軟土地區(qū)高速公路改擴(kuò)建橋梁耐久性分析

盧濤、馬朝輝、佘明星

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

我國部分現(xiàn)有公路橋梁參照20 世紀(jì)70 年代或80年代初期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造，受限于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，破損和老化也對(duì)其正常使用帶來影響。國內(nèi)舊橋改擴(kuò)建的經(jīng)驗(yàn)表明，改擴(kuò)建拓寬工程將是我國未來橋梁建設(shè)的重點(diǎn)[1]。本文針對(duì)軟土地區(qū)改擴(kuò)建拓寬后混凝土橋梁的特點(diǎn)，以橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)定基本理論為依據(jù)，以層次分析法[2]為基礎(chǔ)，建立適合類似工程背景的混凝土橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)定模型，為軟土地區(qū)橋梁改擴(kuò)建拓寬后的養(yǎng)護(hù)與耐久性評(píng)定[3]工作提供技術(shù)支持。

1 耐久性研究基本理論

1.1 層次分析法基本原理

層次分析法（AHP）是一種層次權(quán)重決策分析方法，根據(jù)因素間的相互關(guān)聯(lián)與影響對(duì)底層方案進(jìn)行權(quán)重分析與排序，從而為問題的決策提供依據(jù)。橋梁的技術(shù)狀態(tài)評(píng)定工作作為一種復(fù)雜的多因素決策問題，將AHP 引入評(píng)價(jià)過程中，能夠更加系統(tǒng)地分析橋梁技術(shù)狀態(tài)的影響因素，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)過程的層次化和條理化。

1.2 主觀賦權(quán)法——G1 法基本理論

盡管層次分析法在評(píng)價(jià)領(lǐng)域中被廣泛采用，但該方法中判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵。序關(guān)系分析法（又稱G1法），與AHP 法不同，G1法在計(jì)算過程中無須構(gòu)建判斷矩陣，從而避免一致性檢驗(yàn)，保證指標(biāo)間的一致性關(guān)系。

1.3 客觀賦權(quán)法——熵值法

在實(shí)際綜合評(píng)價(jià)中，為了獲得精度和可信度更高的評(píng)價(jià)結(jié)果，采用多種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合的組合評(píng)價(jià)方法來對(duì)決策問題進(jìn)行分析：在主觀賦權(quán)法（G1法）的基礎(chǔ)上，引入有代表性的客觀賦權(quán)法——熵值法（entropy method）。熵值法根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度分析該指標(biāo)能夠提供的信息量，從而確定指標(biāo)的權(quán)重。

1.4 主客觀集成組合評(píng)價(jià)方法

主觀賦權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果主觀傾向性較嚴(yán)重；而客觀賦權(quán)法以各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)為依據(jù)，評(píng)價(jià)結(jié)果受數(shù)據(jù)波動(dòng)影響較大。因此，只有在評(píng)價(jià)模型中對(duì)兩類方法進(jìn)行組合，充分結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，才能使評(píng)價(jià)更為科學(xué)合理。

2 軟土地區(qū)拓寬后橋梁耐久性工程應(yīng)用研究

2.1 工程概況

開陽高速公路采取雙向四車道，設(shè)計(jì)速度120km/h，路基寬度28m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)橋梁實(shí)際情況，選取水口高架橋左右幅現(xiàn)澆箱梁聯(lián)（樁號(hào)K3157+866.3—K3157+956.2）進(jìn)行檢測(cè)分析。

拓寬方案為現(xiàn)澆箱梁上部結(jié)構(gòu)拼接加寬利用，拼接寬度為11.5m（左幅）和7.5m（右幅）。跨徑組合為左幅（14.365+2×25+25.539）m，右幅（26.331+2×25+13.573）m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，梁高與原橋一致，均取1.5m。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋板臺(tái)，墩臺(tái)均采用樁基礎(chǔ)（見圖1）。

圖1 水口高架橋現(xiàn)澆箱梁拼寬平面布置圖（單位：mm）

新建橋梁上部結(jié)構(gòu)與原有上部結(jié)構(gòu)通過后澆筑拼接段連接，新建下部結(jié)構(gòu)與原有下部結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立。擴(kuò)建橋采用等梁高現(xiàn)澆箱梁，通過翼緣拼接。

2.2 舊橋技術(shù)狀況評(píng)定分析

水口高架橋現(xiàn)澆箱梁聯(lián)橋梁拓寬方式為上連下不連，先確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性排序關(guān)系。

2.2.1 主觀賦權(quán)法——G1法確立權(quán)重

舊橋橋梁技術(shù)狀況評(píng)定模型包含四個(gè)指標(biāo)：上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系、附屬設(shè)施。第二層評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性序關(guān)系根據(jù)橋梁的受力特點(diǎn)及橋梁實(shí)際運(yùn)營情況確定，得到如下排序：上部結(jié)構(gòu)＞下部結(jié)構(gòu)＞橋面系＞附屬設(shè)施，記為：B1＞B2＞B3＞B4＞；評(píng)價(jià)指標(biāo)的下屬層按上述重要性排序關(guān)系確定，即第三層分別記為：C1、C2、C3、C4、C5。

在上部結(jié)構(gòu)下層，即C1層包含2 個(gè)指標(biāo)，確定的重要性關(guān)系為：主梁＞加固措施，記為：C11＞C12。

在下部結(jié)構(gòu)下層，即C2層包含4 個(gè)指標(biāo)，確定的重要性關(guān)系為：墩身＞蓋梁＞基礎(chǔ)＞支座，記為：C21＞C22＞C23＞C24。

在橋面系下層，即C3層包含4 個(gè)指標(biāo)，確定的重要性關(guān)系為：橋面鋪裝＞伸縮縫＞護(hù)欄＞排水設(shè)施，記為：C31＞C32＞C33＞C34。

在附屬設(shè)施下層，即C4層包含4 個(gè)指標(biāo)，確定的重要性關(guān)系為：橋墩防撞裝置＞限位裝置＞交通標(biāo)線＞交通標(biāo)志牌，記為：C41＞C42＞C43＞C44。

計(jì)算各單層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：在橋梁各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性程度比較值的基礎(chǔ)上，按照G1法對(duì)各單層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。各構(gòu)件權(quán)重的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

2.2.2 客觀賦權(quán)法——熵值法計(jì)算權(quán)重

通過熵值法確定橋梁各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，依然邀請(qǐng)用G1法計(jì)算權(quán)重時(shí)的三位專家參加評(píng)分，可計(jì)算得到B層各指標(biāo)的得分值Xk，即可得B層各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 橋梁B 層評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.2.3 指標(biāo)最終權(quán)重的確立

在用G1法和熵值法分別計(jì)算出指標(biāo)主、客觀權(quán)重后，計(jì)算指標(biāo)的最終權(quán)重，見表3。

表3 指標(biāo)最終權(quán)重表

3 橋梁整體狀態(tài)指數(shù)評(píng)分值

在確定橋梁各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重后，結(jié)合各指標(biāo)的三位專家的平均得分，即可得到橋梁整體狀態(tài)指數(shù)評(píng)分值。

3.1 橋梁部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算

水口高架橋現(xiàn)澆箱梁部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)指數(shù)值如表4所示。

表4 水口高架橋現(xiàn)澆箱梁部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)指數(shù)

3.2 橋梁整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算

在得到部件B1～B4結(jié)構(gòu)狀態(tài)指數(shù)值的基礎(chǔ)上，計(jì)算水口高架橋現(xiàn)澆箱梁整體技術(shù)狀態(tài)指數(shù)，權(quán)重分別為0.4419、0.3084、0.1313、0.1184；結(jié)構(gòu)指數(shù)分別為7.419、7.581、8.178、7.673，橋梁整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)指數(shù)為7.5987。

由計(jì)算結(jié)果知：7.9 ＞I=7.5987 ＞6.3，即水口 高架橋現(xiàn)澆箱梁的一級(jí)重要構(gòu)件沒有嚴(yán)重?fù)p壞，根據(jù)并行綜合評(píng)定方法，水口高架橋現(xiàn)澆箱梁整體技術(shù)狀態(tài)列為二類，工作狀態(tài)較好。

3.3 舊橋擴(kuò)寬后結(jié)構(gòu)耐久性分析

3.3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)定。本文取舊橋上部結(jié)構(gòu)、舊橋下部結(jié)構(gòu)、舊橋橋面系、舊橋附屬設(shè)施、新橋上部結(jié)構(gòu)、新橋下部結(jié)構(gòu)、新橋橋面系、新橋附屬設(shè)施。

橋梁拓寬后原有結(jié)構(gòu)將成為一個(gè)新結(jié)構(gòu)，本文將新舊橋?qū)τ谛陆Y(jié)構(gòu)耐久性的重要程度看作是同等的，新舊橋的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系和附屬設(shè)施對(duì)結(jié)構(gòu)的重要程度是一致的，不同構(gòu)件的重要程度依次為：上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系和附屬設(shè)施。對(duì)影響橋梁耐久性的各個(gè)部件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

[舊橋上部結(jié)構(gòu)舊橋下部結(jié)構(gòu)舊橋橋面系舊橋附屬設(shè)施]；

[舊橋上部結(jié)構(gòu)舊橋下部結(jié)構(gòu)舊橋橋面系舊橋附屬設(shè)施]；

一級(jí)綜合評(píng)價(jià)計(jì)算，關(guān)系矩陣為：

評(píng)價(jià)結(jié)果為：

對(duì)B進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到：

3.3.2 擴(kuò)寬后橋梁整體模糊可靠度分析

為了與我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)保持一致，采用劃分等級(jí)的方法對(duì)橋梁的耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將改造后橋梁的耐久性評(píng)價(jià)與橋梁的養(yǎng)護(hù)、加固聯(lián)系起來，使其具有可操作性，評(píng)價(jià)等級(jí)是指被評(píng)價(jià)因素對(duì)屬于各評(píng)價(jià)等級(jí)的程度。對(duì)該橋耐久性評(píng)價(jià)采用五個(gè)等級(jí)：V={V1,V2,V3,V4,V5}。根據(jù)非對(duì)稱貼近度法對(duì)該橋整體模糊可靠度進(jìn)行計(jì)算：

其中N(B,D1)最大，故改擴(kuò)建拓寬后水口高架橋現(xiàn)澆箱梁新舊橋整體耐久性評(píng)價(jià)為一級(jí)，對(duì)應(yīng)新舊橋整體技術(shù)狀態(tài)評(píng)定為一類，工作狀態(tài)較好。

4 結(jié)語

此研究主要針對(duì)軟土地區(qū)改擴(kuò)建拓寬后混凝土橋梁的特點(diǎn)，以橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)定基本理論為依據(jù)，以層次分析法為基礎(chǔ)，建立適合于類似工程背景的混凝土橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)定模型。同時(shí)將該評(píng)定模型實(shí)際應(yīng)用于軟土地區(qū)拓寬后橋梁工程的耐久性評(píng)價(jià)中，取得較好的評(píng)定效果，反映了橋梁結(jié)構(gòu)真實(shí)的使用狀況。