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鋼管混凝土拱橋安全性評價的距離判別模型

文檔作者：路素青文檔來源：黃河科技學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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2011年第5期(總第259期)
Number 5in 2011(TotalNo．259)
混 凝 土
Concrete
理論研究
THEORETICAL RESEARCH
doi：10．3969／j．issn．1002—3550．201 1．05．009
鋼管混凝土拱橋安全性評價的距離判別模型
路素青
(黃河科技學(xué)院，河南鄭州450063)
摘要： 以全橋安全性評價為總體目標(biāo)，在以往橋梁安全性評價方法的基礎(chǔ)上，引入距離判別理論
，并結(jié)合層次分析法，提出了鋼管混凝
土拱橋安全性評價的距離判別方法。從影響鋼管混凝土拱橋安全性的承載能力、承重構(gòu)件損傷以及外觀損傷等3個主要方面進(jìn)行考慮
，分
別建立距離判別安全性評價模型，采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)評價結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和檢驗樣本
，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，獲取專家的經(jīng)驗
知識和直覺思維r建立高度非線性的輸入與輸出的映射關(guān)系。通過仿真得到橋梁承載能力、承重構(gòu)件損傷、外觀損傷以及成橋狀態(tài)下最終
的安全性信息。以一實際橋為例進(jìn)行工程實例分析，分析結(jié)果表明，該方法較好地反映了鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的安全性狀況。
關(guān)鍵詞： 橋梁工程；鋼管混凝土拱橋；安全性評價；距離判別模型
中圖分類號： TU528．01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1002—3550(201 1)05—0024—03
Safety evaluation of concrete filled steel tube arch bridge based on distance discriminant model
LU Su-·qing
(Huanghe Science andTechnologyCollege，Zhengzhou450063，China)
Abstract： In ordertogainthe resultofthe safety assessmentofCFST archbridge，basedonthetraditional safety evaluationmethods， aDistance
Diseriminant Model(DDM)，a safety evaluation method was presented．With consideration of several keyfactors which affect the whole safety
state such as load bearing capability，damage ofbearing component and damaged state of appearance，Distance Discriminant Models were buik
and trained by checking samples gained from the data measured on the spot．Then the experience and instinct thought of experts were gained and
thehighlynonlinear mapping relationshipbetweentheinput and outputfactorswas established．Finally，thewhole safety evaluationofloadbearing
capability，damage of bearing component，dam aged state of appearance and completed state of arch bridge were gotten by the method of simulation．
The resultofsafety evaluationonepracticalBridge showsthatthe approachishighlypotentialandpracticalto evaluatethe safetyoflong—span
concrete filled steel tube arch bridge． ’
Key words： bridge engineering；CFST arch bridge；safety assessment；distance discriminant model
0 引言
鋼管混凝土拱橋在大跨度橋梁的建造方面具有廣闊的發(fā)
展前景?。然而，氣候、環(huán)境等自然因素的影響、日益增加的交通
量的重載作用，以及由于施工質(zhì)量問題和管理不善使已經(jīng)運
行的橋梁存在不同程度的安全隱患，甚至經(jīng)常有類似的事故發(fā)
生 。有鑒于此，為確保橋梁的安全運營，必須對大型橋梁進(jìn)行有
效的綜合監(jiān)測和評估。自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外學(xué)者在橋
梁的安全性評價方面作了大量的研究，提出了眾多安全性評價
方法。如外觀調(diào)查評定法、內(nèi)力驗算評定法、荷載試驗法、專家系
統(tǒng)評定方法、基于可靠度理論評定法、承載力的計算機有限元
模擬評定法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。然而，由于橋梁
結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，存在著諸多不確定性因素，使得上
述各評價方法也相應(yīng)地存在著許多不足之處【引。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
因其自身較強的適應(yīng)性、精確性、魯棒性及高度的概括能力，能
動態(tài)地、自適應(yīng)地從眾多已完工程中提取有用信息，進(jìn)行預(yù)測，
輔助決策，有效地改善了橋梁安全性評價過程和結(jié)果，在BP，
SVM 等職能算法的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的橋梁評價技術(shù)、橋
梁評價計算模型，為橋梁評價工作提供了較好的思路。近年來，
收稿日期：2010—12-25
· 24 ·
在橋梁安全性評價領(lǐng)域中應(yīng)用較多的網(wǎng)絡(luò)模型是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
然而，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有其自身固有的缺陷，如學(xué)習(xí)速度慢，容易
陷入局部最小點，隱層節(jié)點數(shù)的選取無理想的規(guī)則可循，從而
導(dǎo)致無法確定合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。
判別分析法是根據(jù)觀測到的樣本的若干數(shù)量特征對新獲
得的樣本進(jìn)行識別，判斷其所屬類型的一種多元統(tǒng)計方法，近年
來，在自然科學(xué)的很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用M ，但在橋梁領(lǐng)域內(nèi)
的應(yīng)用至今研究較少。本研究根據(jù)判別分析理論的思想，試圖建
立距離判別分析模型對鋼管混凝土拱橋安全I(xiàn)生進(jìn) 介。該模型
選用多項指標(biāo)作為綜合評判的判別因子，并在實際工程中進(jìn)行
運用，取得了良好的效果。
1 距離判別分析法評價模型
判別分析是的基本思想是：樣品距哪個總體距離最近，就判
它屬于哪個總體 。設(shè)總體G= ，x ，?， m) 為m元總體(考察
m個指標(biāo))，樣本 = ， ：，? ， } 。令 E(置)( 1，2，? ，m)，
則總體均值向量為 ，?， } ?？傮wG的協(xié)方差矩陣為：
．Y．~-cov(G) 【(G )(G )T】 (1)
樣本 與總體G的馬氏距離定義為：
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d2(X，G)=( ) (X ) (2)
設(shè)有 個 元總體：G ，G ，? ，G ( >2)其各自的均值向龜
和協(xié)方差矩陣分別為 ，乏(i=1，2，?，k)。對任意給定的m元樣
本 ，? ， ) ，判斷其屬于哪個總體，可以按馬氏距離最
近準(zhǔn)則對X進(jìn)行判別分類。首先計算樣本X到 個總體的馬氏
距離d ( ，G)，(i-1，2，? ， )然后進(jìn)行比較，把樣本 判歸距離
最小的那個總體。設(shè) f時，若：
d2(X，G。)= min {d (X，Gi)} (3)
- I，2． ．k
則樣本 ∈G 。
計算馬氏距離d ( ，G )時，可以用學(xué)習(xí)樣本統(tǒng)計量作為
和三的估計進(jìn)行計算。
2 鋼管混凝土拱橋安全性距離判別評價方法
2．1 判別參數(shù)的確定
橋梁結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，影響橋梁安全性的因素
也很多，包括設(shè)計、施工、材料，使用環(huán)境等。本著全面、典型、易
取和層次關(guān)系明確的原則，并結(jié)合鋼管拱橋結(jié)構(gòu)實際，選取鋼
管拱橋的承載力、主要承重構(gòu)損傷、外觀缺損狀況為評價指標(biāo)，
建立了鋼管拱橋結(jié)構(gòu)安全性評價模型，鋼管拱橋的承載力主要
包括主拱圈承載力、主梁承載力、吊桿或立柱承載力、基礎(chǔ)承載
力；主要承重構(gòu)損傷主要包括主拱圈結(jié)構(gòu)損傷、主梁結(jié)構(gòu)損傷、
吊桿或立柱結(jié)構(gòu)損傷、基礎(chǔ)損傷；外觀缺損狀況主要包括上部
結(jié)構(gòu)缺損狀況、下部結(jié)構(gòu)缺損狀況、連接及支座缺損狀況。各等
級評價指標(biāo)的具體含義如表1所示，其余指標(biāo)參見文獻(xiàn)【8】及相
關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
2．2 距離判別評價模型的建立
鋼管拱橋安全性綜合評價共分3個層次4個子模型，即承
載力評價子模型、結(jié)構(gòu)損傷評價子模型、外觀缺損狀況評價子
模型和綜合評價子模型模塊。每個評價字模型都有一 個獨立的
多輸入、單輸出的距離判別模型。主要評價步驟如下：①建立距
離判別分析法訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫：將評價指標(biāo)值與專家系統(tǒng)評價
結(jié)果根據(jù)特定的順序組合成一個訓(xùn)練樣本。對距離判別評價模
型進(jìn)行訓(xùn)練需要多個樣本，通常情況下由實測樣本和理論樣本
組成；②用距離判別評價模型進(jìn)行安全性評價：在現(xiàn)場采集實
測評價指標(biāo)量，將其指標(biāo)值按照特定要求輸入到已建立的距離
判別評價模型巾進(jìn)行仿真評估得到評價結(jié)果，進(jìn)而與評價標(biāo)準(zhǔn)
進(jìn)行對比便可以得到相關(guān)的評價信息；⑧重復(fù)步驟①～② ，分別
得到各評價子模型的評價結(jié)果；④對③得到的評價結(jié)果輸入到
綜合評價的距離~-flN評價子模型的模塊巾進(jìn)行仿真，得到鋼管
拱橋綜合安全性評價結(jié)果。
表1 安全性評價等級標(biāo)準(zhǔn)
注：表中I，II，lIl，IV，V表示優(yōu)、良、中、差、劣5級。
3 實例應(yīng)用
3．1 工程概況
某市內(nèi)江上某下承式鋼管混凝土拱橋，主橋為凈跨280 m，
主拱肋采用鋼管混凝土拱桁架，上下弦管和綴板內(nèi)灌注C50混
凝土，弦管直徑為1．0 m；2條拱肋通過11道橫撐連成整體，橫
撐除拱頂橫撐為H形外，其余均為K形；吊桿共55對，采用
PES7—6 1高強鍍鋅平行鋼絲束，技術(shù)要求同斜拉橋斜拉索[8]。
3．2 鋼管混凝土拱橋安全性距離判別評價方法
采用文獻(xiàn)f81的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從《靜動載試驗報告》中，選
取鋼管拱兩側(cè)拱腳、拱頂以及1／4跨、1／8跨，4處關(guān)鍵截面的最
不利的內(nèi)力校正系數(shù)作為主拱圈評價指標(biāo)；選取縱梁的跨中最
在內(nèi)力校正系數(shù)為主梁的評價指標(biāo)；先取吊桿最大內(nèi)力校正系
數(shù)為吊桿的評價指標(biāo)；對于承臺基礎(chǔ)，在基樁推力工況作用下
承臺與基樁連接處末發(fā)現(xiàn)受力裂紋，現(xiàn)場專家建議評估定為良。
根據(jù)專家的現(xiàn)場打分的形式評定在各工況作用下該橋的安全
狀況，訓(xùn)練樣本見表2。
以文獻(xiàn)[8]提供的實測資料，主拱圈、吊桿、主梁的結(jié)構(gòu)校正
系數(shù)組成的向量為(0．82l、0．72、1．0、0．8)，對承臺基礎(chǔ)的評價為
良，與評價標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的數(shù)值為0．8。輸入向量(0．821、0．72、1．0、
0．8)到步驟② 中訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)橫 中進(jìn)行仿真，得 計算結(jié)果
為0．816，根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)得知該橋的承載能力處于優(yōu)良的狀態(tài)，
整橋承載性能很好。
將該承載力評價模型存入知識庫巾，這樣對于該橋進(jìn)行
承載力評價只需輸入一組實測指標(biāo)量，便可以快速得到評價
結(jié)果。鑒=丁=承重構(gòu)件損傷和外觀缺損狀況的距離判別評價模
型訓(xùn)練和信真過程是相同，各部分的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練理論樣本均通
過綜合評價的方法隨機產(chǎn)生，所需要的權(quán)重通過對專家的調(diào)
查統(tǒng)計，得到不同層次指標(biāo)兩兩判斷矩陣的調(diào)查結(jié)果及計算
出來得到 在這里僅給出相應(yīng)的實測數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果，并進(jìn)行
必要的說明。對承重結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行距離判別評價模型評價：當(dāng)
評價因素中包含有多個實測值時，用綜合評判的思想，進(jìn)行線
性疊加。
對承重構(gòu)件損傷模塊進(jìn)行訓(xùn)練得到昕需的距離判別模型，
輸入需要檢測的橋梁的實測值的轉(zhuǎn)換值向量(0．9、1、1、0．9、
0．9)，輸出結(jié)果為I級。根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)得知該橋的承重構(gòu)件處于
優(yōu)級狀態(tài)，承重構(gòu)件滿足設(shè)計要求，整橋承重構(gòu)件毫無損傷。
對外觀缺損狀況評價：輸入實測橋面板、吊桿、橋面橫梁、
橋道縱梁的向量到訓(xùn)練好的距離判別評價模型中，便得到二級
評價結(jié)果為II級。同理，可以得到主拱圈、拱座承臺和附屬設(shè)施
的評價結(jié)果分別為1級、I級、II級。進(jìn)而把2級評價結(jié)果輸入到
距離判別模型中得到1級評價結(jié)果，可知其外觀缺損狀況處于
優(yōu)級狀態(tài)。綜合以七3個部分的評價結(jié)果，輸入(0．816、O．854、
0．867)到訓(xùn)練好的綜合評價模塊中，得到鋼管混凝土拱橋安全
性最終評價結(jié)果為I級，根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)可知，該橋安全性水平達(dá)
到優(yōu)良狀態(tài)．．說明該橋承載能力較強，主要承重結(jié)構(gòu)無損傷，外
觀狀況基本完好，對應(yīng)表l可以看 ，建議采取的策略為 常
維修養(yǎng)護(hù)
· 25 ·
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表2 訓(xùn)練樣本集
f p
4 結(jié)語
橋梁結(jié)構(gòu)體系的評估結(jié)果反映了整體結(jié)構(gòu)的安全性技術(shù)
現(xiàn)狀，是公路管理部門決策的重要依據(jù)。實例證明，本研究給出
的距離判別評價模型能較好地評價鋼管混凝土拱橋的承載力
并具有以下特點： ．
(1)管混凝土拱橋的承載力評價只需確定其輸入及輸出的
個數(shù)、它具有很好的推廣性。
(2)距離判別評價模型是一個動態(tài)模型，隨著試驗數(shù)據(jù)的
增加，能夠補充實測訓(xùn)練樣本，從而提高網(wǎng)絡(luò)模型的精度。
(3)距離判別評價模型對鋼管混凝土拱橋的承安全性進(jìn)行
評價時，只需用已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)，輸入一組實測樣
本就可以進(jìn)行評價了，其評價方法簡便、快速和實用，大大提高
了工?%

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