基于物元分析的簡支梁橋結(jié)構(gòu)耐久性評估

基于物元分析的簡支梁橋結(jié)構(gòu)耐久性評估

北京有300多條采用鋼筋混凝土（rc）的簡條橋。其中，許多橋梁在超載和環(huán)境的影響下遭受不同程度的破壞，必須盡快評估、決策和處理。在遵循現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》、參考建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估研究成果的基礎(chǔ)上,本文建立了在用鋼筋混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)綜合評估方法。本方法包括:①從耐久性損傷、安全性(即承載力)和適用性(即剛度)三個(gè)方面進(jìn)行評估;②根據(jù)層次分析法的原理,建立多層次的綜合評估模型;③確定評估模型中指標(biāo)、子指標(biāo)的評估分級標(biāo)準(zhǔn);④確定評估模型中各項(xiàng)目、指標(biāo)及子指標(biāo)初始權(quán)重;⑤從評估模型的底層逐層評估:根據(jù)物元分析的理論,引入關(guān)聯(lián)度的概念,并采用變權(quán)評估;除底層外,每一層的評估以下一層評估結(jié)果為基礎(chǔ),最后得到簡支梁橋結(jié)構(gòu)耐久性損傷、安全性和適用性現(xiàn)狀等級;⑥根據(jù)評定的等級,決定采取的處理措施。1評估模型RC簡支梁橋多層次評估模型包括目標(biāo)層、項(xiàng)目層和指標(biāo)層(耐久性損傷的評估還包括子指標(biāo)層),如圖1、圖2和圖3所示。1.1綜合評估的目標(biāo)以橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性損傷、安全性和適用性作為綜合評估的目標(biāo)。從這三個(gè)方面進(jìn)行評估,可以充分利用現(xiàn)行規(guī)范(規(guī)程)的規(guī)定,并借鑒建筑結(jié)構(gòu)評估的研究成果,使評估結(jié)果更合理。1.2連接梁、蓋梁、墩臺、和支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性評估根據(jù)簡支梁橋的結(jié)構(gòu)組成和受力特點(diǎn),將其上部結(jié)構(gòu)的橫向連接、主(板)梁、蓋梁、墩臺、和支座五部分作為評估項(xiàng)目(本文對橋梁可靠性有直接影響的橋梁結(jié)構(gòu)地上部分進(jìn)行評估,不包含橋面鋪裝損傷和橋梁附屬設(shè)施的損傷)。1.3指標(biāo)層1.3.1耐久性損傷指標(biāo)根據(jù)對北京地區(qū)多座簡支梁橋的現(xiàn)場調(diào)查和檢測,確定耐久性損傷指標(biāo)為:混凝土裂縫(不含順筋裂縫)、混凝土腐蝕、鋼筋銹蝕和保護(hù)層損傷(含順筋裂縫),其中混凝土裂縫和混凝土腐蝕包含子指標(biāo)。1.3.2安全指數(shù)根據(jù)不同構(gòu)件的受力特點(diǎn),選取相應(yīng)等效承載力(受彎、受剪和受壓)的降低率作為構(gòu)件安全性評估指標(biāo)。1.3.3適用性指標(biāo)采用主梁等效剛度降低率作為適用性評估的指標(biāo)。2評估、內(nèi)涵和對策將橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性損傷、安全性和適用性現(xiàn)狀分為四個(gè)等級,各等級的涵義及對策見表1～表3。3評估和分類基準(zhǔn)包括子指標(biāo)、分支和水平連接3.1環(huán)境保護(hù)指標(biāo)3.1.1混凝土裂縫受力裂縫和非受力裂縫對橋梁結(jié)構(gòu)的影響不一樣,本文采用不同的評估標(biāo)準(zhǔn)。3.1.2混凝土腐蝕混凝土腐蝕指混凝土的液相腐蝕,主要表現(xiàn)為混凝土因溶出性腐蝕而形成的表面白斑和混凝土截面的損傷。3.1.3鋼筋腐蝕根據(jù)鋼筋的截面損失率,確定鋼筋銹蝕程度的評估標(biāo)準(zhǔn)。3.1.4裂縫強(qiáng)度的確定根據(jù)保護(hù)層順筋裂縫寬度,確定保護(hù)層損傷的評估標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)保護(hù)層脫落時(shí),可酌情取裂縫寬度為6～8mm進(jìn)行評估。上述各耐久性損傷指標(biāo)的評估標(biāo)準(zhǔn)見表4。3.1.5安裝損壞支座損傷程度難以定量確定。本文根據(jù)支座損傷狀況,對支座進(jìn)行評分,評分標(biāo)準(zhǔn)見表5。3.1.6橫向連接評分橫向連接損傷程度也難以定量確定。根據(jù)橫向連接的損傷狀況,對橫向連接進(jìn)行評分,標(biāo)準(zhǔn)見表6。橫向連接損傷使主(板)梁共同工作性能降低,用橋梁的整體性系數(shù)γ表示,評估標(biāo)準(zhǔn)見表6。3.2考慮梁荷載效應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)對各評估項(xiàng)目采用相同標(biāo)準(zhǔn),并嚴(yán)格控制一級和二級的標(biāo)準(zhǔn)、放寬三級和四級的標(biāo)準(zhǔn)。簡支梁橋安全性指標(biāo)評估分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。橫向連接損傷使主(板)梁荷載效應(yīng)增大,用等效承載力降低率αD作為參數(shù)度量橫向連接損傷對安全性的影響,用下式計(jì)算*:αD=1-γ+γα(1)式中,α為主(板)梁承載力降低率。受彎承載力降低率主要根據(jù)縱筋與混凝土之間粘結(jié)破壞的程度及鋼筋截面面積損失率確定,計(jì)算方法可參考文獻(xiàn);受壓和受剪承載力降低率計(jì)算方法可參考有關(guān)文獻(xiàn)。由于橫向連接的損傷對蓋梁和墩臺等構(gòu)件的影響不大,所以計(jì)算相應(yīng)構(gòu)件的等效承載力降低率αD時(shí),均取γ等于1,即αD=α。3.3剛度下降率的計(jì)算適用性指標(biāo)評估分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。用等效截面剛度降低率βD作為參數(shù)度量橫向連接損傷對適用性的影響,用下式計(jì)算:βD=1-γ+γβ(2)式中,β為主(板)梁截面剛度降低率,計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)。4評估方法4.1初始權(quán)重的確定根據(jù)層次分析法原理,構(gòu)造判斷矩陣并求解,得到評估模型中各層次元素相對各評估目標(biāo)的權(quán)重,即初始權(quán)重。計(jì)算結(jié)果示于圖1、圖2和圖3,圖中數(shù)字為百分?jǐn)?shù),分別以各評估目標(biāo)為100得到的權(quán)重。4.2指標(biāo)層評估4.2.1評估x0j分級對沒有下級元素的指標(biāo)(或子指標(biāo),包括支座和橫向連接,下同),將實(shí)測值或評估值代入下列關(guān)聯(lián)函數(shù)式進(jìn)行計(jì)算,得到該指標(biāo)對各等級的關(guān)聯(lián)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)——某元素下屬的評估指標(biāo)i對j等級的關(guān)聯(lián)度,j為一、二、三、四級;ρ(xi,x0ji)——表示xi與實(shí)區(qū)間x0ji之距;ρ(xi,xpi)——表示xi與實(shí)區(qū)間xpi之距;xi——評估指標(biāo)i的實(shí)測值或評估值;x0ji——評估指標(biāo)i相對j等級的評估分級標(biāo)準(zhǔn);xpi——評估指標(biāo)i的取值范圍。設(shè)x0ji=(a,b),ρ(xi,x0ji)采用如下形式:對一級:ρ(xi,x0ji)=(xi-b)/2(4)對二級和三級:ρ(xi?x0ji)={a?xixi≤a+b2xi?bxi≥a+b2(5)ρ(xi?x0ji)={a-xixi≤a+b2xi-bxi≥a+b2(5)對四級:ρ(xi,x0ji)=(a-xi)/2(6)ρ(xi,xpi)采用式(5)的形式。4.2.2初始權(quán)重的確定為考慮不同損傷程度的指標(biāo)(或子指標(biāo))對評估結(jié)果的不同貢獻(xiàn),評估時(shí)采用變權(quán)評估,即采用修正權(quán)重。修正權(quán)重等于初始權(quán)重和信息權(quán)重的乘積,其中信息權(quán)重反映了指標(biāo)損傷程度不同對評估結(jié)果的不同貢獻(xiàn):損傷嚴(yán)重,信息權(quán)重大;損傷輕,信息權(quán)重小。假設(shè)某指標(biāo)i的實(shí)測值為xi,評估標(biāo)準(zhǔn)最大值為ximax,取該指標(biāo)的信息權(quán)重W′i為:W′i=(0.1+0.9xi/ximax)(7)設(shè)該指標(biāo)的初始權(quán)重為W0i,則取修正權(quán)重Wi為:Wi=W0i·W′i=W0i(0.1+0.9xi/ximax)(8)由式(8)可知,當(dāng)指標(biāo)實(shí)測值等于評估標(biāo)準(zhǔn)最大值時(shí),對應(yīng)權(quán)重即為初始權(quán)重;當(dāng)指標(biāo)實(shí)測值大于評估標(biāo)準(zhǔn)最大值時(shí),對應(yīng)權(quán)重大于初始權(quán)重;當(dāng)指標(biāo)實(shí)測值小于評估標(biāo)準(zhǔn)最大值時(shí),對應(yīng)權(quán)重小于初始權(quán)重;特別地,當(dāng)指標(biāo)完全沒有損傷時(shí),對應(yīng)權(quán)重僅為初始權(quán)重的1/10。各包含子指標(biāo)的指標(biāo)的評估結(jié)果建立在其子指標(biāo)評估結(jié)果的基礎(chǔ)之上,指標(biāo)對各等級的關(guān)聯(lián)度等于其各個(gè)子指標(biāo)對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值,其中權(quán)重采用各子指標(biāo)的修正權(quán)重。4.3對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)計(jì)算在指標(biāo)層評估的基礎(chǔ)上,構(gòu)件(即相應(yīng)的評估項(xiàng)目,如主梁、蓋梁等)對各等級的關(guān)聯(lián)度為其各指標(biāo)對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值。對不包含子指標(biāo)的指標(biāo),其修正權(quán)重按式(8)計(jì)算;對包含子指標(biāo)的指標(biāo),其修正權(quán)重等于各子指標(biāo)修正權(quán)重之和。當(dāng)簡支梁橋的某一類構(gòu)件有多個(gè)時(shí),該類構(gòu)件對各等級的關(guān)聯(lián)度為各個(gè)構(gòu)件對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值。構(gòu)件的修正權(quán)重等于該構(gòu)件各評估指標(biāo)修正權(quán)重之和。4.4各組成構(gòu)件的修正權(quán)重各目標(biāo)對各等級的關(guān)聯(lián)度等于相應(yīng)評估項(xiàng)目對該等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值,各類組成構(gòu)件的修正權(quán)重等于該類構(gòu)件修正權(quán)重的平均值。目標(biāo)等級取為最大關(guān)聯(lián)度所對應(yīng)的等級。4.5檢測、評估、處理在用RC簡支梁橋結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀綜合評估前,應(yīng)對結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀進(jìn)行檢測。評估流程見圖4。對上述評估方法和評估流程的幾點(diǎn)說明如下:①當(dāng)橋梁為多跨簡支梁橋時(shí),應(yīng)對每一跨分別評估。②當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的某一評估項(xiàng)目或某一構(gòu)件的損傷較嚴(yán)重時(shí),可僅對該評估項(xiàng)目或構(gòu)件進(jìn)行評估。③當(dāng)橋梁有堿骨料反應(yīng)疑跡時(shí),應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)檢測、評估、處理。④實(shí)際操作中,可以先對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性損傷評估,當(dāng)耐久性損傷等級為一級時(shí),不必再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全性和適用性評估,橋梁只需正常養(yǎng)護(hù)。⑤在對橋梁各構(gòu)件進(jìn)行安全性評估時(shí),應(yīng)根據(jù)橋梁受力、配筋和耐久性損傷情況選擇危險(xiǎn)截面,以危險(xiǎn)截面的承載能力降低率作為構(gòu)件的承載能力降低率。⑥在對橋面梁進(jìn)行適用性評估時(shí),可取構(gòu)件彎矩較大范圍內(nèi)(如跨中兩側(cè)各1/4跨范圍內(nèi))損傷最嚴(yán)重的截面估算其剛度降低率。⑦對于安全性和適用性顯著降低的重大橋梁,由于加固、大修費(fèi)用大,或加固施工嚴(yán)重影響交通時(shí),可根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》,通過荷載試驗(yàn)確定橋梁的安全性和適用性,對橋梁現(xiàn)狀作出更符合實(shí)際的評估。⑧由于設(shè)計(jì)等原因,橋梁可能有高于設(shè)計(jì)要求的安全儲備。橋梁的實(shí)際承載力可根據(jù)其結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀采用現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和本文的方法進(jìn)行估算。挖掘橋梁承載能力的潛力或提高其荷載等級時(shí),應(yīng)慎重,對于重大橋梁,宜進(jìn)行荷載試驗(yàn)。5低價(jià)值馬家堡橋以原馬家堡橋的一塊橋面板梁不考慮橋梁整體性系數(shù)為例說明評估方法和評估過程。原馬家堡橋建于1964年,為3跨簡支板梁跨河橋,每跨7根梁。橋下河水污染嚴(yán)重。由于受到環(huán)境和人為因素的作用,損傷嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為:保護(hù)層剝落、鋼筋嚴(yán)重銹蝕、外露甚至在很長范圍內(nèi)與混凝土完全脫離。5.1賠償損失的評估5.1.1棗核型裂縫實(shí)測板梁耐久性損傷指標(biāo)如下:彎曲(受力)裂縫:0.1mm;棗核形裂縫:無;腹板斜裂縫:無;混凝土面積腐蝕(表面白斑)率:無;鋼筋銹蝕率(跨中):10%;順筋裂縫:保護(hù)層脫落很嚴(yán)重,取裂縫寬度為8mm。5.1.2混凝土腐蝕和鋼筋腐蝕關(guān)聯(lián)度彎曲裂縫對一、二、三、四級各等級的關(guān)聯(lián)度為0,0,-0.67和-0.75;棗核形裂縫對各等級的關(guān)聯(lián)度為1,-1,-1和-1;腹板斜裂縫對各等級的關(guān)聯(lián)度為1,-1,-1和-1;混凝土腐蝕對各等級的關(guān)聯(lián)度為1,-1,-1和-1;鋼筋銹蝕對各等級的關(guān)聯(lián)度為-0.31,-0.33,1和-0.2;順筋裂縫對各等級的關(guān)聯(lián)度為-1,-1,-1和1。彎曲裂縫的信息權(quán)重為0.19,修正權(quán)重為0.167;棗核形裂縫的信息權(quán)重為0.1,修正權(quán)重為0.088;腹板斜裂縫的信息權(quán)重為0.1,修正權(quán)重為0.088?；炷亮芽p的評估建立在三者評估結(jié)果的基礎(chǔ)上,對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為0.513,-0.513,-0.838和-0.878。5.1.3修正權(quán)重的確定混凝土裂縫的修正權(quán)重為彎曲裂縫和縱向裂縫修正權(quán)重之和,等于0.343?；炷粮g、鋼筋銹蝕和順筋裂縫的修正權(quán)重分別為0.469,9.163和17.353。板梁耐久性損傷對各等級的關(guān)聯(lián)度等于板梁評估指標(biāo)對各等級關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均值,分別為-0.715,-0.770,-0.327和0.540。板梁耐久性損傷等級為四級。5.2安全評估5.2.1局部保壓損傷由計(jì)算,板梁受彎承載力降低率為15%。忽略因局部保護(hù)層損傷對板梁截面的影響,板梁彎起鋼筋基本沒有損傷,板梁受剪承載力的降低率為0。5.2.2指標(biāo)評價(jià)受彎承載力對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為-0.538,-0.667,0和0;受剪承載力對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為1,-1,-1和-1。5.2.3修正權(quán)重受彎承載力的修正權(quán)重為12.919,受剪承載力的修正權(quán)重為1.667。板梁安全性對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為-0.402,-0.705,-0.114和-0.114。板梁安全性等級介于三級和四級之間。5.3適用性評估5.3.1指標(biāo)計(jì)算由計(jì)算,板梁受彎剛度的降低率為6%。5.3.2指標(biāo)評價(jià)板梁受彎剛度對各等級的關(guān)聯(lián)度分別為-0.294,-0.143,0.200和-0.429。5.3.3梁適用性各等級關(guān)聯(lián)度板梁適用性僅含板梁受彎剛度降低率一個(gè)指標(biāo),所以板梁適用性對各等級的關(guān)聯(lián)度等于板梁受彎剛度降低率對各等級的關(guān)聯(lián)度,分別為-0.294,-0.143,0.200和-0.429。板梁適用性等級為三級。5.4處理方法根據(jù)上述評估結(jié)果,該板梁是不安全的,應(yīng)立即加固或替換。6評估結(jié)論分析本文將物元分析理論引入層次分析法,對在用鋼筋混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行評估。評估方法具有如下特點(diǎn):①考慮到各等級之間以及各評估項(xiàng)目、指標(biāo)相對重要性的模糊性,通過專家經(jīng)驗(yàn)給出各等級的范圍和相對重要性程度,將不確定的指標(biāo)量化,便于評估。②考慮到分級標(biāo)準(zhǔn)本身的模糊性,通過計(jì)算指標(biāo)對各等級的隸屬程度即關(guān)聯(lián)度,在比較中進(jìn)行評估:關(guān)聯(lián)度取值范圍為[-1,1],下限表示完全不屬于某等級,上限表示完全屬于某等級。③為考慮不同損傷(或降低)程度的指標(biāo)(或子指標(biāo))對評估結(jié)果的不同貢獻(xiàn),評估時(shí)采用變權(quán)評估。④本文的評