基于灰色關聯法的自然環境對西藏橋梁病害的研究

張婭婷，梁錦浩，侯升起

（西藏大學工學院，西藏 拉薩 850000）

1 引言

橋梁是公路基礎設施的重要組成部分，橋梁的生命周期中，不僅僅要承受車輛行人等荷載，還要受到自然環境的嚴酷考驗[1]，對人們的出行安全構成威脅。科學的分析自然環境對西藏橋梁病害部位的影響，對今后西藏地區橋梁養護和管理具有重要的指導意義。

目前，已有不少國內外學者就自然環境對橋梁病害問題做了深入研究。宋春霞等人提出水中樁基礎病害的預防應從設計、施工以及養護等方面出發防治病害[2]。解玉俠等人應用了多元分析的方法，分析自然環境對橋梁病害的影響[3]。張鵬等人通過對鹽堿地區的橋梁進行調查，提出改造、重建橋梁從荷載標準、結構選型、耐久性設計這三方面出發的建議[4]。呂娜娜對141 座在役橋梁病害數據進行分析與整理，總結出主要的病害類型[5]。劉宏偉等人分析橋涵病害與不同氣候、地形、地質之間的關系，總結出青海省常見的橋梁病害類型[6]。

本文利用灰色關聯分析模型，通過對西藏地區22個公路養護段橋梁病害和自然環境的相關性進行分析，為今后西藏地區橋梁養護和管理提供依據。

2 灰色關聯分析法

灰色系統理論是我國著名學者鄧聚龍教授于1982年提出的[7]，該理論所需數據量小，在眾多科學領域廣泛應用[8]。在西藏橋梁病害的分析中，以橋梁病害部位為原始序列，橋梁病害的各個影響因素為比較序列，進行灰色關聯分析。

2.1 確定參考序列與比較序列

（1）選取橋梁組成部分指標

橋梁是道路的重要組成部分，是使車輛行人能夠通行的構筑物。選擇橋梁上部結構、下部結構、附屬構造物病害部位作為橋梁的指標。設為

（2）選取自然環境因素指標

西藏地區特殊的自然環境對橋梁結構的安全性、耐久性以及承載力有很大的影響。根據文獻調研法以及西藏地區實際的情況，本文選取8 個自然環境[3]具有典型意義的指標，分別為高寒、高溫差、太陽輻射、日照長、降雨量、空氣濕度、凍土以及大風。設為

2.2 數據的無量綱化處理

由于各個因素之間計量單位和數量級的不同，無法對各個因素直接計算。采用無量綱化處理數據的方法，常用的無量綱化的處理方法有均值法、極值法、歸一化[9]。本文采用均值化的無量綱化方法，應用公式（1）（2）對參考序列和比較序列進行無量綱化處理[10]：

（1）式中，Zi是比較序列的均值化數列；

i=1,2,...,n;k=1,2,...,m。Xi(k)是比較序列。

（2）式中，Z0是參考序列的均值化數列。X0( k)是參考序列。

2.3 灰色關聯系數計算

（3）式中，ξ0i（k）是原始序列Z0 和比較序列Zi 的灰色關聯系數。為絕對差值。ε為分辨系數，當ε≤0.5463 時，分辨力最好，本文分辨系數ε取0.5。

2.4 關聯度計算

（4）式中ξ0 i(k)是原始序列與比較序列的關聯度；ri是關聯度值，ri的值越接近1，則因素之間的相關性越大。

3 自然環境對橋梁不同部位病害的灰色關聯分析

3.1 確定參考序列與比較序列

西藏地區自然環境因素較多，基于文獻調研法與實地的考情察況，結合數據的代表性與合理性。收集了西藏地區22 個公路[3][10]的自然環境作為比較序列，橋梁病害部位數目作為初始序列。

3.2 數據的無量綱化處理

利用公式（1）（2）使用均值法對自然環境和病害部位的指標進行無量綱化處理，因篇幅有限，得到主要數據的無量綱化表表1。

表1 數據無量綱化處理表

3.3 灰色關聯系數計算

利用公式（4）計算得到橋梁的各個病害部位與自然環境的灰色關聯系數表，對關聯系數取均值進行排序，排序結果如表2 所示。

表2 橋梁各個病害部位結構與自然因素的灰色關聯度表

4 橋梁不同部位病害與自然環境關系的結果分析

通過對橋梁不同部位病害與自然環境的灰色相關性分析，橋梁不同部位的病害與自然環境之間的關系主要從下列三個方面分析。

（1）橋梁上部結構的病害是影響橋梁結構安全性與穩定性的重要指標。通過灰色關聯度分析，得出上部結構的病害主要由凍土、日照長、太陽輻射、高溫差4種自然環境造成的，降雨量、大風對上部結構的病害影響較小。西藏高原高寒、日照時間長、晝夜溫差大，橋梁將會受到反復的凍融循環的侵蝕。因此相關性的分析真實地反映了自然環境對橋梁上部結構的影響。

（2）橋梁下部結構承載上部結構所產生的作用，橋臺、橋墩、基礎是影響橋梁承載力和耐久性的重要部分。通過灰色關聯分析，得出橋梁下部結構的病害主要由空氣濕度、高溫差、降雨量3 種自然環境造成的，高寒、大風對下部結構的病害較小。在橋梁結構耐久性和承載力設計和施工時，考慮對混凝土材料的基本要求以及各種耐久性能，從設計、施工、養護方面提高混凝土橋梁的耐久性和承載力。

（3）橋梁的附屬構造物主要包括防撞墩、欄桿、伸縮縫、燈光照明。通過對自然環境和橋梁不同部位病害關聯性分析，得出橋梁附屬構造物部位的病害主要由高溫差、日照時長、凍土、太陽輻射4 種自然環境造成的，大風對橋梁附屬構造物部位的病害較小。通過對西藏地區實地情況的考察以及文獻調研[11]，發現橋梁伸縮縫受氣溫變化影響較大，出現收縮或者膨脹的現象，與高溫差、日照、凍土、太陽輻射等因素相關性較大，驗證了灰色關聯分析模型的可行性與合理性。

5 結語

通過分析，得出西藏自然環境與當地橋梁病害的有很大的相關性，這也于當地的實際情況相符合，驗證了該方法的可行性與實用性。對提高橋梁承載力和耐久性的設計和施工，不僅要考慮混凝土材料的使用，還要考慮當地自然環境與人為環境等因素的影響。本文可以為今后分析西藏地區橋梁病害作為參考。