预应力混凝土简支箱梁的多级模糊综合评定方法

黄桂 林范宇

预应力混凝土简支箱梁的多级模糊综合评定方法

黄桂 林范宇

预应力简支箱梁的分项工程验收特定标准和规范对其描述得较少。但因其外观简洁，轻便省材且施工难度小，被广泛利用。但在近些年的工程当中，箱梁的质量，尤其是外观出现很多问题。以哈尔滨地区某高架桥为例，对影响预应力简支箱梁的各组成材料的形态、外观，采用模糊数学的理论，做出了一套完整的多级模糊综合评价方法，利用系统模糊理论建立了预应力混凝土简支箱梁的综合评价体系。该评定方法不仅考虑了天气的因素，并且兼顾了经济等主要部分，简化了错综复杂的预应力简支箱梁的评估工作，科学而实用。

预应力简支箱梁 多级模糊综合评价方法 系统模糊理论 评价体系

一、引言

预应力简支箱梁因其外观简洁、轻便省材且施工难度较小、经济省材，是近年来铁路、公路、市政桥梁中普遍使用的一种桥梁上部结构形式1。预应力简支箱梁因构件截面小，并且能利用高强材料，自重弯矩占总弯矩比重下降很多，桥梁的跨越能力得到明显的改善。与钢筋混凝土梁桥比较后，跨径一般可提高30～40%。由于全预应力混凝土梁在使用荷载作用下不会出现裂缝，即便是部分预应力混凝土梁在使用荷载作用下也不明显。因此在构件全截面工作下，梁的刚度要比通长开裂的混凝土要大。因此可显著减少预应力梁的建筑高度，并且可以把大跨径桥梁做得美观2。对于预应力简支箱梁的桥梁来说，基本性能和构造要求就越来越严格。由于近代桥梁工程中，预应力简支箱梁占总工程的比重越来越大，因此，建设优质工程来说，建立一套完整的预应力简支箱梁的综合评价方法，提高预应力简支箱梁的整体水平，提高预应力简支箱梁预制的规范化、标准化具有重要作用，对于经济方面的影响也有很大的因素。

我国地区跨度比较大，东北地区属于季节性冻土区或是寒冷地区。环境变化和昼夜温差较大，对于预应力简支箱梁的要求比较高。用来防止混凝土的常规性及温差引起的破坏。

目前预应力简支箱梁的具体评定方法有，现场检查，而承载能力的评定方法要通过静载试验来完成，是一种以试验和计算机相结合的评定方法。但其不利之处在于获得周期比较长，这就增加了寒冷地区预应力简支箱梁的检测成本和难度3。

如何评价现有寒区预应力简支箱梁的结构性能和承载能力，已经引起普遍关注。准确评定其性能和承载能力，对于寒区预应力简支箱梁来说变得很重要。本文采用的系统模糊性评定是对寒区预应力简支箱梁的性能和承载能力用数学的方法来研究和处理，使评定结果更为客观准确4。

二、预应力简支箱梁的评定方法

预应力简支箱梁在预制和安装过程，会出现不同的病害或者强度不足，为了确定预应力简支箱梁的各部分指标，首先对影响因素进行权重的划分，然后根据专家给出的经验，对各组成部分进行权重的划分，接着根据专家经验，应对各单项指标给出评分，最后综合各个部分来评定5。

（一）单项因素评价指标的权重确定

影响预应力箱梁的单项因素评价指标可分为两大类，即外观形态指标、材质形态指标。单项因素指标的权重值，可由预应力简支箱梁各部分变化的影响来确定。通过对比分析，影响预应力箱梁的外观和形态两大指标的权重值如表1。

表1 单项因素评价指标权重值表

（二）单项指标的评分值确定

单项指标的评分值确定是对预应力简支箱梁各检验部分的量化，是最终确定预应力简支箱梁各组成部分的依据。对于位于寒区的预应力简支箱梁的各部分的评分值可参考表2、表3。

表2 外观形态类指标评分一览表

表3 材质形态类指标评分一览表

（三）各组成构件的确定

由于构件的外观形态参数和材质形态参数是相互独立的，因此在评判预应力简支箱梁的过程中，将预应力简支箱梁的某部分与两类参数相应的评分值相乘，就得到该部分的评分值6。

式中：Fj—表示为某部分的评分；

EAi/EBi—分别表示外观形态类和材质性态类某单项指标评分；

WAi/WBi—分别表示外观形态类和材质性态类单项评价指标所对应的权重；

三、预应力简支箱梁的综合评定方法

首先按照箱梁的检测的基本顺序（如梁端部、粱中部、梁顶）的各构件形态构造出评价矩阵，然后用各构件的权重集求得相应的评判结果，评判结果求出后，再构造出评判矩阵，从而得到预应力简支箱梁的评价程度7。评判图框如图1所示。代表影响因素权重集，代表影响因素评判矩阵，代表评判的结论，下标表示影响因素的层次关系。

图1 预应力简支箱梁综合评判框图

（一）各组成部分评价指标的权重确定

在详细地分析了寒区预应力简支箱梁一些指标的影响因素后，根据各部分的组成情况，及检测标准，依据相关工程质量验收规范，确定各组成部分对预应力简支箱梁评价指标的权重8。

对于预应力简支箱梁的评价体系而言，判断箱梁结构的程度，梁端部和梁中部比梁顶要重要的多，可近似取预应力简支箱梁各部分的权重集A~=｛0.4，0.4，0.2｝。

在图1中，A

表4 预应力简支箱梁各组成部分评价指标权重一览表

（二）预应力简支箱梁分项模糊判定

首先对检测的预应力简支箱梁各组成部分的权重确定，然后运用分层模糊评判来确定各分部结构的程度，具体计算步骤如下：

第一步：建立因素集：XT=｛x1，x2，…xn｝（2）

元素xi表示预应力箱梁各部分的得分。

第二步：建立评价集：Y=｛y1,y2,y3｝（3）

元素yi表示参选评价指标。根据JTGF80/1—20094《公路工程质量检验评定标准》桥梁技术状况评定标准，按分项工程的评分值为三类，即：

y1（一类）：外观和材质符合设计指标，合格；

y2（二类）：外观和材质达到设计指标，需要进行保养，合格；

y3（三类）：外观和材质比设计降低10%以上，需要进行中修，为不合格9。

第三步：建立评价矩阵：

预应力简支箱梁各部分影响因素与评价指标的对立关系建立隶属函数：

X→f（Y）

即：X→ri1/y1+ri2/y2+…rij/yj+rim/ym(4）

因此可确定单因素评判矩阵：

式中：n—因素项目数；

rij—表示XT中i个因素相对于第j个评价的隶属函数。第四步：建立权重矩阵：

A=（a1,a2,…ai…an）（6）

式中：A—XT集合上的权分配模糊向量；

ai—表示XT中xi因素的权重，且权重值可按本文上述介绍选取。

第五步：计算：

运用模糊数学方程AR=B，可求得矩阵B：

则称B*为分项评判结果。取用预应力箱梁的分项结构中最大的一个元素，根据最大隶属度原则，可确定预应力箱梁的各部分结构的损伤程度B：

B=max(bi/b*)(i=1,2,3,4,5)（9）

（三）预应力简支箱梁的整体模糊评定

可由预应力箱梁各组成部分作出分项评判后，进行预应力简支箱梁的整体评判。

建立预应力箱梁的权重集：A=(a1,a2,…an)

求得的分部评判向量，然后进行综合评判矩阵。该矩阵乘以权重向量，最后得到预应力箱梁整体折减的模糊矩阵C:

最大隶属度的原则，可确定预应力简支箱梁整体折减程度C：

C=max(ci)(i=1,2,…,n)（11）

最后根据预应力简支箱梁的整体折减程度，评定结构属于评价集Y中的哪一类。

四、评价实例

以哈尔滨地区某高架桥为例，该工程预制箱梁比较多，各分部结构的评定方法如上所述，下面介绍下各级的评判：

1.一级（各组成部分）评判。根据实验测得的数据，用模糊数学分析得到的构件评分如：

各组成部分的权重可按照预应力箱梁的各分项组成部位相对比值，得到其不同部分的权重集如：

2.二级（预应力简支箱梁各分部结构）评判。根据梁端钢筋锈蚀、梁端截面尺寸、梁中部混凝土强度等一级评判结果可以构造出预应力简支箱梁结构的评判矩阵：

上述方法与传统方法比较，结果完全一致。

五、小结

本文在充分利用现场试验数据、理论分析的理论，对预应力简支箱梁各组成构件评分的基础上，利用模糊数学的方法从诸多因素对严寒地区的预应力箱梁进行综合评估。将此评定方法应用到预应力简支箱梁的验收和评定工作中去，此方法与JTGF80/1—2004《公路工程质量检验评定标准》预应力简支箱梁的验收方法相对比，其评定结果完全一致。因此该方法既能节约成本，缩短了评定周期，而且也满足了预应力箱梁的复杂评估要求，能客观地评估了预应力简支箱梁的实际状况。

注释：

1周鹏程.后张法预应力桥梁施工技术[J].北京：交通世界（建养、机械），2012（11）

1姜玮蔚.现代预应力技术在桥梁结构中的应用[J].科技风，2010.

3高宇.在用混凝土桥梁构件耐久性指标体系的研究[D].重庆交通大学，2012.

4贺拴海，王凌波.在役预应力梁桥残余承载力评估方法研究[D].长安大学，2011.5.

5王宗林，盛可鉴.简支转连续梁桥的几个关键问题的研究[D].哈尔滨工业大学，2013.1.

6项贻强，龚世康.简支连续小箱梁桥施工质量与影响因素分析[D].浙江大学，2007.5.

7季文玉，张彦玲.钢筋混凝土组合梁负弯矩区受力性能及开裂控制的试验及理论研究[D].北京交通大学，2009.6.

8郝培峰，于松廷.基于多因素评价的管理系统[D].东北大学，2010.5

9孙全胜，常继峰.公路桥梁承载能力多级模糊综合评定方法[J].交通运输系统工程与信息，2007.6.

（作者单位：东北林业大学 黑龙江哈尔滨 150040；黄桂林，博士，副教授，硕士生导师；范宇，在读硕士）

（责编：若佳）

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