基于狀態感知數據的城市橋梁技術狀況評定方法★

李 捷 張建升 王建民

(北京中交華聯科技發展有限公司，北京 100101)

0 引言

城市橋梁作為城市交通路網的關鍵節點，其技術狀況的好壞不僅影響到結構自身的安全使用性能及耐久性，也影響到區域交通經濟效益的發揮。由于受到使用環境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為等作用，再加上材料自身性能隨著運營時間的增加不斷退化，往往會導致結構各部分在遠沒有達到設計使用年限之前就產生不同程度的損傷和劣化;這些損傷如果不能及時得到檢(監)測、評定和維修，輕則影響行車安全和縮短使用壽命，重則導致橋梁的突然破壞甚至倒塌。

在整個城市橋梁養護管理環節中，客觀評定橋梁結構的技術狀況對確保城市道路通暢和國民經濟順利發展有著極其重要的理論和現實意義。當前，無論是城市市政工程行業還是公路工程行業，對橋梁結構的技術狀況評定主要是采用定期檢查來進行，具體的行業標準為JTG H11-2004公路橋涵養護規范［1］、JTG H21-2011公路橋梁技術狀況等級評定標準［2］和CJJ 99-2003城市橋梁養護技術規范［3］;定期檢查的一個重要不足之處在于無法實時進行橋梁結構狀態的識別判定，以至于對結構的技術狀況變異現象難以及時掌握進而采用處治對策。近幾年來，相關專業人員及城市橋梁養管單位開始采用實時狀態感知的方法來及時了解橋梁的技術狀況，在這個方法體系中如何應用感知的數據進行城市橋梁技術狀況評定成為一個急需解決的問題。

以狀態感知數據為基礎進行城市橋梁技術狀況評定，主要有三個方面的問題需要解決，一是評定層次結構的劃分;二是各層次指標權重的確定;三是指標評分值的制定和總體技術狀況評定劃分。為此，本文針對這三個方面的問題進行逐一研究，給出一種基于狀態感知數據的技術狀況評定方法。

1 城市橋梁技術狀況評定層次結構模型

建立城市橋梁技術狀況分層評定模型是進行評定的基礎工作，層次設置是否科學合理，直接影響評價結果的準確性;對于城市橋梁狀態感知技術狀況，評定層次的劃分常依照感知部位、感知參數、感知具體指標進行設定。

在進行結構評定時，一般將評定的預定目標或結果作為最高層，也稱為目標層;將目標層所涉及的中間環節中需要考慮的準則作為中間層，中間層有準則和子準則之分，稱為準則層;將實現目標可供選擇的各種措施、決策方案等作為最底層，稱為指標層［4］。以城市橋梁基于狀態感知數據的技術狀況評定為目標層，根據感知參數的類別，其下可設置四個準則層——變形類、應力類、開裂類、振動響應類參數的評定，各準則層下依據不同感知部位分若干子準則層，各子準則層下設置若干與之關聯的具體的感知指標，進而構成了系統的橋梁技術狀況評定遞階層次結構。

圖1 基于狀態感知數據的城市橋梁技術狀況評定層次結構

圖1為典型的城市橋梁結構在以狀態感知數據為基礎進行技術狀況評定時的層次結構劃分模型。

2 各層次中各因素指標權重的確定

1)構造兩兩比較判斷矩陣。

在城市橋梁技術狀況評定遞階層次結構中，設上一層元素C為準則，所支配的下一層元素為u1，u2，…，un對于準則C相對重要性即權重［4］。n個元素之間相對重要性的比較得到一個兩兩比較判斷矩陣為:

其中，aij為第i與第j元素的重要性的度量。

2)單一準則下元素相對權重的計算以及判斷矩陣的一致性檢驗。

求 u1，u2，…，un對于準則 C 的相對權重 ω1，ω2，…，ωn，寫成向量形式即為 W=(ω1，ω2，…，ωn)T。

將判斷矩陣A的n個行向量歸一化后的算術平均值，近似作為權重向量，即:

在計算單準則下權重向量時，還必須進行一致性檢驗。在判斷矩陣的構造中，并不要求判斷具有傳遞性和一致性，即不要求aij·ajk=aik嚴格成立，這是由客觀事物的復雜性與人的認識的多樣性所決定的;但要求判斷矩陣滿足大體上的一致性是應該的。對判斷矩陣的一致性進行檢驗，具體步驟如下:

a.計算一致性指標 C.I.(Consistency Index)。

b.查找相應的平均隨機一致性指標R.I.(Random Index)。表1給出了1階～15階正互反矩陣計算1 000次得到的平均隨機一致性指標。

表1 平均隨機一致性指標R.I.

c.計算一致性比例 C.R.(Consistency Ratio)。

當C.R.＜0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的;當C.R.≥0.1時，應該對判斷矩陣做適當修正。為了討論一致性，需要計算矩陣最大特征根λmax，除特征根方法外，也可用式(5)來進行計算:

3)群組決策方法統計權重。

若通過對判斷矩陣的分析，各位專家的判斷均滿足一致性要求，那么就采用群組決策的加權幾何平均綜合排序向量法計算權重。設各專家的判斷能力相等，則可按照如下公式進行綜合權重計算［5，6］:

其中，s為專家個數。

3 指標評分值的制定和總體技術狀況評定等級劃分

3.1 指標評分值的制定

對于城市橋梁狀態感知系統，基于各類狀態感知參數的技術狀況評價，其評價指標屬于量化實測值范疇。在感知系統中即使為同一類指標，如應變，不同感知部位對其進行評價的內涵也不盡相同，因而對指標評價值的量化是一個比較復雜的問題。

然而，通過對各基層指標的分析，總體上可以通過正常效應值之間的范圍來進行評分，在橋梁感知指標工程量化評估時，對于指標實測值通常可采用如下的評分模型:

其中，x為評估指標數值;xm為評估指標在區域范圍內的最大值;xn為評估指標在區域范圍內的最小值;A為評估值范圍參數，對于百分制，A=100;B為性狀參數，B=0時即為線性處理方法。

對于測試指標為負值的情況，或者正負區間范圍內的情況，一般可用絕對值法進行分值評價。

3.2 總體技術狀況等級劃分

參照JTG/T H21-2011公路橋梁技術狀況評定標準，將橋梁技術狀況根據不同的評分值D劃分為5個評定等級，具體見表2。

表2 橋梁總體技術狀況分類界限

4 評定實例

以一城市道路鋼筋混凝土梁式橋結構為例，該橋共布設3個撓度感知測點、2個位移感知測點、6個混凝土應變感知測點、2個鋼筋應變感知測點、2個混凝土裂縫感知測點、2個加速度感知測點(其中一個用于感知橋梁自振頻率、一個用于感知加速度幅值);根據各感知測點指標的評分值，采用等權重方式進行準則層的評分，結果見表3。

表3 各準則層評分值

準則層指標的權重確定時，以對相關專家問卷調查的判斷矩陣為基礎進行，對6位專家調查的準則層指標的判斷矩陣B1～B6如下:

根據式(2)計算各指標權重，見表4。

表4 準則層指標權重表

由式(5)，一致性檢驗最大值為4.251 8，滿足λmax＜4.267，一致性滿足要求。

由式(6)和式(7)，確定準則層群組決策方法的權重值見表5。

表5 各準則層指標權重值

由表3和表5得，計算技術狀況評分值如下:

由表2可知，該橋技術狀況等級為2類。

5 結語

本文通過建立城市橋梁以狀態感知數據為依據的遞階層次評定結構，分別用層次分析法確定各層在評定體系中的權重，通過數學運算合成各準則層在結構技術狀況評定的權重。

結合群組決策權重和各因素指標評分值，得到反映結構總體技術狀況的評分值，進而確定技術狀況等級，應用結果表明這種方法是一種切實可行的城市橋梁以感知數據為基礎的技術狀況評定方法。

［1］JTG H11-2004，公路橋涵養護規范［S］.

［2］JTG H21-2011，公路橋梁技術狀況等級評定標準［S］.

［3］CJJ 99-2003，城市橋梁養護技術規范［S］.

［4］趙大亮，李愛群.既有公路橋梁評估方法研究現狀［J］.工程抗震與加固改造，2007，29(1)：72-78.

［5］禹智濤，韓大建.既有橋梁可靠性的綜合評估方法［J］.中南公路工程，2003，28(3)：8-12.

［6］陸亞興，殷建軍，姚祖康.橋梁缺損狀況評價方法［J］.中國公路學報，1999(3)：55-61.