新江南大桥施工监控及安全评价

1 引言

随着我国桥梁建设事业的发展， 施工过程监控及后续运营的安全尤为重要， 在不同的阶段对桥梁进行相关的结构监测与安全评价意义重大[1]。本文以飞燕中承式钢管混凝土系杆拱桥新江南大桥为例，通过长期的监控数据总结分析，根据不同的阶段及施工部位，通过监控部位及监控时段的层次划分，引入模糊综合评价理论，实现了对新江南大桥的施工监控，有效保证了桥梁的后期运营，具有工程实用价值，可为同类项目提供参考和借鉴[2]。

2 工程概况

新江南大桥位于岱山岛交通咽喉位置，主桥布置为：45.5 m+208 m+45.5 m 的飞燕中承式钢管混凝土系杆拱桥， 桥面全宽度为25 m，拱轴线采用悬链线，中跨拱桥计算跨径205 m，矢高38.68 m，矢跨比为1/5.3，拱轴系数m=1.25；边拱肋为悬链线箱拱，理论跨径为40.2 m，矢高为13.1 m，拱轴系数为1.5。左幅和右幅车行道净宽分别为11.25 m， 桥面系为8 m 钢筋混凝土π 型梁，采用先简支后固结体系。 主桥在桥梁两侧各设8 根系杆， 主跨共设有19 对吊杆。 引桥采用预应力混凝土T梁，下部桥台采用柱式台、U 台接桩基础，桥墩采用柱式或墙式墩，桥台及桥墩采用桩基础。 新江南大桥立面图如图1 所示。

图1 新江南大桥立面图

3 桥梁施工监控

新江南大桥的23 号墩右侧拱座承台与老江南大桥拱座相距较近，纵桥向相差2.47 m，横桥向搭接2.5 m，老江南大桥为有推力拱， 新江南大桥承台基础的开挖可能会造成老桥拱座位移，因此，对该区域一定范围进行注浆加固。 临近老桥拱座侧要垂直人工开挖，且该侧桩基一次施工一根，以减少对老江南大桥拱座后面土层的扰动。 整个过程施工的监控运行流程如图2 所示。

图2 施工监控流程图

4 施工监控安全评价模型

4.1 评价模型的构建

4.1.1 层次结构图

桥梁的安全评价是一个典型的多指标、多属性的问题，结合本桥工程概况及实际监控项目，运用层次分析法基本原理[3]，形成有序的递阶层次结构如图3 所示。

图3 新江南大桥施工监控评价层次结构图

4.1.2 评价原理及流程

为实现对该桥安全状况的综合评价， 引入模糊评价基本原理，通过建立评价因素集、评语集、权重集，应用模糊合成的原理，将一些不易定量的因素定量化，从而科学地得出评估结论的一种方法[4]。根据矩阵运算最大隶属度原则进行优选从而得到评价的最终结果，其评价流程如图4 所示。

图4 模糊综合评价流程图

4.2 评价因素集

根据安全评价原则及流程、相关法律法规，通过对新江南大桥施工现场的安全状况的初步调查、分析，根据所建立的层次结构图，确定线性监控等7 个第一层因素，同时考虑对老江南大桥的影响，结合工程实际情况，共划分为26 个第二层因素，其中桥墩沉降监测、拱座水平位移监测按施工所在阶段进行划分。 表达如下。

第一层次因素集：

U={U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7}{线性监控，应力监测，温度监测，张拉及索力监测，拱座水平位移监测，桥墩基础沉降，拱脚安全监测}。

第二层次因素集：

U1={u11，u12，u13，u14}={主跨钢管混凝土拱肋分段吊装，边跨边拱肋的线形监测，钢横梁标高监测，桥面高程及线形监测}。

U2={u21，u22，u23，u24}={主跨钢管混凝土拱肋钢管应力，边跨边拱肋应力，主跨钢管混凝土拱肋内部混凝土应力，桥墩应力}。

U3={u31，u32，u33，u34}={主跨钢管混凝土拱肋钢管温度，边跨边拱肋温度，主跨钢管混凝土拱肋内部混凝土温度，桥墩温度}。

U4={u41，u42，u43}={系杆张拉监测，施工阶段吊杆张拉，桥面铺装完成后吊杆监测}。

U5={u51，u52，u53，u54}={桥墩施工期间，桥墩施工完成至上部结构施工完成，桥面铺设期间，桥面铺设完成后}。

U6={u61，u62，u63，u64}={桥墩施工期间，桥墩施工完成至上部结构施工完成，桥面铺设期间，桥面铺设完成后}。

U7={u71，u72，u73}={拱脚竖向沉降，拱脚水平位移，拱脚应力}。

4.3 评语集

根据该桥施工特点及专家意见，建立评语集[5]为V={V1，V2，V3，V4，V5}={安全，较安全，一般，较不安全，不安全}。

4.4 权重集

对于不同的施工阶段，不同的监控部位和监控项目，根据其相对重要程度，运用Saaty 标度法[6]，进行权重赋值，并建立判断关系矩阵，通过归一化权处理后得到模糊权向量。 本桥所建的第一层因素判断矩阵及归一化权向量计算如表1 所示。

表1 第一层因素判断矩阵及归一化权向量计算如表

经计算得第一层因素权向量

W=[0.130 0.183 0.141 0.154 0.149 0.113 0.130]，

同理，可得第二层因素u1j~u7j的权向量分别为：

W1=[0.293 0.207 0.293 0.207]，W2=[0.274 0.274 0.248 0.204]，

W3=[0.360 0.286 0.177 0.177]，W4=[0.290 0.439 0.271]，

W5=[0.387 0.303 0.163 0.147]，W6=[0.423 0.271 0.161 0.145]，

W7=[0.584 0.232 0.184]。

4.5 一致性检验

运用矩阵计算工具， 分别计算出各判断矩阵的最大特征根λmax， 由查表得维度n 条件下的平均随机一致性指标RI[7]，计算层次总排序的一致性指标CI，随机一致性比例CR。 其中平均随机一致性指标RI 如表2 所示。

表2 平均随机一致性指标

其中，

当CR＜0.1 时， 表明所建立判断矩阵满足一致性检验要求， 否则需要调整， 以满足要求。 第一层因素判断矩阵的检验结果CR 为0.092＜0.1，计算结果已列入表1 中； 第二层判断矩阵u1j~u7j的CR 分别为：0.045，0.023，0.038，0.016，0.04 4，0.017，0.047，均小于0.1，通过一致性检验，表明所赋权重合理。

5 模糊综合评价

5.1 二层因素指标评价矩阵

新江南大桥混凝土应力监测采用智能弦式应变计， 拱肋应变、钢管拱肋内混凝土应变个别测点略超过规范限值，其余均在规范限值内，钢管拱肋表面应变均不超过规范限值，个别测点超限值经调查发现主要是因为施工过程中施工车辆在桥上施工导致。 边跨拱肋线形监测，发现边拱线形有向上抬起的趋势，检测单位下发预警通知并通知施工单位采取相应措施，之后线形保持相对稳定状态。 主桥桥墩22-4#监测点于2019年8 月20 日至8 月29 日沉降值达到最大6.13 mm，超过设计限值1.13 mm， 检测单位及时通知施工单位采取相应措施，并加大监测频率，测点沉降值回落至设计限值内，满足设计要求。主桥拱座水平位移监测22-1#监测点于2019 年7 月26 日至9 月12 日水平位移值达到最大8.3 mm，超过设计限值3.3 mm。通过指挥部、项目公司、设计单位、监理办、施工单位，召开专题会议并采取相应措施，同时加大监测频率。 随着后期施工进展，水平位移值回落至设计限值内，满足设计要求。

根据评价模型和施工监控情况，本文运用15 位专家投票的方法，对26 个第二层因素进行单因素评价，并进行归一处理，从而构成第二层指标的评价矩阵Ri分别为：

5.2 模糊综合评价

记第一层因素的模糊综合评价集Hi=Wi·Ri，其中第i 个第一层因素的对应的第二层评价特征向量为Wi（i=1，2，…，7），则最终的7 个第一层因素评价计算结果如下：

H1=[0.203 0.319 0.234 0.200 0.048]，

H2=[0.141 0.385 0.256 0.198 0.019]，

H3=[0.242 0.322 0.240 0.167 0.029]，

H4=[0.281 0.235 0.242 0.192 0.052]，

H5=[0.105 0.361 0.247 0.249 0.038]，

H6=[0.267 0.345 0.132 0.182 0.075]，

H7=[0.207 0.349 0.230 0.163 0.051]。

记评价运算最终结果向量为Y：

结果显示，0.324 为最大值，依据最大隶属度原则，对照评价集，新江南大桥施工处于“安全”水平，与施工现场安全检查情况吻合。

6 结语

以新江南大桥为例进行了施工监控安全评价， 根据现场情况及专家意见， 运用层次分析法将评价体系分为7 个第一层因素共26 个第二层因素，并通过构建模糊评价模型，实现了对该桥施工监控的安全评价，本文得出以下结论。

1）桥梁施工监控涉及多方面，从线性监控、应力监测、温度监测、索力监测、水平位移监测、桥墩基础沉降监测、老拱桥拱脚监测进行层次划分与实际施工监控项目及进度相符合，是合适的。

2）本文建立了各层次结构因素的判断矩阵，并通过一致性检验，从而保证了权重赋值的科学性、评价模型的有效性。 根据桥梁施工监控的实际进程，采用专家投票，并对其进行归一化处理，发挥了工程建设宝贵经验，确保了综合评价的定量化。