基于灰色关联法的自然环境对西藏桥梁病害的研究

张娅婷，梁锦浩，侯升起

（西藏大学工学院，西藏 拉萨 850000）

1 引言

桥梁是公路基础设施的重要组成部分，桥梁的生命周期中，不仅仅要承受车辆行人等荷载，还要受到自然环境的严酷考验[1]，对人们的出行安全构成威胁。科学的分析自然环境对西藏桥梁病害部位的影响，对今后西藏地区桥梁养护和管理具有重要的指导意义。

目前，已有不少国内外学者就自然环境对桥梁病害问题做了深入研究。宋春霞等人提出水中桩基础病害的预防应从设计、施工以及养护等方面出发防治病害[2]。解玉侠等人应用了多元分析的方法，分析自然环境对桥梁病害的影响[3]。张鹏等人通过对盐碱地区的桥梁进行调查，提出改造、重建桥梁从荷载标准、结构选型、耐久性设计这三方面出发的建议[4]。吕娜娜对141 座在役桥梁病害数据进行分析与整理，总结出主要的病害类型[5]。刘宏伟等人分析桥涵病害与不同气候、地形、地质之间的关系，总结出青海省常见的桥梁病害类型[6]。

本文利用灰色关联分析模型，通过对西藏地区22个公路养护段桥梁病害和自然环境的相关性进行分析，为今后西藏地区桥梁养护和管理提供依据。

2 灰色关联分析法

灰色系统理论是我国著名学者邓聚龙教授于1982年提出的[7]，该理论所需数据量小，在众多科学领域广泛应用[8]。在西藏桥梁病害的分析中，以桥梁病害部位为原始序列，桥梁病害的各个影响因素为比较序列，进行灰色关联分析。

2.1 确定参考序列与比较序列

（1）选取桥梁组成部分指标

桥梁是道路的重要组成部分，是使车辆行人能够通行的构筑物。选择桥梁上部结构、下部结构、附属构造物病害部位作为桥梁的指标。设为

（2）选取自然环境因素指标

西藏地区特殊的自然环境对桥梁结构的安全性、耐久性以及承载力有很大的影响。根据文献调研法以及西藏地区实际的情况，本文选取8 个自然环境[3]具有典型意义的指标，分别为高寒、高温差、太阳辐射、日照长、降雨量、空气湿度、冻土以及大风。设为

2.2 数据的无量纲化处理

由于各个因素之间计量单位和数量级的不同，无法对各个因素直接计算。采用无量纲化处理数据的方法，常用的无量纲化的处理方法有均值法、极值法、归一化[9]。本文采用均值化的无量纲化方法，应用公式（1）（2）对参考序列和比较序列进行无量纲化处理[10]：

（1）式中，Zi是比较序列的均值化数列；

i=1,2,...,n;k=1,2,...,m。Xi(k)是比较序列。

（2）式中，Z0是参考序列的均值化数列。X0( k)是参考序列。

2.3 灰色关联系数计算

（3）式中，ξ0i（k）是原始序列Z0 和比较序列Zi 的灰色关联系数。为绝对差值。ε为分辨系数，当ε≤0.5463 时，分辨力最好，本文分辨系数ε取0.5。

2.4 关联度计算

（4）式中ξ0 i(k)是原始序列与比较序列的关联度；ri是关联度值，ri的值越接近1，则因素之间的相关性越大。

3 自然环境对桥梁不同部位病害的灰色关联分析

3.1 确定参考序列与比较序列

西藏地区自然环境因素较多，基于文献调研法与实地的考情察况，结合数据的代表性与合理性。收集了西藏地区22 个公路[3][10]的自然环境作为比较序列，桥梁病害部位数目作为初始序列。

3.2 数据的无量纲化处理

利用公式（1）（2）使用均值法对自然环境和病害部位的指标进行无量纲化处理，因篇幅有限，得到主要数据的无量纲化表表1。

表1 数据无量纲化处理表

3.3 灰色关联系数计算

利用公式（4）计算得到桥梁的各个病害部位与自然环境的灰色关联系数表，对关联系数取均值进行排序，排序结果如表2 所示。

表2 桥梁各个病害部位结构与自然因素的灰色关联度表

4 桥梁不同部位病害与自然环境关系的结果分析

通过对桥梁不同部位病害与自然环境的灰色相关性分析，桥梁不同部位的病害与自然环境之间的关系主要从下列三个方面分析。

（1）桥梁上部结构的病害是影响桥梁结构安全性与稳定性的重要指标。通过灰色关联度分析，得出上部结构的病害主要由冻土、日照长、太阳辐射、高温差4种自然环境造成的，降雨量、大风对上部结构的病害影响较小。西藏高原高寒、日照时间长、昼夜温差大，桥梁将会受到反复的冻融循环的侵蚀。因此相关性的分析真实地反映了自然环境对桥梁上部结构的影响。

（2）桥梁下部结构承载上部结构所产生的作用，桥台、桥墩、基础是影响桥梁承载力和耐久性的重要部分。通过灰色关联分析，得出桥梁下部结构的病害主要由空气湿度、高温差、降雨量3 种自然环境造成的，高寒、大风对下部结构的病害较小。在桥梁结构耐久性和承载力设计和施工时，考虑对混凝土材料的基本要求以及各种耐久性能，从设计、施工、养护方面提高混凝土桥梁的耐久性和承载力。

（3）桥梁的附属构造物主要包括防撞墩、栏杆、伸缩缝、灯光照明。通过对自然环境和桥梁不同部位病害关联性分析，得出桥梁附属构造物部位的病害主要由高温差、日照时长、冻土、太阳辐射4 种自然环境造成的，大风对桥梁附属构造物部位的病害较小。通过对西藏地区实地情况的考察以及文献调研[11]，发现桥梁伸缩缝受气温变化影响较大，出现收缩或者膨胀的现象，与高温差、日照、冻土、太阳辐射等因素相关性较大，验证了灰色关联分析模型的可行性与合理性。

5 结语

通过分析，得出西藏自然环境与当地桥梁病害的有很大的相关性，这也于当地的实际情况相符合，验证了该方法的可行性与实用性。对提高桥梁承载力和耐久性的设计和施工，不仅要考虑混凝土材料的使用，还要考虑当地自然环境与人为环境等因素的影响。本文可以为今后分析西藏地区桥梁病害作为参考。