预应力混凝土梁桥的技术状况评价及预测

2016-11-23王尚爱

工程技术研究 2016年10期

关键词：梁桥状况预应力

王尚爱

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211100）

预应力混凝土梁桥的技术状况评价及预测

王尚爱

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211100）

我国目前对公路交通事业的维护加强了重视，为了让公路交通能够正常运行，必须注意公路中桥梁的技术状况，并采用合理方法予以评定，从而防止伤亡事故的发生。文章建立了预应力混凝土桥梁技术状况评价模型，将扣分值系数和新扣分值用于其中，并基于技术状况评价分数，预测了桥梁的寿命期限，并分析了养护维修在桥梁寿命中的重要作用，希望具有借鉴意义。

预应力；混凝土梁桥；技术状况；评价预测

1 公路桥梁技术状况的评价

公路桥梁技术状况评价主要是针对桥梁结构状态等级的综合评价，涉及到使用功能、承载能力、使用价值等，它可以鉴定桥梁是否还存在设计应用的性能，从而采取措施进行维护。

关于构建评价指标体系，评价指标体系是评判的参考标准。其目的是为了研究桥梁缺损的情况和原因，制定维护方案，并按照技术状况评定结果来将有限的资金应用到最严重的地方。指标体系的构建要保证整个体系要具有科学性、客观性以及可操作性。要符合我国规范，按照桥型分类评定，尽量采用量化指标评定内容，将桥梁体系分为上部、下部以及桥面三部分构建，并充分采用经济便捷的检测要求。桥梁评定可以分为针对上下部结构的横向类以及针对构件和全桥的纵向类。桥梁评定要按照层次分析原理，循序渐进的评价桥梁技术状况，评定初期要保证实测数据的准确性。预应力混凝土梁桥技术状况指标体系如图1所示。具体应用中，要继续细化，例如将C1上部承重结构分为蜂窝、掉角、空洞、混凝土质量等多个指标层。

图1 预应力混凝土梁桥指标体系框架

就评价标准来说，为了保证评价结合的真实性，在制定需要考虑评价对象的特点。保证和我国相关规范一致，按照环境、经济和社会协调发展理论，保证定量或定性标准的详细描述，判别指标时需要对构件病害的范围、尺寸及数量进行定性或定量描述，评价指标要防止定量和定性出现矛盾，如果存在矛盾应该以定量描述为主。评价指标按照严重程度从小到大可以分为三级、四级和五级。

就评定方法来说，我国目前应用的评价方法较多，都存在明显的优势和局限性，所以要根据结构形式、成本条件以及测试要求等综合选取。我国目前在桥梁状况评估上的主要方法是常规评估方法、模糊神经网络法以及层次分析法。

2 预应力混凝土梁桥技术状况评定模型

2.1 模型结构构架

我国目前建立的各种有关桥梁技术状况评价的指标体系，在侧重点和项目包含比重上存在着较大的差异，然而在内容上却较为相同。模型第一层是桥梁技术状况评价，第二层是上上部结构、桥面结构以及下部结构三个部分，三者的桥梁技术状况评价指标中，上部结构主要在桥梁支座以上，它能够按照结构形式以及承重结构材料进行分类，就预应力混凝土来说，有上部承重构件、上部一般构件以及支座。下部结构是桥梁最下部结构，主要有桥墩。桥台等部分。桥面系指的是上部结构中直接承受车辆荷载的并将荷载送到主梁的整个桥面构造系统，主要包括桥面铺装、栏杆、人行道、伸缩缝以及排水系统等。

2.2 指扣分值系数计算

（1）要确定三层指标的权重，按照层次分析法得出了两层之间的权重比值，结果如表1所示。

表1 三层指标权重值

（2）算出第四层指标权重。先要构造判断矩阵，这是层次分析法的关键，能够将影响上部承重构件的同层指标来两两比较从而得出其对第三层指标因素的影响程度，从个人构成判断矩阵，矩阵中的赋值，由相关专家予以提供，将矩阵中各元素按照一到九的比率值两两比较。将矩阵中的数值进行一致性检验，先计算出矩阵特征向量最大值λmax，采用软件MATLAB来进行计算。再计算出一致性指标C1，结果如表2所示，即，然后查找相应的平均随机一致性指标RI，最后通过CI与RI的比值得出一致性比例即CR。如果CR小于0.1，则表明矩阵是符合一致性的，可以通过检验。当矩阵内一致性满足要求后，可以按照公式和来计算出矩阵的权重向量。将上述步骤加以重复汇总可以得出专家权重。

（3）群决策法来确定专家的可信度。先要计算群判断的差异性，应用公式来对专家的权重向量标准差进行计算，k和i分别代表专家代码和构件代码，应用公式将项目标准差求和能够得出该专家对所有评判指标的评判值。将各专家对指标的评分CI得出专家权重向量的标准差和对CI的评判值，重复以上步骤能够得出模型的评判值汇总。将评判值带代入公式将评判值归一化，得出该模型专家对权重判断的差异性系数汇总。另外还要计算群判断的相似性，按照向量夹角余弦公式来对专家权重向量之间的夹角余弦值，然后将夹角带入公式来计算该专家和其他专家之间的相似性之和，也就是向量夹角余弦值的和，最后将相似性的和应用公式归一化，能够得到模型专家判断权重的相似性系数。最后结合专家判断权重的差异性系数和相似性系数能够得出可信度系数。

表2 判断矩阵打分问卷—Cl为例

然后是确定扣分值系数，将专家得出的指标权重值和群决策法的可信度相乘，能够得出该指标的扣分值系数。最后是建立新扣分值表，将第四层对第一层的权重命名为扣分值系数，从而建立预应力混凝土梁桥技术状况模型。

3 预应力混凝土梁桥的寿命期预测

3.1 桥梁寿命预测的理论

使用寿命指的是桥梁在不养护和维修的情况下能够使用的时间，也就是是建筑在建造后，在预定的维修条件和使用条件下，结构的安全性、耐久性和适用性都能满足实际运营年限。然而在实际情况下，桥梁的使用寿命和设计寿命是不同的，所以必须要做好对桥梁寿命的预测工作，因为桥梁在细部构造、施工质量、使用环境和养护频率等改变后都能改变实际使用寿命。因此桥梁的使用寿命一般会少于设计使用寿命。因为使用寿命定义和分类不同，其角度分类和定义也会不同，预应力构建使用寿命的定义和分类方面主要有材料劣化、维修困难、承载力降低等。桥梁的使用时间极大决定桥梁缺陷情况的出现，除此之外，桥梁类型、检测频率、结构设计、养护维修、车辆荷载、车流量、自然灾害等都会对桥梁出现缺陷的时间造成影响。部分桥梁虽然使用年限不足十年，但是也出现了缺陷，主要是因为，设计时选取的保证设计值较低，难以在建成后满足实际需求，导致功能过时太早出现。部分桥梁结构设计因为没有实际经验，导致缺陷容易出现。部分桥梁因为常受到自然灾害和极端天气的影响。桥梁寿命预测主要依靠桥梁体系的承载能力以及桥梁构件的技术状况等，桥梁技术状况评价和结构可靠度联系密切，如果结构可靠度出现问题，桥梁技术状况评价也会出现病害，如果桥梁技术状况评价等级差，结构可靠性也会降低。对桥梁技术状况进行评价来对预测出桥梁寿命有以下优点。首先，数据来源稳定，因为公路桥梁管理部门会对桥梁定期进行技术状况评价，会得到较丰富的数据。其次，数据连续性较好，检测的频率很有保证。最后，具有经济性，承载能力检测需要投入较多的费用，成本较高，难以实际应用。对于公路桥梁寿命预测主要有以下办法：①是经验预测法，主要是应用大量的现场经验和实验数据来评价预测桥梁的使用寿命，但是如果桥梁设计寿命太长，或者自然环境恶劣，这种方式没有实际效果；②比较预测法，它假设混凝土在相同条件下寿命相同，但是其并没有对混凝土的材料、施工质量、环境及荷载进行考虑；③加速试验预测法，它将材料处在较差的环境下，让材料加速劣化，但是这种方式缺乏长期观测数据，只能应用数学手段来建立模型从而预测桥梁寿命；④数学模型预测法，这种方法适用性较好，应用很广泛，但是其准确度容易受到模型的合理性、数值范围等的影响。养护维修策略的制定，需要按照病害原因、程度以及桥梁剩余寿命综合考虑。养护方式可以有正常养护、加固处理以及小修三方面。加固处理一般应用在以下情况。第一，桥梁裂缝宽度超过0.01mm。第二，存在潜在安全隐患，让桥梁的使用质量和寿命都不能保证。采用这种养护方式需要考虑到：桥梁加固的费用，必须要远远低于桥梁的新建费用；持久性，加固处理要延长的设计寿命的20%；是安全性，加固处理不能影响桥梁的正常功能和原有结构。

3.2 工程实例

回归预测是变量X、Y的一种依赖关系，X可以部分决定Y值，但是不能完全决定，Y值还受到其他未被考虑因素的影响，这种未考虑因素即是e值。某工程路段含有预应力混凝土梁桥40座，修建于1995年，其结构皆采用预应力混凝土空心板梁、钢筋混凝土柱式墩台、橡胶支座以及钻孔灌注桩等，在2008年到2013年每年都测出其桥梁技术状况评价，假设桥梁竣工时技术状况评分是100分，桥梁技术状况Y和使用年限X相关，不受其他因素影响。先建立线性回归、指数函数、高斯函数、三角函数等模型，将数据带入模型中，应用MATLAB对曲线拟合，求出模型参数。再选取负相关函数、调整复相关系数、误差平方和以及均方根误差四种模型检验参数。最后是点预测，将2013年的评价数据代入建立的模型中，算出Y的预测值，将预测值和实际值比较，来采用拟合优度较好的模型。各桥的技术状况差异较大，本次排除了拟合误差较大的样本，采用了剩余的桥梁样本进行分析。从而得出路段桥梁从二类桥变成三类桥的时间，为养护维修提供数据支持。