用模糊數(shù)學(xué)工具的方法來對研究對象的評價指標(biāo)進(jìn)行處理并分析評價[6]。假設(shè)研究對象的m種影響因子A=｛A1，A2…Ai…Am｝，每種影響因子所在環(huán)境的m種評價為B=｛B1，B2…Bi…Bm｝[7]。

模糊評價方法的基本步驟：（1）確定因素集和評價集。因素集：A=｛a1，a2，…am｝；評價集：B=｛b1，b2，…bm｝。（2）建立m個評價因素的權(quán)重分配向量A，權(quán)重分配，即權(quán)重值，本研究通過層次分析法實(shí)現(xiàn)權(quán)重分配。（3）由研究對象的各單因子模糊評價，得到模糊綜合評價矩陣。評價對象對應(yīng)的綜合評價矩陣為Ci=｛ci1，ci2，ci3…cim｝。式中：i—第i個因素ai的單因素評價；cij—第i（1≤i≤m）個因素ai在第j（1≤j≤m）個評價bi上的頻率分布，滿足歸一化： cij=1。（4）通過復(fù)合運(yùn)算，獲得綜合評價結(jié)果[8]，E=D·C。式中：D—權(quán)重向量，E—結(jié)果向量。（5）對評價指標(biāo)進(jìn)行處理，綜合評價是為了將最優(yōu)對象從對象集中選定，采取最大隸屬度法選定評價指標(biāo)[2]。

1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種類似于生物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠定量或定性的對信息進(jìn)行處理、具有超強(qiáng)容差功能[9]，同時能夠自我組織學(xué)習(xí)和適應(yīng)不確定的系統(tǒng)環(huán)境，并進(jìn)行運(yùn)算的信息處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。

依據(jù)結(jié)構(gòu)、激發(fā)函數(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有許多分類，BP網(wǎng)絡(luò)是其中最常用的一種，其步驟[10]：（1）歸一化處理各評價指標(biāo)屬性值。（2）在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入歸一化后的結(jié)果作為輸入值，訓(xùn)練學(xué)習(xí)并適當(dāng)調(diào)整。（3）合理選擇網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，設(shè)置各屬性值。（4）以研究對象的各個評價指標(biāo)值作為輸入值，基于網(wǎng)格算法，實(shí)現(xiàn)模型仿真，給出評價結(jié)果。

1.3 模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的綜合評價模型

與傳統(tǒng)的建模方式相比較，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模具有超強(qiáng)的映射能力和強(qiáng)大的容差性能。但是限于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基本規(guī)則，只能將初始值設(shè)置為0或隨機(jī)數(shù)，具有一定的局限性。而模糊理論則可將精確的問題模糊化、盡可能地“簡單化”處理。充分結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和模糊理論的優(yōu)點(diǎn)，在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力的同時，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊化，提出模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價模型，采用MATLAB 軟件工具箱進(jìn)行橋梁抗水毀穩(wěn)定性相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。計算結(jié)果表明，該模型可以很好地解決橋梁抗水毀穩(wěn)定性評價的不確定性和模糊性，具有較好的計算效率和準(zhǔn)確度，可以實(shí)現(xiàn)高效、合理的橋梁抗水毀穩(wěn)定性評價。

2 建立橋梁穩(wěn)定性評價模型

2.1 工程實(shí)例

以某大橋?yàn)槔?，對其抗水毀穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價。該大橋總長680.35 m，共有30跨，單孔跨徑22 m。上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土、先簡后支的連續(xù)箱型連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，下部橋墩為獨(dú)柱式、雙柱式，基礎(chǔ)為嵌巖樁，橋臺采用重力式。洪水流量的設(shè)計頻率：0.01；原設(shè)計水位：1 019.5 m、1 010.3 m；橋位處的原設(shè)計流量：1 051 m3/s；地震烈度：6°。

2.2 確定單因素評價指標(biāo)及矩陣

通過分析影響橋梁抗水毀穩(wěn)定性因子的復(fù)雜性，結(jié)合各指標(biāo)選取的難易程度，對主要因素進(jìn)行綜合評價，參數(shù)取值方法與規(guī)則見表1、表2。

表1 自然條件的評價指標(biāo)

表2 涉及人為的評價指標(biāo)

自然因素及人為因素判斷矩陣C1、C2分別為：

2.3 權(quán)重歸一化處理

根據(jù)層次分析法對該體系的各層次評價指標(biāo)進(jìn)行計算，所得結(jié)果見表3～表5。

表3 矩陣和權(quán)重計算

表4 自然條件的評價矩陣及權(quán)重分配

表5 涉及人為的評價矩陣及權(quán)重分配

得到，權(quán)重向量：

2.4 模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價

以確定的單因子判斷矩陣和權(quán)重分配值作為樣本，將訓(xùn)練次數(shù)設(shè)定為1 200，學(xué)習(xí)速率為0.02，容許誤差為0.005，經(jīng)過次數(shù)遞增性反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果穩(wěn)定時確定達(dá)到訓(xùn)練次數(shù)要求，得到一級評判準(zhǔn)則的結(jié)論向量。

通過最大隸屬度算法完成對模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型的計算，選用評判向量D中的最大值作為評價指標(biāo)的輸出結(jié)果，給出評判結(jié)論為：該大橋抗水毀穩(wěn)定性狀態(tài)評定為安全。

3 結(jié)語

（1）以經(jīng)典模糊評價方法為基礎(chǔ)，融合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，給出更加滿足工程實(shí)際需求的模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合評價方法，應(yīng)用于高速公路橋梁抗水毀穩(wěn)定性評價體系，通過MATLAB工具箱實(shí)現(xiàn)模型計算。（2）結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用最大隸屬度法判斷高速公路某大橋抗水毀的穩(wěn)定性狀態(tài)，利用程序編程，完成設(shè)計校核，在工程應(yīng)用推廣中具有較強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。