軟土地區高速公路改擴建橋梁耐久性分析

盧濤、馬朝輝、佘明星

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

我國部分現有公路橋梁參照20 世紀70 年代或80年代初期的設計標準建造，受限于原設計標準，破損和老化也對其正常使用帶來影響。國內舊橋改擴建的經驗表明，改擴建拓寬工程將是我國未來橋梁建設的重點[1]。本文針對軟土地區改擴建拓寬后混凝土橋梁的特點，以橋梁技術狀態評定基本理論為依據，以層次分析法[2]為基礎，建立適合類似工程背景的混凝土橋梁技術狀態評定模型，為軟土地區橋梁改擴建拓寬后的養護與耐久性評定[3]工作提供技術支持。

1 耐久性研究基本理論

1.1 層次分析法基本原理

層次分析法（AHP）是一種層次權重決策分析方法，根據因素間的相互關聯與影響對底層方案進行權重分析與排序，從而為問題的決策提供依據。橋梁的技術狀態評定工作作為一種復雜的多因素決策問題，將AHP 引入評價過程中，能夠更加系統地分析橋梁技術狀態的影響因素，實現評價過程的層次化和條理化。

1.2 主觀賦權法——G1 法基本理論

盡管層次分析法在評價領域中被廣泛采用，但該方法中判斷矩陣的一致性檢驗是限制其應用的關鍵。序關系分析法（又稱G1法），與AHP 法不同，G1法在計算過程中無須構建判斷矩陣，從而避免一致性檢驗，保證指標間的一致性關系。

1.3 客觀賦權法——熵值法

在實際綜合評價中，為了獲得精度和可信度更高的評價結果，采用多種評價方法相結合的組合評價方法來對決策問題進行分析：在主觀賦權法（G1法）的基礎上，引入有代表性的客觀賦權法——熵值法（entropy method）。熵值法根據各項指標的變異程度分析該指標能夠提供的信息量，從而確定指標的權重。

1.4 主客觀集成組合評價方法

主觀賦權法評價結果主觀傾向性較嚴重；而客觀賦權法以各項評價指標的數據為依據，評價結果受數據波動影響較大。因此，只有在評價模型中對兩類方法進行組合，充分結合兩者的優勢，才能使評價更為科學合理。

2 軟土地區拓寬后橋梁耐久性工程應用研究

2.1 工程概況

開陽高速公路采取雙向四車道，設計速度120km/h，路基寬度28m。根據現場橋梁實際情況，選取水口高架橋左右幅現澆箱梁聯（樁號K3157+866.3—K3157+956.2）進行檢測分析。

拓寬方案為現澆箱梁上部結構拼接加寬利用，拼接寬度為11.5m（左幅）和7.5m（右幅）?？鐝浇M合為左幅（14.365+2×25+25.539）m，右幅（26.331+2×25+13.573）m。上部結構采用預應力混凝土現澆箱梁，梁高與原橋一致，均取1.5m。下部結構采用柱式墩、肋板臺，墩臺均采用樁基礎（見圖1）。

圖1 水口高架橋現澆箱梁拼寬平面布置圖（單位：mm）

新建橋梁上部結構與原有上部結構通過后澆筑拼接段連接，新建下部結構與原有下部結構相互獨立。擴建橋采用等梁高現澆箱梁，通過翼緣拼接。

2.2 舊橋技術狀況評定分析

水口高架橋現澆箱梁聯橋梁拓寬方式為上連下不連，先確定評價指標的重要性排序關系。

2.2.1 主觀賦權法——G1法確立權重

舊橋橋梁技術狀況評定模型包含四個指標：上部結構、下部結構、橋面系、附屬設施。第二層評價指標的重要性序關系根據橋梁的受力特點及橋梁實際運營情況確定，得到如下排序：上部結構＞下部結構＞橋面系＞附屬設施，記為：B1＞B2＞B3＞B4＞；評價指標的下屬層按上述重要性排序關系確定，即第三層分別記為：C1、C2、C3、C4、C5。

在上部結構下層，即C1層包含2 個指標，確定的重要性關系為：主梁＞加固措施，記為：C11＞C12。

在下部結構下層，即C2層包含4 個指標，確定的重要性關系為：墩身＞蓋梁＞基礎＞支座，記為：C21＞C22＞C23＞C24。

在橋面系下層，即C3層包含4 個指標，確定的重要性關系為：橋面鋪裝＞伸縮縫＞護欄＞排水設施，記為：C31＞C32＞C33＞C34。

在附屬設施下層，即C4層包含4 個指標，確定的重要性關系為：橋墩防撞裝置＞限位裝置＞交通標線＞交通標志牌，記為：C41＞C42＞C43＞C44。

計算各單層評價指標的權重：在橋梁各評價指標相對重要性程度比較值的基礎上，按照G1法對各單層評價指標的權重進行計算。各構件權重的計算結果如表1 所示。

2.2.2 客觀賦權法——熵值法計算權重

通過熵值法確定橋梁各評價指標的權重，依然邀請用G1法計算權重時的三位專家參加評分，可計算得到B層各指標的得分值Xk，即可得B層各評價指標權重，計算結果見表2。

表2 橋梁B 層評價指標權重計算

2.2.3 指標最終權重的確立

在用G1法和熵值法分別計算出指標主、客觀權重后，計算指標的最終權重，見表3。

表3 指標最終權重表

3 橋梁整體狀態指數評分值

在確定橋梁各評價指標的最終權重后，結合各指標的三位專家的平均得分，即可得到橋梁整體狀態指數評分值。

3.1 橋梁部件結構狀態指數計算

水口高架橋現澆箱梁部件結構狀態指數值如表4所示。

表4 水口高架橋現澆箱梁部件結構狀態指數

3.2 橋梁整體結構狀態指數計算

在得到部件B1～B4結構狀態指數值的基礎上，計算水口高架橋現澆箱梁整體技術狀態指數，權重分別為0.4419、0.3084、0.1313、0.1184；結構指數分別為7.419、7.581、8.178、7.673，橋梁整體結構狀態指數為7.5987。

由計算結果知：7.9 ＞I=7.5987 ＞6.3，即水口 高架橋現澆箱梁的一級重要構件沒有嚴重損壞，根據并行綜合評定方法，水口高架橋現澆箱梁整體技術狀態列為二類，工作狀態較好。

3.3 舊橋擴寬后結構耐久性分析

3.3.1 模糊綜合評價指標計算

采用二級模糊綜合評價指標對拓寬后橋梁結構進行耐久性評定。本文取舊橋上部結構、舊橋下部結構、舊橋橋面系、舊橋附屬設施、新橋上部結構、新橋下部結構、新橋橋面系、新橋附屬設施。

橋梁拓寬后原有結構將成為一個新結構，本文將新舊橋對于新結構耐久性的重要程度看作是同等的，新舊橋的上部結構、下部結構、橋面系和附屬設施對結構的重要程度是一致的，不同構件的重要程度依次為：上部結構、下部結構、橋面系和附屬設施。對影響橋梁耐久性的各個部件進行評價。

[舊橋上部結構舊橋下部結構舊橋橋面系舊橋附屬設施]；

[舊橋上部結構舊橋下部結構舊橋橋面系舊橋附屬設施]；

一級綜合評價計算，關系矩陣為：

評價結果為：

對B進行標準化處理后得到：

3.3.2 擴寬后橋梁整體模糊可靠度分析

為了與我國現行有關規范和標準保持一致，采用劃分等級的方法對橋梁的耐久性進行評價，將改造后橋梁的耐久性評價與橋梁的養護、加固聯系起來，使其具有可操作性，評價等級是指被評價因素對屬于各評價等級的程度。對該橋耐久性評價采用五個等級：V={V1,V2,V3,V4,V5}。根據非對稱貼近度法對該橋整體模糊可靠度進行計算：

其中N(B,D1)最大，故改擴建拓寬后水口高架橋現澆箱梁新舊橋整體耐久性評價為一級，對應新舊橋整體技術狀態評定為一類，工作狀態較好。

4 結語

此研究主要針對軟土地區改擴建拓寬后混凝土橋梁的特點，以橋梁技術狀態評定基本理論為依據，以層次分析法為基礎，建立適合于類似工程背景的混凝土橋梁技術狀態評定模型。同時將該評定模型實際應用于軟土地區拓寬后橋梁工程的耐久性評價中，取得較好的評定效果，反映了橋梁結構真實的使用狀況。