Yaahp軟件在橋梁健康監測評價中的應用

盧秀麗

(蘇州市建設工程質量檢測中心有限公司,江蘇 蘇州 215000)

0 引言

隨著橋梁建造完成并投入使用,因受到車輛荷載作用及自然環境氣候的影響,橋梁必定會出現不同程度的損傷[1]。為及時掌握橋梁損傷狀況,防止橋梁垮塌等嚴重工程安全事故的發生,應及時掌握城市橋梁的運營及健康情況,并對橋梁做出科學、合理的檢測評估判斷[2]。20世紀80年代以來,國內外專家學者對橋梁安全性開展了廣泛的研究,先后提出了層次分析法、神經網絡分析法、灰色理論分析法、模糊綜合評價法等[3],本文在相關調研成果的基礎上,選取上部結構、下部結構、橋面系為一級指標,選取沉降(主梁豎向位移)、主梁關鍵截面應變、主梁豎向振動加速度、裂縫、巡視檢查、橋墩豎向位移、高墩墩頂位移、橋墩頂部縱向振動加速度、伸縮縫等為二級指標,設計構建了基于梁式橋的橋梁健康監測評價模型,以期為國內橋梁健康監測評價提供參考和借鑒。

1 層次分析法概述

層次分析法簡稱AHP,是美國運籌學家Saaty在20世紀70年代初提出的一種定性與定量相結合的多目標決策分析技術[4-6]。該技術方法原理簡單,在橋梁技術狀況評估領域被廣泛應用,其基本原理是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次,并將各因素形成有序的遞階層次結構,將決策者的經驗進行量化,由領域專家或者是權威決策者對選出的指標按照重要程度進行兩兩比較。利用計算判斷矩陣的特征向量確定下層指標對上層指標的貢獻程度或權重,從而得到最基層指標對于總體目標的重要性權重排序,為最佳方案的選擇提供依據[7-8]。它的實質是一種思維模式,首先通過把實際問題分解成多個因素,建立層次結構,再比較各因素間的相對重要性,通過矩陣運算,確定各方案的優劣程度,最后作出最優決策。

2 層次分析法在橋梁健康監測評價中的應用

2.1 橋梁健康評估模型建立

因為評估理論及評估方法不同,橋型多樣,評估模型有不同的建立原則。針對蘇州市政橋梁梁式橋的數量相對占比較大,因此本次研究主要對梁式橋進行分析。層次分析法將橋梁結構整體分割成相對獨立的部分,按各自的指標分塊評估,再用適當的標準聚合成整體。本文主要研究基于監測技術的市政橋梁層次分析法,參考行業標準JTG/T H21—2011公路橋梁技術狀況評定標準[9]和JT/T 1037—2012公路橋梁結構監測技術規范[10]中對于橋梁部件的劃分和監測項目的規定,此次評估按部件來進行一級指標的劃分,分為上部結構、下部結構、橋面系,二級指標同時結合人工檢查與設備監測,關注關鍵位置、關鍵項目,建立如表1所示的層次模型。

表1 基于監測技術的橋梁狀況評估模型

2.2 構造成對判斷矩陣

成對判斷矩陣是指針對上一目標層,來計算本層中與之相關的因素間的相對重要性。由于實際問題的復雜性或事物間本身屬性的不同,各事物間不具備嚴格意義上的可比性,因此重要性程度通過抽象意義上的語言進行描述,例如同等重要、稍重要、更重要、遠遠重要等語言表達某事物比另一事物重要性程度,把重要性程度附值于數字1,3,5,7,9等,組成的矩陣為1—9標度矩陣[11],例如成對判斷矩陣A:

本研究通過專家打分的形式,對成對判斷矩陣中的因素賦值取平均值,則得出本次研究的成對矩陣,如表2—表5所示。

表2 總目標層下指標層各因素比較

表3 上部結構指標下各因素比較

表4 下部結構指標下各因素比較

表5 橋面系指標下各因素比較

2.3 層次單排序及一致性檢驗

以上述表格中的總目標層與中間層的矩陣為例進行層次單排序,本次研究使用Yaahp軟件對權重的計算進行簡單化處理。

Yaahp軟件中是一款元決策程序,基于層次分析法為決策過程提供模型構造、計算和分析,此前已被學者和研究人員在多個領域用于目標分析、輔助決策,如目標篩選、權重確定等。根據建立的評估模型,使用Yaahp軟件建立基于監測技術的橋梁狀況評估模型,如圖1所示。

在Yaahp軟件中輸入對應的層級關系和成對比較矩陣的比較數值,操作界面如圖2—圖5所示。

利用Yaahp進行計算,得出結果分別為:

總目標層λmax=3.000,CR=0;

上部結構準則層λmax=5.270 2,CR=0.060 3;

下部結構準則層λmax=5.377 6,CR=0.084 3;

橋面系準則層λmax=3.053 6,CR=0.051 6。

顯示CR<0.1,一致性檢驗通過,通過層次分析法計算得到的權重值如圖6所示,整理成表格,見表6。

表6 基于監測技術的橋梁技術狀況評估權重表

從表6可以看出,在橋梁健康監測評價設置的13個影響因素中,權重占比前三名的分別是主梁豎向位移、橋墩豎向位移、高墩墩頂位移。橋梁健康監測評價權重條形圖如圖7所示。

3 結語

本文介紹了層次分析法的基本概念,建立了橋梁健康監測評價模型,并利用Yaahp軟件以定量和定性相結合的方式,確定了各評價指標的權重,具有較強的可操作性,拓展了橋梁健康監測評價的新路徑,提高了評價效率,有利于城市中小型梁式橋的標準化評估,為橋梁健康監測評價提供了便捷的手段。

考慮到橋梁形式多樣,橋梁健康監測在監測內容、監測方法等方面的差異,不同橋梁在評價模型的構建過程中,需從實際出發結合橋梁特點對指標進行選取優化,以準確反映橋梁的健康狀況,評價過程中尚需結合監測實況調整和改進指標體系,使其能夠及時科學地反映橋梁健康狀況和變化趨勢。