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鋼筋混凝土梁橋安全性評判方法的研究

文檔作者：劉雙林		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月22日
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長沙理工大學
碩士學位論文
鋼筋混凝土梁橋安全性評判方法的研究
姓名：劉雙林
申請學位級別：碩士
專業(yè)：橋梁與隧道工程
指導教師：張克波
20090401
摘要
截止2007年底的調(diào)查表明，我國現(xiàn)有橋梁五十二力．多座，其中病危
橋梁達一萬多座，既有橋梁安全性的評判方法同益成為直接關系到我國
交通建設健康發(fā)展的重要科研方向。通過橋梁結(jié)構的安全性評判，對橋
梁的實際承載能力進行分析、評定，并在此基礎上對整個橋梁結(jié)構的實
際工作狀態(tài)做出評價和鑒定，及時為橋梁管理、養(yǎng)護、維修和加固提供
科學、可靠的決策依據(jù)，保證橋梁的安全運行，確保公路網(wǎng)維持較高的
服務水平，發(fā)揮較大的經(jīng)濟效益和社會效益。
本文的目的是建立橋梁底層指標的評判向量和整橋安全性指標評判
體系，為橋梁維修加固提供指導。結(jié)合國家自然科學基金項目(50478032)
“既有鋼筋混凝土橋梁時變可靠度研究”，對橋梁進行安全性評判。主要
開展了以下工作：
(1)對橋梁安全性評判方法的現(xiàn)狀進行總結(jié)與評述。
(2)根據(jù)評判模型的基本要求，酃：完全性、簡捷性、獨立性、客
觀性，結(jié)合橋梁的實際工作狀況，建立鋼筋混凝土橋梁的層次評判模型，
確定評判體系的底層指標，結(jié)合《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》，給出了各指標的
評判等級向量的參考標準；根據(jù)層次分析法的原理，求各指標的權重。
(3)將模糊綜合評判法應用于橋梁安全性評判中，討論了隸屬函數(shù)
的選擇，評判指標的處理以及模糊綜合評判失效的處理。
(4)論述了安全性評判體系的應用，討論不同評判模型、權重對評
判結(jié)果的影響，通過南坪橋的試驗，完善了評判方法。
關鍵詞：鋼筋混凝土橋梁；模糊綜合評判；層次分析法：安全性評判
ABSTRACT
At the end of 2007，the survey showed that there are more than 520，000
bridges in our country，more than l 0，000 bridges of which are in critical
condition．Existing bridges safety evaluation method directly related to the
healthy development of China’s traffic—building is increasingly becoming is
related to the healthy development of China’s traffic-building an important
research direction．Through the bridge structure safety eValuation，bridge
capacity is analyzed and assessed，based on which，the work state of entire
bridge structure is evaluated and identified，In time fbr the bridge between
the management，conservation，maintenance and feinforcement to proVide a
scientific and reliable basis f．or decision-making，ensure the safe operation
of bridges and the road network to maintain a higher leVel of serVice，play a
larger economic and social benefits．
This paper aim to build evaluation vector of bridge base index and eVal。
uation system of bridge sal℃ty index，to proVide guidance fbr bridge retrofit·
In combination with the National Natural Science Foundation Project(50
478032)·-study on time．dependent reliability of Existing reinfbrced
concrete bridges．The main work is as follows．
(1) Summing up and review of bridge safety eValuation method·
(2)According to built up the evaluation model of Reinfbrced Concrete
Bridge and determine base index of evaluation system combined with bridge
work stage．The reference standards of evaIuation Vectors of index are giVen
based on code for maintenance of highway and culVers．
(3)Use fuzzy comprehensive evaluation in bridge safety eValuation，the
selection of membership function，the processing of eValuation index and
the processing of failure of fuzzy comprehensiVe eValuation are discussed-
(4)Application of bridge safety evaluation is described，and effect of
different of evaluation model and weight is discussed．Combined with test
of Nan·ping bridge，impfoVed assessment methods．
KeyWords： reinforced concrete bridge； fuzzy comprehensiVe eValuation；
anaIytic hierarchy process(AHP) ； safety eValuation
lI
長沙理工大學
學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的
研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或
集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均
已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。
作者簽名：支·1雙才札日期：≯印年籮月z1日
學位論文版權使用授權書
本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保
留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借
閱。本人授權長沙理工大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫
進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。
本學位論文屬于
1、保密口，在年解密后適用本授權書。
2、不保密團。
(請在以上相應方框內(nèi)打“√")
作者簽名：女，1又又才豐＼日期：妒產(chǎn)步月zf日
歲月zz日
1．1研究的背景
第一章緒論
橋梁是交通的咽喉，是生命線系統(tǒng)的重要的組成部分，在國民經(jīng)濟
和人民生活中占有顯著的地位。近二十年來，我國公路建設事業(yè)蓬勃發(fā)
展，公路的通行能力和服務水平進一步得到改善和提高，尤其是在“九
五"期間，國家進一步加大了基礎設施建設投資，公路面貌同新月異。
隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，出現(xiàn)了交通量的猛增和載重噸位加重的現(xiàn)象，與
之矛盾的是我國大部分舊橋承載能力不足、路面狹窄。上個世紀五六十
年代甚至七十年代修建的橋梁，己經(jīng)運營了30～50年，這些橋梁設計荷
載標準較低，大部分橋梁仍在服役，這些低標準橋梁己達到或接近橋梁
的設計基準期。在自然環(huán)境和使用壞境的作用下，這些舊橋的結(jié)構發(fā)生
了巨大變化，出現(xiàn)不同程度的損傷，其承載力已大大降低。特別是早期
所修建的橋梁沒有完善的技術檔案，每座橋梁的關鍵性技術資料，特別
是隱蔽性工程的技術資料難以查找。這些舊橋成了不斷提升技術等級的
公路上卡脖子路段。在過去相當長的時間里，我國普遍存在著：“重建輕
養(yǎng)，養(yǎng)路不養(yǎng)橋一的現(xiàn)象，以及養(yǎng)護人員的素質(zhì)和技術能力有限，只看
表面病害，察覺不出潛伏的病害因素，橋梁運行中出現(xiàn)一些小的病害得
不到及時有效的養(yǎng)護、治理。從而誘發(fā)大的病害，危及橋梁自身的安全。
據(jù)交通部《2007年全國公路養(yǎng)護統(tǒng)計年報》，截至2007年底，全國有一
萬多座公路危橋，約占全國橋梁總數(shù)的3％，這些橋梁均屬于第五類，即
“技術狀況危險狀態(tài)，部分重要構件出現(xiàn)嚴重損傷，橋梁承載能力明顯
降低并直接危機橋梁安全"，十五期間，交通部投入了l 50億，改造了7000
多座危橋。
在其它國家也存在著類似的現(xiàn)象：在美國，60萬座被調(diào)查的橋梁中，
被國家聯(lián)邦公路局劃為不符合要求的有20萬座，被列為具有結(jié)構缺陷的
有l(wèi) 2．5萬座，每年有5千至8千座橋梁需要更換；印度也有大約1 O％的
公路橋梁需要替換，另有1 O％的橋梁有損傷的跡象。美國為了使普通橋
梁達到高速公路橋梁的標準，對大量橋梁進行了加固改造；印度在近20
年問，對國道上承載力較低的橋梁也普遍進行了加固，并對能夠承受荷
載等級較高的橋梁進行了加寬處理。
就世界范圍來說，近代橋梁的發(fā)展大致可以分為三個時期。第一個
發(fā)展時期為大規(guī)模新建時期，第二個發(fā)展時期是新建與維修改造并重時
期，第三個發(fā)展時期是以現(xiàn)代化改造和維修加固為重點。
1．2研究的意義
在我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的形勢下，對于交通運輸能力的要求也在不斷
提高，同時不少橋梁的功能退化呈加速發(fā)展趨勢。因此，為確?！吧?
線工程”的橋梁結(jié)構的安全運行，必須對其進行有效的綜合監(jiān)測與狀態(tài)
評價。通過對橋梁的實際承載能力進行分析、評定，并在此基礎上對整
個橋梁結(jié)構的實際狀態(tài)做出評價和鑒定，及時為橋梁管理、維修和加固
提供科學、可靠的決策依據(jù)，保證橋梁的安全使用，確保公路網(wǎng)能維持
較高的服務水平，發(fā)揮較大的經(jīng)濟效益和社會效益。
1．3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
橋梁在建造和使用過程中，必然會受到壞境、有害化學物質(zhì)的侵蝕，
并要承受車輛、風、地震、疲勞、超載、人為因素等外界作用，同時橋
梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而致使結(jié)構各部分不同程度
的損傷，這不但影響橋梁的正常運營，而且會危及結(jié)構的使用安全。國
內(nèi)外多座橋梁的突然破壞與倒塌已使橋梁工程界對橋梁損傷安全評定這
一新課題倍加關注。自20世紀80年代以來，橋梁的評判日益受到國內(nèi)
外專家學者的重視，在橋梁的評判方面作了大量的研究，特別是在橋梁
的承載能力評判、結(jié)構損傷和構件疲勞等方面取得一定的進展。
1．3．1國外研究現(xiàn)狀
J．T．P．Yao?成功地將模糊數(shù)學應用于震后結(jié)構破損評判和舊有結(jié)
構性能評判的專家系統(tǒng)。Ah Beng Tee【2】論述了模糊集理論在橋梁狀況評
判中的應用，認為材料特性、橋梁的幾何特性以及作用荷載是分析結(jié)構
承載力的三個重要參數(shù)，對橋梁承載能力進行了評判，并提出了權重非
常量，而是隨著破損階段的不同而變化，即破損越嚴重，權重越大。
美國聯(lián)邦公路管理局(FHwA)將橋梁劃分成三個子系統(tǒng)(下部結(jié)構、上
部結(jié)構、橋面)，對每座橋梁收集90個項目的數(shù)據(jù)，將橋梁結(jié)構缺陷劃分
成1 0級來評判橋梁的缺陷狀態(tài)f，l。20世紀80年代，美國聯(lián)邦公路研究
組織主持開展了關于“既有橋梁的承載能力評定”的研究課題?，1 988
年，開發(fā)了世界上第一個橋梁管理系統(tǒng)“國家橋梁檔案數(shù)據(jù)庫"。
1 994年，J．de Bri t oI¨l等針對混凝土橋梁開發(fā)了橋梁管理專家系統(tǒng)。
系統(tǒng)功能分為兩大模塊：檢測模塊(i nspect i on mode 1)和橋梁管理策略
2
優(yōu)化模塊。H．G Me l hem和Senaka At ural i yaI，】采用專家系統(tǒng)工具CL I PS(C
Language I ntegrat ed Produc t i on Syst em)建立了橋梁總體評價程序，
提出了采用模糊加權向量方法，得到相應各評價子集的模糊加權向量，
提高了最終評價結(jié)果的穩(wěn)定性，支持檢測評價結(jié)果的分散性，克服了對
部分監(jiān)測可能不精確檢測結(jié)果的敏感性。系統(tǒng)對橋梁結(jié)構的最終評價值
分為1．9級，并按照各級指標的權重及評價結(jié)果進行檢測和維修策略的制
訂。
1 996年，H i t os h i，F(xiàn)urut aI 8l等采用遺傳算法(Genet i c Al gor i t hms)
與神經(jīng)網(wǎng)絡(Neural Net work s)相結(jié)合的方法開發(fā)了橋梁損傷模糊評價專
家系統(tǒng)。
1 997年，Mor i yos h i Ku sh i da，Ayaho M i yamot o和Kazuya K i no sh i a19l
將神經(jīng)網(wǎng)絡和雙向聯(lián)想記憶(BAM)結(jié)合起來，建立了混凝土橋梁評級專家
系統(tǒng)，并將機器學習引入了該系統(tǒng)。2003年，Ke i Kawamura和Ayaho
M i yamoto?】建立了根據(jù)表觀檢測和技術規(guī)范評定橋梁等級的專家系統(tǒng)，
在神經(jīng)網(wǎng)絡中通過反向傳播算法進行模糊推理。其它關于橋梁安全性評
判的文獻還有【1l～1 4】。
1．3．2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
交通部在90年代對公路橋梁承載能力開展了一定的研究工作，主要
側(cè)重于橋梁檢測與加固技術的研究，通過理論分析來挖掘既有橋梁的承
載潛力。在1 98 8年頒發(fā)了《：公路舊橋承載力鑒定方法(試行)》?l，使橋
梁評價工作逐步走上了正軌。
現(xiàn)行國家規(guī)范中，主要有<公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》【，·l(JTG>Dr藝60 二類
l l 伸縮縫3 60>D，≥40 三類
1 2 人行道l
40>p 四類、五類
l 3 欄桿、護欄l
D，≥60的橋梁，并不排除其中有評定標
度R≥3的部件，仍有維修的需要。
l 4 照明、標志l
l 5 排水設施1
l 6 調(diào)制構造物3
l 7 其它l
2．1．3橋梁重要部件缺損狀況評定方法
橋梁重要部件(如墩臺與基礎、上部承重構件、地基沖刷、支座)
以其中缺損最嚴重的構件評分；其他部件，根據(jù)多數(shù)構件缺損狀況評分。
2．2層次分析法(AHP)
2．2．1概述
層次分析法(the Anal yt i c Hi erarc hy Proce s s，簡稱AHP)，是一種
實用的多準則決策方法，20世紀70年代初期由美國著名運籌學家、匹茲
堡大學教授T．L．Saat y提出來的。它把一個復雜問題表示為有序的遞階
層次結(jié)構，通過人們的判斷對決策方案的優(yōu)劣進行排序。這種方法能夠
統(tǒng)一處理決策中的定性與定量因素，因此具有實用、系統(tǒng)、簡潔等優(yōu)點。
橋梁作為一個復雜的系統(tǒng)，其安全性的影響因素眾多，且復雜，大
多數(shù)因素不能通過函數(shù)關系直接表達出來，而更多的則是依靠專家的經(jīng)
驗、判斷，同時對于橋梁的安全性評價，如果不加以分析、簡化，即使
是經(jīng)驗豐富的專家處理起來也比較很困難。為了簡化評價程序，引入層
次分析法，將影響橋梁工作的各因素條理化、層次化，把對影響程度相
近或聯(lián)系比較緊密的因素放在一起，形成一層，建立起多層次的關系結(jié)
構模型。這樣，就能夠把復雜問題簡化，只要搞清某一層次的某個指標
與其相關的上一層次指標的關系以及與其相關的下一層次指標的關系就
可以進行判斷。一般認為，影響最底層指標狀念的因素相對較少，其實
際狀態(tài)比較容易確定，然后再按照加權綜合的方法由底層指標的狀態(tài)得
到上層指標的狀態(tài)，逐層綜合，得到整座橋梁的狀態(tài)?】。
2．2．2 AHP的基本步驟
運用AHP進行決策時，大致分四個步驟：
(1)分析各因素之間的關系，建立遞階層次結(jié)構，稱層次中的各因
素為指標。
應用AHP分析復雜問題，首先把復雜問題條理化、層次化，構造出
具有層次關系的結(jié)構模型。結(jié)構模型中的層數(shù)和每層中的指標數(shù)與問題
的復雜程度以及需要分析的詳細程度有關，根據(jù)層次分析法中的標度規(guī)
定，每一層中的指標數(shù)一般不超過9個，元素過多會給兩兩比較帶來困
難，所以當超過9個指標時應進行加層處理。
(2)對同一層次的各指標進行兩兩比較，構造比較判斷矩陣。
在建立遞階層次結(jié)構后，上下層次之間指標的隸屬關系就確定了，
假定某一層指標以C為準則，所支配的下一層次的指標為K、K、?、K，
目的是按它們對于準則C的相對重要性賦予巧、K、?、K相應的權重，
當K、K、?、圪對于準則C的重要性可以直接定量表示時，它們相應的
權重便可以確定。但是對于大多數(shù)復雜的問題，指標的權重不容易直接
得出，這時需要通過適當?shù)姆椒ㄍ茖С龈髦笜说臋嘀?，層次分析?AHP)
所用的導出權重的方法就是兩兩比較法。
決策者要根據(jù)這樣的問題：針對準則C，兩個指標，哪一個更重要，
重要多少，并按“卜9"比例標度1321對重要性程度賦值，表2．3中列出了
“卜9’’標度的含義。
9
表2．3“1_9標度”
l K與巧相比，同樣重要
3 ¨與巧相比，稍微重要
5 ¨與杉相比，明顯重要
7 ¨與巧相比，強烈重要
9 形與巧相比，極端重要
2， 4， 6， 8 ¨與巧相比，重要性程度處?。鲜鱿嗦閮蓚€數(shù)之間
倒數(shù)¨與杉相比得判斷％，則巧與K相比較得判斷％2夕乞
這樣對準則C，刀個被比較指標構成了一個兩兩比較判斷矩陣，見表2．4。
表2．4 兩兩比較判斷矩陣
C 巧K ? K
K K。K： ? 巧。
圪匕。K： ? 圪。
：
●
圪K。圪： ? 圪。
即礦=(％)。。。，其中巧是指標形和巧相對于準則c的重要性的標度。判斷矩
陣礦具有下述性質(zhì)：
％>o ％=肜， ％=l
(3)計算各指標的權重
在這一步中，要根據(jù)n個指標巧、K、?、K對于準則C的判斷矩陣y，
求出他們對于準則C的權重％、％、?、形，權重可以寫成向量形式，
即形=(彤、彬、?、睨)。
權重的計算方法【33】主要有：和法、特征根方法、方根法、對數(shù)最小
二乘法和最小二乘法等等。和法、的應用范圍比較廣泛，本文采用和法
進行權重計算，在此，僅將和法的計算步驟列出：
①將判斷矩陣y的元素按列作歸一化處理，得到矩陣Q=(鈺)腑。，其
中： 劬：；L，(f，歹=1，2，．．塒)
Σ％
七=l
②將矩陣Q的元素按行相加，得到向量口=@。，口：，．．．，口。)r，其中：
口，=Σ嘞，(f，jf=l，2，．．．，擰)
10
③對向量口作歸一化處理，即：
w=÷L(f，／：1，2，．．∥)
Σ％
得特征向量∥=(w，w2，?，Ⅵ)7’
④求出最大特征值
k=曇喜等
(4)判斷矩陣的一致性檢驗
在單準則下計算權重向量時，必須進行一致性檢驗。因為判斷矩陣
是計算權向量的根據(jù)，所以要求判斷矩陣大體上的一致。出現(xiàn)“甲比乙
極端重要，乙比丙極端重要，而丙比甲極端重要"的判斷一般是違背常
識的，可能導致錯誤決策，上面提到的權向量的計算方法是一種近似算
法，當判斷矩陣的一致性過大時，這種近似判計的可靠程度也就值得懷
疑了，因此需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。
一致性檢驗方法如下：
①計算一致性指標a：
a：血二!
刀一l
②查找相應的平均一致性指標腳。表2．3給出了l～l 3階正互反矩陣
計算1 000次得到的平均隨機一致性指標。
表2．3平均隨機一致性指標
刀l 2 3 4 5 6 7 8 9 l O l l l 2 l 3
融0 O 0．52 O．89 1．1 2 1．26 1．36 1．4l 1．46 1．49 1．52 1．54 1．56
彤是同階隨機矩陣的一致性指標的平均值，其引入可在一定程度上
克服一致性判斷指標隨廳增大而明顯增大的弊端。
③計算一致性比例C尺：
馓：旦口
②降半r分布
r1 x≤口
以(x)2協(xié)(州霓>o x>4
③降半正態(tài)分布
fl x≤口
以∽2協(xié)∽∥后>o x>口
16
④降半哥西分布
⑤降半梯形分布
⑥降嶺形分布
，． Il 石≤口
∥4‘x’=tl／1+口(z一口)， 口>o，∥>o。二≥?？?
以cx，={芻：一石／嘭一q三{差≥≥q
刪恤m
(2)偏大型隸屬函數(shù)曲線
①升半矩形分布
②升半r分布
③升半正態(tài)分布
④升半哥西分布
⑤升半梯形分布
⑥升嶺形分布
以(功=
口2一口I
X≤口
工>口
x≤口l
(石一半)啦z>q
以c工，=￡一。。，呻，七>。二三三
刪書”∥跏置
X>口2
，， f1 x≤口
麒加“+吣-口)一聲口>o，臚5：：三口
以。。={}一q／．吃1嗎
刪=肛in
17
萬
工≤口I
吒≥z>q
x>口2
吃一口l
工≤q
(x一半)啦?。
x>口2
l
，●J、【0
2．3．5模糊綜合評判指標的處理
得到模糊綜合評判指標q后，就需要進行一定處理以得出對評判對
象的綜合評判結(jié)果，常用的處理方法有最大隸屬度法、加權平均法以及
貼近度分析法等。
①最大隸屬度判決法
最大隸屬度判決法是指直接把模糊等級向量B=(6I，62，．．．，吃)中具有最
大隸屬值的等級作為評判等級。該評判方法的優(yōu)點是簡單明了，缺點是
只利用了B=(島，62，．．．，‰)中的最大值印2燃薈{仇)，沒有完全利用模糊等級向
量B帶來其他的信息，導致評判結(jié)果有時會出現(xiàn)較大的偏差。因此對其進
行修正：
定義： ∥：掣7：掣
Σ玩Σ甌
其中sec慨)表示B中的第二大分量，∥和y分別是B中最大分量與次
ISKSm
大分量占各總和的比例，易得：夕∈[!，l】，，∈[o，曇】，再由∥和廠定義：
∥肚=立j。；等型 廠’=P功
互一廠
則夕’∈【O，l】，，’∈[O，1】再定義口：
口：嬖：竺壁二! (2．8)
7 2y(m一1)
可以證明，口∈[O，佃)，由口的定義可看出，口越大，最大隸屬度原則
有效度越高，因此，可以用口指標對最大隸屬度原則的有效性進行度量。
②貼近度分析法I·-1
在評判等級集’，={H，屹，．．．以}中，等級吩中對象最理想的子集是
(0，．．·，l，．．·，0)，其中l(wèi)是第j『個分量，稱此向量為’，，的最理想的目標，記
為D，。對任何等級向量B，計算它與所有理想目標之間的貼近度為
Ⅳ(B，q)，j『=(1，?，m)，若：
Ⅳ(口，D，)=m觚{Ⅳ(B，D，)}+ (2．9)
’ JEm、’7
18
則評判對象在礦中相對屬于”。
貼近度有對稱貼近度和非對稱貼近度，對稱貼近度實質(zhì)是把vI，匕，．．．以
置于相同地位，其效果與最大隸屬度法相同，非對稱貼近度是把vl，V2，．．．以
置于不同地位，對低級別隸屬度進行加重“懲罰”。出于涉及等級歸屬的
問題，采用非對稱貼近度法對評判結(jié)果B進行處理。非對稱貼近度法的
計算如下：
假設評判結(jié)果集為：B=(6I，62，．．．，屯)，考察B=(6I，62，．．．，6卅)與D，=(1，o，?，o)
的貼近度，可以采用下式計算：
Ⅳ(鼠哆)=1一面未面薈f聯(lián)(圪)一群(K)卜(p：l，2，?) ‘2·l o)
式中心(圪)為B所對應的對象隸屬于圪的隸屬度，p為一適當選取的
正實數(shù)，用于等級評判，取p=1即可。
在計算Ⅳ(B，D，)(2≤／≤m)時，為了直接利用(2．1 0)，可以將曰作
標準化，得：
Bu’={哆，哆掣乞小巧+：，?，k} (2．11)
相應的對q標準化，得： Dl={l，o，o'?}，這樣計算Ⅳ(曰，q)可以用
Ⅳ(曰∽，D1)，使計算簡化。
③加權平均判決法
加權平均原則的思想：將各個等級看作一種相對位置，使其連續(xù)化，
為了能定量處理，用“l(fā)，2，3，?，P"依次表示各個等級，并稱他為各
個等級的秩，然后用雪中對應分量將各個等級的秩加權求和，得到被評事
物的相對位置，這就是加權平均原則，可表示為：
Ⅳ=Σ生6{·L七 (2．1 2)
口
Σ噬
其中f為待定系數(shù)(f=l或f=2)，目的是控制較大的釓所起的作用。
可以證明，當f專∞時，加權平均原則就是最大隸屬度原則。該方法的特
點是充分利用了模糊等級向量中的信息，主要問題是要處理好指數(shù)f值的
確定，評判結(jié)果受主觀因素影響比較大。
2．3．6模糊綜合評判失效問題的處理方法
模糊綜合評判是科學管理與決策的常用方法之一，在實際運用中，
有時會出現(xiàn)失效的情況。下面通過例子介紹消除模糊失效的處理方法。
19
(1)模糊綜合評判失效的概念?圳l 。
模糊綜合評判的模型為：曰=K×尺=(島，62，．．．，包)
式中：B為評語集礦上的一個模糊向量；“。"為模糊合成算子，這罩
選用Zadeh算子即取小，取大算子(在下面的算例中均采用此算子)，則：
島=Σ(勺^_)(／=1，2，?，m) (2．1 3)
判別模糊綜合評判失效的定義如下：
定義l：評判結(jié)果(2．1 3)中只有一個最大分量，即maX6，=屯，則模糊綜
』互l
。9
合評判有效。
定義2：評判結(jié)果(2．1 3)中出現(xiàn)兩個以上相等的最大分量，即：
朋
毋擎哆=‰=玩=?=匆(g≠七≠?≠f) (2．1 4)
則模糊綜合評判失效。
定義3：若因模糊權向量忌的各分量太小而引起的失效，稱為I型失效；
若因單因素評判矩陣理中各元素太小而引起的失效，稱為I I型失效。
(2)消除I型失效的方法
①基本因素壓縮法
I型失效是由于被評價因素較多，權向量的各分量太小引起的。當某
元素的權重值較小時，說明該元素對被評價對象的影響較小，可考慮將
其去掉。
例1：單因素評判矩陣R為：
設權向量為：K=(O．08，O．12，O．06，O．14，O．08，O．10，O．10，O．26)
R=
O．27 O．13 0．24 O．36
O．23 O．32 O．25 0．20
0．12 O．22 O．26 O．40
O．18 O．24 O．28 O．32
O．20 0．36 O．18 0．26
O．10 O．16 O．52 0．22
O．20 O．08 O．34 O．38
0．11 O．25 O．30 0．34
O．18 O．28 O．30 0．24
則模糊綜合評判結(jié)果為：曰=K×R=(0．10，O．26，O．26，O．24)
評判結(jié)果中出現(xiàn)了兩個相等的最大分量0．26，根據(jù)定義2與定義3，
評判失效且屬于I型失效。
權向量K的3，4兩個分量較小，說明對被評價對象影響較小，可考
慮把它們?nèi)サ?，則K經(jīng)歸一化可得：K=(O．09，O．14，0．16，O．09，O．11，O．1l，O．30)，
相應地在式R中去掉第3，4兩行的元素，得：
尺=
O．36 O．13 O．24 0．27
O．20 O．32 0．25 O．23
O．26 O．36 O．18 O．20
0．22 0．16 O．52 O．10
O．38 0．08 O．34 O．20
O．34 O．25 O．30 O．1l
0．24 0．28 O．30 O．18
l O．20 O．20 O．26 0．18 O．16 1
只=l O．22 O．20 O．26 0．20 O．10 I
I O．28 O．20 O．20 0．20 0．12 l
R中的第5列元素‘，，仫，吩，對評價等級的隸屬程度最小，可將第5列去
2l
ro．24 o．24 o．3l o．21]
R=I o．25 0．22 o．31 o．22 I
l 0．3l 0．23 O．23 O．23 I
①(·，V)：此時包=呂(島·吩)(／=l，2，．．．，聊)；
(參(^，+)：此時乞=min{Σ(q^乃)，1)(j『=l，2，?，m)；
③(·，+)：此時島=min{Σq白，1)(／=l，2，．．．，塒)；
f=I
其中，靈敏度最高的是(宰，+)，即乘積，有界和算子。
2．4本章小結(jié)
本章介紹了規(guī)范推薦的評判方法、層次分析法、模糊綜合評判法，
主要工作和結(jié)論如下：
(1)規(guī)范推薦的評判方法包括各部件技術狀況評定方法、橋梁技術
狀況等級評定方法、橋梁重要部件缺損狀況評定方法。
(2)介紹層次分析法的特點，討論了判斷矩陣的建立，權重的計算
方法以及判斷矩陣的一致性檢驗。
(3)論述了模糊綜合評判方法的必要性和合理性，介紹了模糊綜合
評判的基本理論和方法。較系統(tǒng)的研究了多層次模糊綜合評判模型的建
立過程，討論了根據(jù)評判所得等級模糊向量確定評判等級的方法以及模
糊綜合評判失效的處理方法。
第三章橋梁安全性評判指標的分析
3．1橋梁安全性評判指標體系的建立
評判模型可按評判對象的層次建立。評判對象按橋梁的主要結(jié)構劃
分。建立的評判模型必須科學地客觀地盡可能全面地考慮各種因素。一
般應滿足以下基本要求：
(1)滿足完全性原則，即模型應整體反映橋梁工作狀態(tài)；
(2)滿足簡捷性原則。在滿足完全性原則的前提下，應盡可能減少
模型中指標的數(shù)量。次級指標應能夠量化，評判指標的取得應簡單易行，
便于操作，技術上可行，經(jīng)濟上合理；
(3)滿足相對獨立性原則。各評判指標間應相互獨立，避免包容性；
(4)滿足客觀性原則。評判指標還要求不同橋梁之間具有可比性和
通用性，避免因各方利益沖突而造成評判結(jié)果的差異。
對于鋼筋混凝土梁橋而言從有利橋梁評判的原則出發(fā)，結(jié)合橋梁自
身的構造特點，將其分為多個子系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范推薦的橋梁各部件，一
般將鋼筋混凝土梁式橋分為4個一級子系統(tǒng)，即：橋面系、上部結(jié)構、
下部結(jié)構、附屬設施。而每個子系統(tǒng)又有多個二級子系統(tǒng)，橋面系分為：
橋面鋪裝、伸縮縫、欄桿、橋面排水設施、人行道、橋頭與路基的連接
部位；上部結(jié)構分為：主要承重構件、次要承重構件：附屬設施分為：
翼墻、耳墻、調(diào)治構造物以及其他結(jié)構。對基本的、重要的部件(如上部
結(jié)構、下部結(jié)構)可以根據(jù)檢測的內(nèi)容進行更細的劃分，對次要的部件(如
附屬結(jié)構)的劃分則可以稍為粗略，而且也可以忽略一些對結(jié)構技術狀況
等影響很小的部件或項目。在此僅將主梁的列出，主梁的影響指標分為：
混凝土強度、保護層厚度、混凝土碳化深度、鋼筋銹蝕以及裂縫等。根
據(jù)橋梁結(jié)構建立橋梁層次評判模型(圖3．1)。
一I：部結(jié)構Bl
l：部主要承重構件一主粱Cl
部次嬰承藕構什C2
橋面鋪裝C7
伸縮縫C8
橋面系Bs{鬈簍囂水設施c。。
人i，道C1l
橋頭與路堤連接部位C12
附屬設施Ba{荔善五釜荔：：：
I其他C16
圖3．1橋梁層次評判模型
3．2底層指標的評判等級向量
根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG Hll一2004)，采用了五等級進行劃
分，即一級、二級、三級、四級、五級建立各個初始指標的評價標準，
評判系統(tǒng)對橋梁現(xiàn)狀指標進行等級劃分原則的主要依據(jù)定義如下：
一級：完好要求，即滿足設計規(guī)范要求；
二級：較好狀態(tài)，即略低于設計規(guī)范要求，但不影響正常使用，一般可
不采取維修措施；
三級：較差狀態(tài)，即局部不滿足設計規(guī)范要求，已影響正常使用，應進
行維修；
四級：差的狀態(tài)，即不滿足設計規(guī)范要求，不至于立即發(fā)生危險，應及
時采取維修、加固措施；
五級：危險狀態(tài)即嚴重不滿足設計規(guī)范要求，橋梁處于危險狀態(tài)，隨時
有發(fā)生意外的可能，必須立即采取加固措施或拆除。
3．2．1橋面鋪裝層
橋面鋪裝層由于破壞而出現(xiàn)坑槽、裂縫、松散等病害是目前公路中
最常見的病害之一。在橋面病害的調(diào)查、處理過程中，發(fā)現(xiàn)病害較嚴重
的部位防水混凝土鋪裝層已破損，橋面病害的產(chǎn)生不僅與瀝青混凝土鋪
裝質(zhì)量、橋面排水有關，很大程度上還取決于防水混凝土橋面鋪裝質(zhì)量。
由于裂縫是引起材料破壞、斷裂的根源，所以必須根據(jù)裂縫的特征，進
嬲
毗窨j深位 度叭
混?；熹摿?凝護凝筋縫 十=}{t銹寬 強厚碳蝕度 度度化電嘶
一
刪基基 ∞礎礎 以嘶
，●、I【 地橋橋支 基墩臺騰 沖及及∞
部 結(jié) 構 B2
鋼筋混凝十蠹ic撟T作狀態(tài)綜合評估模型
行科學設計、科學施工，預防裂縫的產(chǎn)生，從而提高鋪裝層的使用壽命。
橋面鋪裝的評判等級向量見表3．1。
表3．1橋面鋪裝的評判等級向量
橋面鋪裝病害情況評判等級{V．，心，．．．，V卅)
鋪裝層完好、平整、清潔或有個別細裂縫(1， O， O， 0， 0)
鋪裝層l 0％以內(nèi)的表面有縱橫裂紋，間距人于1．5m，淺
(O， l， 0， 0， O)
坑槽、波浪
鋪裝層l O％～20％的表面有嚴重的龜裂、深坑槽、波浪(O， O， l， O， O)
鋪裝層20％以上的表面有嚴重的破碎、坑槽、橋面普遍坑
(O， O， 0， 1， 0)
洼不平，積水嚴重
3．2．2橋頭與路堤的連接部
橋頭跳車是橋梁投入使用后普遍存在的一種病害，一般臺后路面與
橋臺路面高差普遍在2～3 cm左右，橋臺跳車不僅會影響行車舒適，而且
還會使橋產(chǎn)生過大的沖擊力，誘發(fā)或加重橋梁病害，同時影響伸縮縫的
壽命。主要原因是臺后填土及路基與橋臺之間的不均勻沉降。橋臺與路
堤的連接部的評判等級向量見表3．2。
表3．2橋臺與路堤的連接部的評判等級向量
橋臺與路堤的連接部的病害情況評判等級“，y2，．．．，V坍)
橋頭平順，無跳車現(xiàn)象(1， O， O， O， O)
橋頭輕度跳車，臺背路面下沉在2cm以內(nèi)(0， l， O， O， O)
橋頭跳車明顯，臺背路面下沉2～5cm (O， 0， O， 1， 0)
橋頭跳車嚴重、臺背路面下沉大于5cm (O， 0， O， 0， 1)
3．2．3伸縮縫
由于橋面在溫度變化時，橋面有膨脹和收縮的縱向變形，在車輛荷
載作用下，會引起縱向位移，為力滿足這變形的需要，必須設置伸縮縫，
伸縮縫是橋梁的兩端構造薄弱的環(huán)節(jié)，直接承受車荷載和各種自然因素，
受很小的力都有很大的沖擊作用，所以容易損壞，難修補，一旦破壞，
路面就會出現(xiàn)坑槽，降低道路的行車能力；一旦卡死輕則破壞橋臺背墻，
重則擠壞梁頭，使大梁報廢。所以應引起養(yǎng)管部門的重視，究其破壞原
因主要有：設計方面，施工方面，管理養(yǎng)護方面，其中設計方面和施工
方面是關鍵。只有嚴格把關，才能延長其使用壽命。伸縮縫的評判等級
向量見表3．3。
26
表3．3伸縮縫的評判等級向量
伸縮縫的病害情況評判等級“，吃，．．．，％)
伸縮縫完好、清潔。(1， O， 0， O， O)
伸縮縫局部螺帽松動，鋼橋開焊，鋪裝碎邊縫內(nèi)堵塞}夕E (O， l， O， O， 0)
伸縮縫普遍缺損(0， O， O， l， O)
伸縮縫嚴重破損、火效難以修補(O， 0， O， O， 1)
3．2．4人行道、欄桿、護欄
欄桿、護欄、人行道是保護行人和車輛的安全，常見的病害有撞壞、
缺件、露筋、變形過大，主要原因是設計施工和管理養(yǎng)護方面，由于該
部分結(jié)構不是橋梁的主要受力構件，所以設計人員和養(yǎng)護管理部門對其
不夠重視，導致結(jié)構不合理，出現(xiàn)病害沒入管的局面。人行道、欄桿、
護欄的評判等級向量見表3．4。
表3．4欄桿、護欄、人行道的評判等級向量
欄桿、護欄、人行道的病害情況評判等級“，屹，．．．，％>
完整清潔，無松動，少數(shù)構件局部有細裂紋、麻面(1， O， 0， 0， O)
個別構件破損、脫落，3％以內(nèi)的構件有松動，裂縫、剝
(0， l， 0， O， O)
落和污染
l 0％以內(nèi)有構件有松動、開裂、剝落、露筋、銹蝕、破損、
(0， O， 1， O， O)
脫落1 O～20％以內(nèi)
l O～20％構件嚴重損壞錯位、變形、脫落、殘缺(0， 0， 0， l， 0)
20％以上構件殘缺(O， O， O， 0， 1)
3．2．5橋面排水設施
橋面通過縱橫破、泄水管、泄水孔來排水，防止橋面積水或漏至主
梁，引起主梁耐久性問題。常見病害有：泄水孔、泄水管堵塞，由于泄
水管、排水槽設計不當，排水面積過小或雜物落入管、槽內(nèi)，造成管、
槽堵塞或排水不暢。橋面排水槽堵塞如不及時疏通與修復將會造成橋面
積水危及行車安全和損壞橋面。高速公路上的立交和高架橋常設置封閉
式排水系統(tǒng)，因此應定期檢查其排水系統(tǒng)是否開裂、損壞和暢通，各種
設施如抽水泵等工作是否正常，發(fā)現(xiàn)問題要及時解決與排除；橋面防水
層損壞：橋面防水層損壞、開裂、或接合部有滲水、漏水現(xiàn)象都屬于橋
面防水層損壞。橋面防水層損壞應及時修復，否則將危及梁體，另外也
會造成支座的銹蝕而使梁體不能自由伸縮，產(chǎn)生的額外溫度應力而使梁
體受損。橋面排水設施的評判等級向量見表3．5。
表3．5橋面排水設施的評判等級向量
橋面排水設施的病害情況評判等級{H，心，?，％)
防水層完好，泄水管完好，暢通(1， 0， 0， O， O)
防水層基本完好，瀉水管堵塞，周同滲水(0， l， 0， O， 0)
橋面板接縫處防水層斷裂滲水、瀉水管破損、脫落(O， O， l， 0， 0)
防水層老化火效、普遍斷裂、滲水、瀉水管脫落，孔堵塞(0， 0， 0， l， O)
3．2．6上部結(jié)構
上部結(jié)構是橋梁的主要受力構件，一定程度上決定了橋梁的安全性，
一般隨著服役時間而出現(xiàn)材料的老化。常見的病害有混凝土開裂、鋼筋
外露、銹蝕，混凝土碳化，氯離子侵蝕等，由于其結(jié)構的重要性，養(yǎng)管
部門對其比較的重視。主梁的評判指標分為混凝土強度、保護層厚度、
鋼筋銹蝕、裂縫。上部結(jié)構的評判等級向量見表3．6。
表3．6上部結(jié)構的評判等級向量
上部結(jié)構的病害情況評判等級{V。，匕，．．．，％)
結(jié)構完好，無滲水；次要部位有少量短細裂紋，裂縫寬度
(1， O， O， O， O)
小于限值
結(jié)構基本完好；3％以內(nèi)的表面有風化、麻面短細裂縫縫
(O， l， 0， O， 0)
寬小于限值，砌縫寬小于限值，砌縫灰漿脫落
結(jié)構3％～1 O％的表面有各種缺損，裂縫寬度超過限值，
有風化剝落、露筋，銹蝕，橋面板裂縫滲水；石砌拱橋砌
(0， O， l， O， O)
體灰縫脫落，局部松動，外鼓；橫向聯(lián)接件斷裂、脫焊或
松動，邊梁或邊拱肋有橫移或外傾跡象
結(jié)構3％～l 0％的表面有各種缺點，重點部位出現(xiàn)接近全
截面的開裂，裂縫寬超過限值，間距小于計算值，順主筋
方向有縱向裂縫，鋼筋腐蝕、混凝土剝落嚴重，橋面開裂(0， 0， O， l， O)
滲水嚴重，砌體有較大松動、變形；結(jié)構存在永久變形，
變形小于或等于規(guī)范值，橋面豎向呈波形
結(jié)構永久變形大于規(guī)范值；重點部位出現(xiàn)全截面開裂，部
分鋼筋屈服或斷裂，混凝土壓碎，主拱圈出現(xiàn)四鉸不穩(wěn)定
(0， 0， 0， O， 1)
結(jié)構；受壓構件有嚴重的橫向扭曲變形；結(jié)構振動或擺動
過大，行車和行人有不安全感
在進行結(jié)構詳細檢查時，一般根據(jù)橋梁的實際檢查內(nèi)容，采用梯形
法來確定其隸屬函數(shù)。
(1)裂縫寬度的隸屬函數(shù)
對鋼筋混凝土橋梁的裂縫評判時需要考慮的因素很多，如裂縫產(chǎn)生
的原因，開張的寬度、深度、長度及其是否繼續(xù)發(fā)展，裂縫產(chǎn)生的部位、
方向和裂縫所處的環(huán)境(如溫度、凍融的變幅及循環(huán)次數(shù)等)。其檢測方
法主要是根據(jù)超聲的原理。裂縫等級的評定是一個十分復雜的多因素評
價問題，到目前為止，還沒有能全面、準確地反映逐個因素對評定裂縫
等級影響的方法，特別是對鋼筋混凝土橋梁的裂縫等級評定，研究的就
更少了。表征構件裂縫狀況的指標主要有裂縫寬度、裂縫間距和裂縫深
度，三者之間存在一定的相關性，為簡單起見，在進行裂縫等級評判時
以最大裂縫寬度作為評判因素?l，表3．7為規(guī)范推薦的裂縫限值。
表3．7規(guī)范中規(guī)定的裂縫限值
允許最人
結(jié)構類別裂縫部位其他要求
縫寬mm
主筋附近豎向裂縫0．25
腹扳斜向裂縫0．30
鋼筋混
組合梁結(jié)合面O．50 不允許貫通結(jié)合面
凝土梁
橫隔板與梁體端部0．30
支座墊石0．50
拱圈橫向0．30 裂縫高小于截面高一半
磚、石、混
拱圈縱向(豎縫) 0．50 裂縫長小于跨徑l／8
凝土拱
拱波與拱肋結(jié)合處0．20
墩臺帽0．30
經(jīng)常受侵蝕性環(huán)境有筋O．20
墩水影響無筋0．30
臺
常年有水，但無侵有筋0．25 墩臺
身不允許貫通墩臺身截面
蝕性影響無筋0．35
一半
干溝或季節(jié)性有水河流O．40
有凍結(jié)作用部分O．20
參照以上標準，取最大裂縫寬度作為裂縫影響的分級指標確定隸屬
函數(shù)，如圖3．2所示。
憂級良級中級差級劣級
0 0．1 l 0．13 0．15 0．17 0．19 0．21 023 0．25
圖3．2裂縫寬度的隸屬函數(shù)
(2)混凝土強度的隸屬函數(shù)
混凝土強度是影響混凝土構件承載能力的重要因素，混凝土強度的
降低會對混凝土結(jié)構的安全性產(chǎn)生直接的影響。其檢測方法有：回彈法、
超聲回彈法、鉆芯取樣法、后裝拔出法、超聲法。在檢測中根據(jù)橋梁的
實際工作狀態(tài)確定其檢測方法，常用的方法是回彈法。在評判中將檢測
到的混凝土實測強度砥與混凝土設計強度礫之比作為混凝土強度影響
的分級指標，混凝土強度的隸屬函數(shù)如圖3．3所示。
劣級差級中綴良級
O 0．72 0．76 0瑚0．錨0鷸0．92 0．96 l加R甄，只。
圖3．3混凝土強度的隸屬函數(shù)
(3)保護層厚度的隸屬函數(shù)
2002年， 國家標準<鋼筋混凝土工程質(zhì)量的驗收規(guī)范》>

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