橋梁健康狀態模糊綜合評判

李蔚英，賈承輝，李曉健

(1.鄭州大學新校區建設辦公室，河南鄭州450001;2.鄭州大學醫院基建科，河南鄭州450001;3.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450001)

1 橋梁健康狀態模糊綜合評判原則

1.1 概述

近年來，我國交通事業蓬勃發展，公路橋梁建設方興未艾，同時，各地橋梁坍塌事故也時有發生，導致了重大經濟財產損失和人員傷亡，越來越引起社會的廣泛關注。對現有橋梁進行科學評估、維修和保養，努力確保橋梁在其使用期內的安全可靠，同時盡可能在安全的情況下延長其使用年限，這些都是我國交通科技領域內亟需研究并解決的難題之一［1－2］。本文提出了模糊綜合評判的思想及具體參數，其主要適用于鋼筋混凝土板式橋、梁式橋。

1.2 總體思路

運用模糊數學綜合評判橋梁的總體思路大體為:第一，可以把橋梁結構分成三個子系統，它們有相對獨立的功能，分別是上部結構系統、下部結構系統以及附屬結構系統;第二，將各個子系統中的全部構件分別劃分成“健康”和“損傷”兩個等級，相應地在各個子系統內分別進行“構件級健康評判”;第三，通過各個子系統中全部構件健康評判的結果，進行子系統級的健康評判，把子系統劃分為a、b、c和d四個等級;第四，根據模糊數學的方法，按照子系統間的相對重要程度，可以把橋梁的健康狀態判定為A、B、C、D四個等級之中的一個。

根據以上所敘述的綜合評判過程，分別定義其對應子系統的健康等級a、b、c和d為:

a—子系統無損傷點;

b—子系統有損傷點;

c—子系統局部危險;

d—子系統整體危險。

分別定義其對應橋梁最終的健康等級A、B、C、D為:

A—橋梁承載能力滿足正常使用要求，未發現損傷點，橋梁結構安全;

B—橋梁承載能力基本滿足正常使用要求，個別結構構件處于損傷狀態，但不影響主體結構，基本滿足正常使用要求;

C—部分承重結構承載能力不能滿足正常使用要求，局部出現險情，構件局部性損傷;

D—承重結構承載能力已不能滿足正常使用要求，橋梁整體出現險情，整座橋梁處于危險狀態。

1.3 綜合評判一般原則

對橋梁進行健康評判時，首先要對整座橋梁的承重結構構件、地基基礎等的危險程度進行評判，把該評判結果作為基礎，同時兼顧周圍環境影響、歷史因素和發展趨勢，并適當考慮附屬結構的影響，以便作出全面合理的評判［3－4］。

在對橋梁的結構構件和地基基礎危險程度進行判斷時，應從相關和孤立兩個方面考慮它們的危險程度。若結構構件的危險相關，就應該通過聯系結構的危險性判定它的范圍;若結構構件的危險孤立，則橋梁結構系統就不構成危險［5］。

2 構件級健康狀態評判

2.1 構件評判一般原則

在橋梁健康狀態評判中，單個構件的劃分，執行以下規定:

(1)上部結構。

①以每跨范圍內的一片梁或板作為一個構件;

②其它上部結構擁有獨立受力邊界條件的可以作為一個構件。

(2)下部結構。

①以每個支座作為一個構件;

②以每個橋墩作為一個構件;

③以每個橋臺作為一個構件;

④以橋臺或橋墩下的每個基礎作為一個構件。

(3)附屬結構。

①以每條伸縮縫作為一個構件;

②以每跨范圍內的橋面鋪裝作為一個構件;

③以每跨范圍內的護欄作為一個構件;

④以每跨范圍內的排水設施作為一個構件。

2.2 上部結構構件評判

可以按照下列規定對上部結構構件的健康進行評判:

(1)上部結構應該重點檢查的項目包括梁或板的承載能力、連接和構造、側向支承的穩定性、變形以及裂縫、主筋銹蝕情況等。

(2)在對鋼筋混凝土橋的梁或板進行承載力評判時，可以首先對構件鋼筋的化學成分、力學性能和銹蝕情況，混凝土碳化深度和強度等情況進行檢測。由于各種因素的影響會造成混凝土的截面損失，將其扣除后通過實測得到混凝土構件的有效截面值。

(3)如果上部結構出現下列現象一項或者多項，就可評判為損傷狀態。

①梁或板等產生大于L0/150的撓度(L0為計算跨度);

②梁或板等承載力小于作用效應的85%;

③梁或板受力主筋位置產生橫向水平裂縫和斜裂縫，且縫寬超過1.0 mm;

④梁或板由于主筋銹蝕而產生沿主筋方向的裂縫，且縫寬超過1.0 mm，或混凝土保護層嚴重脫落導致露筋，或構件混凝土嚴重缺失損壞;

⑤梁或板的受拉區域裂縫寬度超過1.0 mm;

⑥連續梁、簡支梁跨中部位的受拉區域產生豎向裂縫，其中有一側裂縫向上延伸達到梁高度的2/3以上，且寬度超過0.5 mm，或有剪切斜裂縫發生在支座附近，縫寬超過0.4 mm;

⑦預應力梁或板出現豎向通長裂縫，或端部混凝土松散露筋，且露筋長度達到主筋直徑的50倍以上;

⑧梁或板的有效擱置長度小于設計值的70%;

⑨梁或板混凝土出現碳化、起鼓或酥裂，其破壞截面超過全截面的33%，且主筋外露并銹蝕嚴重，以致截面減小。

2.3 下部結構構件評判

可以按照下列規定對下部結構構件的健康進行評判。

(1)下部結構應該重點檢查的項目包括:基礎與墩或臺連接位置的豎向裂縫、橫向水平裂縫以及斜裂縫等;橋臺的滑移及其地基的穩定、特殊土質變形和開裂;橋墩的傾斜位移狀態;基礎與排柱式橋墩根部連接處的水平裂縫狀態。

(2)如果下部結構出現下列現象一項或者多項，就可評判為損傷狀態。

①地基沉降速率持續兩個月超過5 mm/月，并且在短期內未有終止的趨勢。

②地基不均勻沉降而引起的墩、柱豎向傾斜超過1%;地基不均勻沉降引起上部橋面開裂，且裂縫寬度超過15 mm;地基不均勻沉降幅度(兩點沉降差Δ與其間的水平距離L之比)超過1%。

③橋臺下地基不穩定產生的滑移累計超過10 mm及以上水平位移量，且有跡象表明會繼續滑移。

④墩臺的腐蝕、老化或酥碎，引起結構出現明顯的扭曲、傾斜、移動和裂縫等。

2.4 附屬結構構件評判

可以按照下列規定對附屬結構構件的健康進行評判。

(1)附屬結構應該重點檢查的內容包括:橋面鋪裝、欄桿、伸縮縫和橋面排水系統的現狀;構造完整性和尺寸的變形;蝕損情況等。

(2)如果附屬結構出現下列現象一項或者多項，就可評判為損傷狀態。

①橋面鋪裝出現橫向水平裂縫、豎向裂縫、斜向裂縫、裂紋、防水層漏水、剝落。

②護欄撞壞、松動、錯位、斷裂，混凝土破損、露筋。

③臺背處出現橋頭跳車。

④伸縮縫出現彈塑體隆起、下沉、開裂;橡膠條剝離損壞，錨栓失效，難以修補;后鋪筑料缺損，接頭周圍后鋪筑料剝落、凹凸不平、滲水。

⑤瀝青混凝土橋面出現橫、縱向裂縫，龜裂，松散，滲水，泛油，坑槽。

⑥照明系統標志腐蝕、老化、損壞;

⑦排水設施堵塞，泄水管槽損壞，管體脫落。

3 子結構級綜合評判

3.1 子結構中構件損傷百分比

根據構件劃分標準，將橋梁的各組成部分分成一定數量的構件，確定各子系統構件的總量，并分別確定其損傷構件的數量。

計算下部結構中損傷構件的比例公式為:

式中:Pfdm—下部結構中損傷構件百分數;nd—損傷構件數;n—下部結構構件總數。

計算上部結構中損傷構件的比例公式為:

式中:Psdm—上部結構中損傷構件百分數;ndb—損傷梁數;nds—損傷板數;ndt—損傷側向連接數;nb—子結構中梁總數;ns—子結構中板總數;nt—子結構中側向連接總數。

計算附屬結構中損傷構件的比例公式為:

式中:Padm—附屬結構中損傷構件百分數;nd—附屬結構中損傷構件總數;n—附屬結構構件總數。

3.2 子結構健康狀態的隸屬函數

橋梁三個子結構中任意一個對a級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μa—橋梁子結構對a級健康狀態的隸屬度;p—橋梁子結構損傷構件百分數。

式(4)表示的隸屬度函數模型見圖1。

橋梁子結構對b級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μb—橋梁子結構對b級健康狀態的隸屬度;p—子系統中損傷構件百分數。

式(5)表示的隸屬度函數模型見圖2。

圖1 子結構對a級健康狀態的隸屬函數

圖2 子結構對b級健康狀態的隸屬函數

橋梁子結構對c級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μc—橋梁子結構對c級健康狀態的隸屬度;p—子結構中損傷構件百分數。

式(6)表示的隸屬度函數模型見圖3。

橋梁子結構對d級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μd—橋梁子結構對d級健康狀態的隸屬度;p—子結構中損傷構件百分數。

式(7)表示的隸屬度函數模型見圖4。

圖3 子結構對c級健康狀態的隸屬函數

圖4 子結構對d級健康狀態的隸屬函數

4 整體橋梁健康狀態的隸屬函數

按照模糊數學基本思想，可以建立整體橋梁對不同健康狀態隸屬函數模型。

橋梁對A級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μA—橋梁對A級健康狀態的隸屬度;μaf—下部結構對a級的隸屬度;μas—上部結構對a級的隸屬度;μaa—附屬結構對a級的隸屬度。

橋梁對B級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μB—橋梁對B級健康狀態的隸屬度;μbf—下部結構對b級的隸屬度;μbs—上部承重結構對b級隸屬度;μba—附屬結構對b級的隸屬度。

橋梁對C級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μC—橋梁對C級健康狀態的隸屬度;μcf—下部結構c級的隸屬度;μcs—上部結構c級隸屬度;μca—附屬結構c級隸屬度。

橋梁對D級健康狀態的隸屬函數計算公式為:

式中:μD—橋梁對D級健康狀態的隸屬度;μdf—下部結構d級的隸屬度;μds—上部結構d級隸屬度;μda—附屬結構d級的隸屬度。

最后，可以根據橋梁對不同健康等級的隸屬度，確定整座橋梁的健康狀態:

①若μdf=1，則為D級(整座橋梁屬危橋);

②若μds=1，則為D級(整座橋梁屬危橋);

③若 max(μA，μB，μC，μD)=μA，則綜合判斷結果為 A 級(橋梁正常工作);

④若 max(μA，μB，μC，μD)=μB，則綜合判斷結果為 B 級(橋梁有損傷點);

⑤若 max(μA，μB，μC，μD)=μC，則綜合判斷結果為 C 級(橋梁局部危險);

⑥若 max(μA，μB，μC，μD)=μD，則綜合判斷結果為 D 級(整座橋屬危橋)。

5 實例分析

5.1 工程概況

該工程實例為河南省某市內的一座橋梁，建成于1991年，結構為兩跨18 m預應力鋼筋混凝土空心板，總長度為59 m。橋下河流常年流水，橋位中心處高度15.35 m。橋面設計凈寬為12 m，兩側各有寬2.1 m的人行道，人行道比行車道高出0.31 m。

橋梁中部采用圓端形重力式橋墩，并把橋下的基礎分成兩個部分:上層基礎采用MU20片石混凝土，厚度為1.2 m;下層基礎采用C20鋼筋混凝土，厚度為1.5 m。承載力大小為220 kPa的基座坐落在第四層膨脹性地基土上。選用臺帽C25鋼筋混凝土、臺身MU20片石混凝土的U型重力式橋臺。側墻長度13.5 m，前墻寬16.5 m，外側垂直，內側放坡。采用0.3 m厚、1∶1坡度漿砌片石在側墻外部做護坡處理。

5.2 現場檢測

通過現場檢測，發現在兩橋臺上均有多條明顯的裂縫，這些裂縫有水平向裂縫、豎向裂縫以及斜向裂縫等，大多靠近臺帽附近，裂縫寬度用刻度放大鏡測定在2～16 mm間。南側橋臺有裂縫出現，數量不多，裂縫兩端窄而中間較寬;北側橋臺也出現裂縫，位置多在臺帽的跨中附近，裂縫由上而下，在橋臺臺身上形成豎向較長裂縫。在眾多裂縫中北端橋臺臺身的裂縫最為嚴重，達到最大裂縫寬度16 mm，現場可以用肉眼觀測到西側墻已外凸扭曲，且前墻斜裂縫與西側墻斜裂縫已經貫通，還可以在裂縫處發現有不同程度的白色物質析出。

5.3 模糊綜合評判

根據現場調查結果，按模糊綜合評判方法，得到有關參數如下:

下部結構系統中損傷構件百分數為

上部結構中損傷構件百分數

橋面結構中損傷構件百分數為

于是，得到3個子系統對a，b，c，d四個健康等級的隸屬度分別為

因此，整個橋梁的健康等級隸屬度為

最后，max(μA，μB，μC，μD)=μD，所以整座橋屬危橋。

根據現場工作及實地檢測結果，最終綜合判定該橋屬危橋。

［1］ 廖海峰，黃德義.混凝土橋梁的檢測技術及其新發展述論［J］.武漢交通管理干部學院學報，2000，2(4):26－28.

［2］ 潘松林，張紅陽.公路橋梁檢測概述［J］.城市道橋與防洪，2003(5):5－9.

［3］ 宋建學，袁慧，彭少民.基于出力度的橋梁健康狀態評價［J］.武漢理工大學學報，2007(29):144－147.

［4］ 謝開仲，曾倬信，王曉燕.橋梁工程檢測技術研究［J］.廣西大學學報:自然科學版，2003(S1):208－211.

［5］ 趙永寬，樓斌斌.現代公路橋梁加固與監測［J］.內蒙古公路與運輸，1997(1):1－3.