基于风险评估的钢桥面铺装方案比选研究

2018-03-20 00:51:48钊,朱
现代交通技术 2018年1期
关键词:四桥评判桥面

吴 钊,朱 雷

(1.苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 211112;2.新型道路材料国家工程实验室,江苏 南京 211112)

钢箱梁具有强度高、自重轻、抗变形、便于工厂化制造和施工等特点,广泛应用于大跨径钢桥中[1],钢箱梁近乎完美地解决了桥梁的自重、承重和跨越之间的矛盾,但也产生了钢桥面铺装方案的难题。国内对大跨径钢桥面铺装尚无成熟可靠的方案[2],经过10余年的研究和应用,已逐渐形成了双层环氧沥青铺装、浇注式沥青铺装和ERS组合式钢桥面铺装等主流铺装结构[3]。在钢桥面铺装建设的前期研究工作中,如何确定适合的钢桥面铺装方案是一个重点。本文结合南京四桥工程实例,从风险评估的角度,基于模糊评价方法对主流钢桥面铺装方案进行比选研究,找到适合南京四桥的钢桥面铺装方案,为后续钢桥面铺装方案研究提供参考。

1 工程概况

南京四桥位于长江南京区段内,在南京长江第二大桥下游约10 km处,距离长江入海口约320 km,是多条国道主干线在南京的重要过江通道,也是南京市跨江发展的重要战略通道,对南京市的经济、社会发展有重要作用。南京四桥主桥为主跨1 418 m的3跨连续钢箱梁悬索桥,桥跨布置为575 m+1 418 m+483 m,采用扁平流线型加劲梁,是目前国内跨径最大的双塔3跨悬索桥。

2 钢桥面铺装方案研究

我国的钢桥面铺装研究始于虎门大桥,可分为以下3个阶段。第1阶段:虎门大桥以前,随着国内钢桥建设的开始,整个研究处于起步阶段,对钢桥面铺装的认识不足,通常采用路面用沥青混合料进行铺筑,桥面铺装的早期损坏较为严重;第2阶段:技术引进阶段,随着国内钢桥建设的进一步展开,钢桥面铺装步入一个多种铺装方案研究同时展开的阶段;第3阶段:深入研究阶段,2005年以后,国内的钢桥建设步入顶峰,一大批世界级的跨江、跨海桥梁建成投入使用,国内钢桥面铺装的研究也获得较大的突破,取得了一系列的研究成果。

3 风险分析评估

在工程领域,工程风险可以定义为“一项工程在设计、施工及移交运营各个阶段,造成实际结果与预期目标的差异性,以及这种差异发生的概率和所造成的损失”,是人们对未来行为的决策及客观条件不确定性而引起的后果与预定目标发生多种偏离的综合[5-6]。

风险分析可有多种方法,归纳起来,风险评估包括定性方法与定量方法两种。在工程实际中,定量分析所依据的数据可靠性很难保证,再加上数据统计缺乏长期性,计算参数的假定及过程的不准确性,给量化分析带来了很大困难,所以目前工程实际应用的风险平评估以定性分析为主[7]。本文采用模糊综合评价法对南京四桥钢桥面铺装方案进行定性分析。

3.1 建立评估对象集

针对南京四桥钢桥面铺装方案,建立以4种主流钢桥面铺装方案{环氧沥青铺装方案,浇注式沥青铺装方案,组合式沥青铺装方案,双层SMA铺装方案}为对象的评估对象集。

3.2 建立因素集

对影响判断对象的风险因素作层次划分,将各风险因素分为m类,建立风险因素集U,U={U1,U2,…,Um},各元素Ui代表各类风险因素,这些风险因素具有不同程度的模糊性。

针对南京四桥钢桥面铺装,一级评价因素分为使用性能、施工可控性及后期养护性能3个因素,具体评价因素如表1所示。

3.3 建立评价集

对评判对象可能做出各种评判集合的总体,表示为V,V={V1,V2,…,Vm},其中各元素Vi代表各种可能的评价结果,模糊综合评价的目的就在于通过综合考虑评判对象的所有影响因素,从评价集中获得一个最佳评判结果。南京四桥钢桥面铺装方案风险分析评价集如表1所示,其中病害发生概率等级标准如表2所示,评价因素等级标准如表3所示。

表1 各级评价因素及其权重

表2 病害发生概率定性等级标准

3.4 建立权重集W

为了反映各风险因素的重要程度,对各风险因素赋予相应的权重Wi={W1,W2,…,Wm},通常各权数Wi应满足归一性和非负性条件(0<Wi<1)。南京四桥钢桥面铺装方案风险分析权重集如表4~表6所示。

表3 评价因素等级标准

表4 一级风险因素的权重值

(1)一级风险权重值主要与决策关注点有关,南京四桥钢桥面铺装决策对3个方面均比较重视,3个因素的权重值基本相同。

(2)二级风险和三级风险因素的权重值则主要考虑各风险因素对各方案的影响程度,影响程度大的权重值取大一点,反之取小一点。

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4 风险分析评估结果

4.1 单因素模糊评判

单独对一个影响因素Ui进行评判,以确定评判对象对评价集元素V的隶属程度,得到评判结果Ri={γi1,γii2,…,γiin},将各因素评判集的隶属度排列成行,构成如下单因素评价矩阵。

表5 二级风险因素的权重值

表6 三级风险因素的权重值

(1)使用性能评价

国内钢桥面铺装使用情况统计如表7所示。从推广应用情况看,环氧沥青铺装占有绝多优势,浇注式和ERS钢桥面铺装方案从规模和数量上均不能与环氧沥青铺装方案相比。从实体工程使用情况看,环氧沥青铺装方案成功的和失败的例子都有;浇注式钢桥面铺装方案除早期的江阴大桥病害发生严重外,其余桥面铺装铺装使用状况都比较良好;ERS钢桥面铺装除去西陵长江大桥和江东大桥铺装病害严重外,其余桥面铺装使用状况均比较良好;双层SMA方案从虎门大桥应用以来,桥面铺装病害现象严重[8]。

(2)施工可控性评价

施工的难易程度对于保证铺装最终的性能和铺装的推广应用具有重要意义,工可控性评价集结果如表8所示。

表7 国内钢桥面铺装使用情况统计

表8 施工可控性评价集结果

(3)后期养护难度评价

钢桥面铺装的后期养护方案是一个重要的方面,合适的养护方案能够极大地保证钢桥面铺装的使用性能,提高钢桥面铺装使用年限,后期养护评价集结果如表9所示。

表9 后期养护评价集结果

4.2 模糊综合评判

从构成单因素评判矩阵的性质可以看出:R的第i行,反映了第i个因素影响评判对象取各个评价及元素的程度,R的第j列,反映了所有因素影响评价对象对第j个评价集元素的程度;可用每列元素之和来反映所有因素的影响,在各项作用以相应因素权数W(ii=1,2,…,m),便能合理地反映所有因素的综合影响,得到模糊综合评价指标B=W×R={b1,b2,…,bm}。

综合考虑所有因素影响,将各因素的权重值作用于各因素的评价指标上,得到模糊综合评价指标,如表10所示,风险水平等级矩阵和风险水平接受准则如表11、表12所示。

通过模糊综合评价指标,最终得到几种铺装方案的风险等级,其中环氧沥青铺装、浇注式沥青铺装和ERS钢桥面铺装方案风险等级均为Ⅱ级,双层SMA铺装方案风险等级为Ⅲ级;模糊综合评价指标双层SMA为3.1,环氧沥青铺装为2.7,浇注式沥青铺装为2.2,ERS钢桥面铺装为2.3。综合风险等级与模糊综合评价结果,浇注式钢桥面铺装和ERS钢桥面铺装综合性能更为优良,考虑南京四桥大跨径悬索桥的大变形特点,可以优先考虑浇注式沥青钢桥面铺装。

表10 模糊综合评价结果

表11 风险水平等级矩阵

表12 风险水平接受准则

5 结论

本文结合南京四桥工程实例,从使用性能、施工难度、后期养护等方面对国内主流钢桥面铺装方案进行了风险评估,结果表明浇注式钢桥面铺装和ERS钢桥面铺装综合性能更为优良,考虑南京四桥大跨径悬索桥的大变形特点,可以优先考虑浇注式沥青钢桥面铺装。本文基于风险评估对各铺装方案进行决策评估,包括方案设计、施工可控性和后期养护难度3个因素,为后续钢桥面铺装决策研究提供一种新的研究思路。

[1]Yazdani N,Albrecht P,Asce M. Risk Analysis of Fatigue Failure of Highway Steel Bridges[J]. Journal of Structure Engineering,1987,113(3):483-500.

[2]顾新宇.悬索桥桥面沥青铺装层力学分析及结构设计研究[D].南京:东南大学,2002.

[3]李智,钱振东.典型钢桥面铺装结构的病害分类分析[J].交通运输工程与信息学报,2006,14(2):110-115.

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