牟兵雄，陳 劍*，莫思特，劉先鋒

(四川大學(xué) a.建筑與環(huán)境學(xué)院;b.電氣信息學(xué)院，成都 610065)

對于大多數(shù)橋梁，可以采用基于現(xiàn)場調(diào)查檢測的綜合評價(jià)方法進(jìn)行評定，當(dāng)評價(jià)結(jié)果較好時(shí)，可認(rèn)為橋梁服役狀況良好，不需要做進(jìn)一步的評定工作［1］;但當(dāng)其評價(jià)結(jié)果較差或滿足其他條件時(shí)，則需對其進(jìn)行荷載試驗(yàn)，以準(zhǔn)確判斷其承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載等級的要求。

靜動載試驗(yàn)通過對橋梁進(jìn)行現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)橋梁實(shí)測的結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，包括應(yīng)力、應(yīng)變、撓度、裂縫等，結(jié)合其理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而對橋梁承載能力狀況進(jìn)行評定［2］。橋梁荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)，其中靜載試驗(yàn)主要是考慮橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的靜態(tài)響應(yīng)大小;動載試驗(yàn)則是分析橋梁結(jié)構(gòu)在動載激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)動力特性［3］。荷載試驗(yàn)可以較真實(shí)地反映橋梁實(shí)際的承載力狀況，較為直接且具有很好的可靠性。

本文以現(xiàn)役混凝土城市橋梁中普遍存在的簡支、連續(xù)、連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)型式橋梁為研究對象，運(yùn)用模糊綜合評價(jià)理論，對結(jié)合靜、動載試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)橋梁承載能力的評估方法進(jìn)行研究。

1 評估條件及評定結(jié)果等級劃分

1.1 評估條件

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》［4］對于公路橋梁評估的規(guī)定，對于現(xiàn)役城市橋梁，當(dāng)其滿足下列情況之一時(shí)，由于基于現(xiàn)場檢測的評估方法具有較多不確定性，不能滿足對橋梁實(shí)際承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的要求，需要結(jié)合靜、動載試驗(yàn)以準(zhǔn)確評定其實(shí)際的承載能力狀況:1)按《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》［5］評定為四、五類的橋梁;2)擬提高荷載等級的橋梁;3)需通過特殊重型車輛荷載的橋梁;4)遭受重大自然災(zāi)害或意外事件的橋梁;5)有特別要求的橋梁。

由于荷載試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，且需長時(shí)間中斷交通，因此對橋梁進(jìn)行靜、動載試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選擇評價(jià)結(jié)果為四、五類的橋跨或缺損較為嚴(yán)重或結(jié)構(gòu)較為典型的橋跨進(jìn)行。

1.2 評定結(jié)果等級劃分

結(jié)合靜、動載試驗(yàn)評定現(xiàn)役城市橋梁承載力的評價(jià)結(jié)果，可以采用四類等級進(jìn)行描述，則評語集:V={V1，V2，…，V4，}(一類，二類，三類，四類)。通過咨詢專家經(jīng)驗(yàn)，其評定結(jié)果等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 橋梁靜、動載試驗(yàn)綜合評定等級劃分

2 靜動載試驗(yàn)?zāi)：u價(jià)法

2.1 靜動載試驗(yàn)層次結(jié)構(gòu)評估模型

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》試驗(yàn)評估方法的規(guī)定，選擇靜載試驗(yàn)中常用的5個(gè)評價(jià)指標(biāo):撓度校驗(yàn)系數(shù)、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、相對殘余變位、裂縫和基礎(chǔ)沉降作為靜載試驗(yàn)綜合評估的評價(jià)因素，詳見文獻(xiàn)［4］。

橋梁自振頻率的變化不僅能反映橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度分布情況，還能反映結(jié)構(gòu)的損傷及受力體系的改變。沖擊系數(shù)反映了橋梁結(jié)構(gòu)對動荷載作用的動力放大作用，同時(shí)也反映了橋面的平整度，其值太大會影響人們的安全感，過大的動荷載效應(yīng)會造成橋梁結(jié)構(gòu)的動力損傷，甚至危及橋梁結(jié)構(gòu)的安全。因此動載試驗(yàn)可以采用頻率和沖擊系數(shù)作為動載試驗(yàn)綜合評估的評價(jià)因素。

城市橋梁承載能力的評估應(yīng)按照橋梁靜載試驗(yàn)評估、動載試驗(yàn)評估，靜、動載試驗(yàn)綜合評估，分2層逐層進(jìn)行確定。先根據(jù)靜載、動載試驗(yàn)得到的結(jié)果分別對靜、動載試驗(yàn)承載能力進(jìn)行評定，再根據(jù)靜、動載得到的評價(jià)結(jié)果對試驗(yàn)橋跨的承載能力進(jìn)行綜合評價(jià)。其層次結(jié)構(gòu)評價(jià)模型見圖1。

圖1 城市橋梁靜動載試驗(yàn)綜合評估結(jié)構(gòu)模型

2.2 動載試驗(yàn)評估指標(biāo)模糊量化

動荷載試驗(yàn)的評價(jià)包含脈動試驗(yàn)測得的自振頻率和跑車試驗(yàn)測得的沖擊系數(shù)2個(gè)因素評價(jià)指標(biāo)。應(yīng)先對每個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊量化，再根據(jù)量化的結(jié)果結(jié)合其相對應(yīng)權(quán)重對動荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。

2.2.1 自振頻率

自振頻率的評價(jià)可以根據(jù)橋梁實(shí)測自振頻率fmi與理論計(jì)算頻率fdi之比值fmi/fdi進(jìn)行確定，選取各階fmi/fdi的最小值作為試驗(yàn)橋跨自振頻率的評定系數(shù)，其評定等級隸屬函數(shù)見圖2。

圖2 自振頻率評定系數(shù)評定等級隸屬函數(shù)

2.2.2 沖擊系數(shù)

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［6］中對橋梁沖擊系數(shù)μ的設(shè)計(jì)計(jì)算值規(guī)定如下:

式中f為橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算基頻值/Hz。

對荷載試驗(yàn)橋跨沖擊系數(shù)的評價(jià)，可以考慮使用橋梁跑車試驗(yàn)的實(shí)測沖擊系數(shù)μm與設(shè)計(jì)理論值μd的比值 μm/μd。

由JTJ D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》μd可知，μd是針對整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，其值的大小只取決于橋梁的設(shè)計(jì)基頻值。因此，可以使用橋跨結(jié)構(gòu)在不同車速的跑車作用下，各控制截面μm/μd的最大值，作為試驗(yàn)橋跨的沖擊系數(shù)評定系數(shù)，并按照圖3所示的評定等級隸屬函數(shù)進(jìn)行評定等級劃分。

圖3 沖擊系數(shù)評定系數(shù)評定等級隸屬函數(shù)

2.3 構(gòu)造判斷矩陣確定權(quán)重

根據(jù)2.1節(jié)提出的層次分析結(jié)構(gòu)模型，使用層次分析方法，通過咨詢專家經(jīng)驗(yàn)，確定各層次因素之間相對于上一層評定因素的相對重要性程度，從而構(gòu)造相應(yīng)的判斷矩陣計(jì)算各層次因素的權(quán)重值。各層因素指標(biāo)的判斷矩陣及其權(quán)重值見表2、表3所示。

表2 動荷載試驗(yàn)評定指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重值表

2.4 模糊綜合結(jié)果處理

為了綜合考慮評價(jià)結(jié)果向量中對應(yīng)各評價(jià)等級的隸屬度對荷載試驗(yàn)橋跨承載能力的影響，使用模糊綜合結(jié)果處理方法，采用相應(yīng)的評分中值向量，對承載能力綜合評定結(jié)果向量進(jìn)行處理。

模糊綜合評定結(jié)果向量的計(jì)算步驟為:

1)因素集 U 的確定，即 U=(U1，U2，…，Un)，Ui為各影響因素;

2)評語集 V 的建立，即 V=(V1，V2，…，Vm)，Vj為各種可能的評價(jià)等級;

3)單因素評價(jià)，得到模糊關(guān)系矩陣R:式中rij是指U中的第i個(gè)因素對V中的第j個(gè)評價(jià)等級的隸屬度;

4)權(quán)重向量 A 的確定，即 A=(a1，a2，…，an)，a1為U中的第i個(gè)因素對評定目標(biāo)的影響相對于其他因素的重要性程度。

5)合成A與R得到評判結(jié)果B，即B=A·R:

式中bj為評估結(jié)果隸屬于Vj評價(jià)等級的程度。

康峰沂［8］在橋梁承載能力優(yōu)先檢測評定研究中，針對評價(jià)等級劃分向量提出了相應(yīng)的評分中值向量，根據(jù)得到的模糊向量結(jié)果，按每一評定等級的隸屬度值與相對應(yīng)的評分中值進(jìn)行乘積累加運(yùn)算，從而得到一個(gè)橋梁的綜合評分值，進(jìn)而對橋梁的具體狀況進(jìn)行評定分類。

設(shè)橋梁的技術(shù)狀況評定等級劃分為:V=(V1，V2，V3，V4)相對應(yīng)的評分中值向量為(93，75，57，25)［7］，若某一橋跨的模糊綜合評定結(jié)果向量為:B=(b1，b2，b3，b4)，則該橋跨的承載能力模糊綜合評分值為:93×b1+75×b2+57×b3+25×b4。根據(jù)得到的綜合評分值就可以按照表1的評定等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，對試驗(yàn)橋跨結(jié)合靜、動載試驗(yàn)?zāi)：C合評價(jià)方法得到的承載能力等級進(jìn)行評定。

2.5 工程實(shí)例

本文選用遂寧市通德大橋作為實(shí)際評價(jià)對象。靜載試驗(yàn)評定結(jié)果為(0，0.8，0.2，0)，動荷載試驗(yàn)評價(jià)結(jié)果(0.0.9，0.1，0)，得到主橋模糊關(guān)系矩陣為:

根據(jù)表3得到A=(靜荷載試驗(yàn)，動荷載試驗(yàn))=(0.833，0.167)，由式(2)得到隸屬向量為:

采用2.4節(jié)模糊綜合結(jié)果處理的方法，取其評分中值向量為:V=(V1，V2，V3，V4)=(93，75，57，25)，則其評分值結(jié)果為:93×0+75×0.82+57×0.18+25 ×0=71.6，根據(jù)表 1 評定等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，即知通德大橋主橋承載能力的最終評價(jià)等級為二類(85＞71.6＞65)。而按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》和《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》得到的評價(jià)結(jié)果，通德大橋均被評為二類橋，這驗(yàn)證了本文方法的正確性和可靠性。

3 結(jié)語

本文在相關(guān)橋梁荷載試驗(yàn)評估方法研究成果的基礎(chǔ)上，提出橋梁靜動載試驗(yàn)?zāi)：C合評價(jià)方法，經(jīng)驗(yàn)證表明:1)當(dāng)橋梁滿足1.1節(jié)評估條件，按基于現(xiàn)場調(diào)查檢測的改進(jìn)模糊綜合評價(jià)方法得到的結(jié)果，已經(jīng)不能滿足對橋梁實(shí)際承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的要求，因此需要對其進(jìn)行靜動載試驗(yàn)進(jìn)一步評估。2)動荷載響應(yīng)能夠較好地反映橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力性能，為了更真實(shí)地反映橋梁實(shí)際承載力狀況，引入動荷載試驗(yàn)指標(biāo)頻率和沖擊系數(shù)，結(jié)合靜荷載指標(biāo)撓度校驗(yàn)系數(shù)、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、相對殘余變位、裂縫擴(kuò)展情況和基礎(chǔ)沉降，使用模糊綜合評判方法對橋梁的承載能力狀況進(jìn)行綜合評價(jià)。3)使用層次分析方法建立了靜動載試驗(yàn)各評價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型，通過咨詢專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造判斷矩陣，確定了各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，以反映不同的荷載試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)對確定橋梁承載能力的影響。

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