既有节段预制混凝土桥梁状态评估方法研究

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2024.02.003

摘" 要：基于国内外学者关于既有桥梁状态评估方法的研究，建立既有节段预制桥梁结构损伤状态评估指标体系.提出基于层次分析法的既有节段预制桥梁状态评估方法，并在该方法的基础上，引入权重赋分法考虑各影响因素的重要程度对既有节段梁各结构进行权重赋分，给出了相应的桥梁状态评估公式，制定了节段预制桥梁状态评估标准.最后，结合一个既有节段预制桥梁损伤状态评估实例来演示本文所提出方法进行节段梁状态评估的实现过程.

关键词：节段预制桥梁；损伤评估；层次分析法；权重赋分法

中图分类号：U443.3""" 文献标志码：A""" 文章编号：10001565（2024）02013108

State evaluation method of existing segmental precast concrete bridges

YUAN Aimin， CHEN Qi， MIAO Xinge， WANG Xi， HOU Da

（College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： Based on the research of domestic and foreign scholars on the state evaluation method of existing bridges， the state evaluation index system of existing segmental precast bridge structure is established. The condition assessment standard of existing segmental precast bridge based on analytic hierarchy process method is proposed. According to the principle of analytic hierarchy process method， the weight assignment method is introduced to consider the importance of each factor to evaluate the damage condition of the existing damaged segmental beam， so as to form a new set of state evaluation methods for the existing segmental precast bridge. Finally， an example of damage condition assessment of an existing segmental precast bridge is used to demonstrate the implementation of the proposed method for segmental beam.

Key words： segmental precast concrete bridges; damage assessment; analytic hierarchy process method; weight assignment method

节段预制桥梁拼装是一种以纵向为主，将桥梁分段预制并拼装的建造技术，能够满足桥梁工厂化、标准化、快速化的施工要求，同时又具有施工质量易控制、安全、对环境干扰少以及绿色环保等优点，目前已在国内外得到广泛应用［1］.在此类桥梁中，各个节段之间不连续，接缝处的纵向钢筋断开.随着节段预制桥梁服役年限越来越长，可能会产生接缝张开等问题，对桥梁整体的安全性和耐久性都产生一定的影响.因此，开展既有节段预制桥梁工作状态的科学评估研究，对节段预制桥梁的养护、维修和加固等具有重要意义.

收稿日期：20230913;修回日期：20240105

基金项目：

国家自然科学基金面上项目（51878250）；宿迁市交通运输科技与成果转化项目（2022Y09）；江苏省研究生科研创新计划（KYCX23-0698）

第一作者：袁爱民（1974—），男，河海大学教授，博士，主要从事预制节段混凝土桥梁研究.E-mail： yuanam@163.com

桥梁结构状态评估是指通过各种手段测量出桥梁当前的工作状态，在此基础上运用某种结构状态评估理论，并结合所测量的结构信息，对桥梁结构的健康状态进行评估，以确定当前桥梁的安全性和耐久性［2］.目前，国内外学者在桥梁状态评估方面开展了许多研究，并取得了一系列成果，逐渐形成了较为成熟的桥梁状态评估方法，主要有层次分析法［3-4］、模糊综合评估法［5-7］、模糊神经网络法［8-9］、专家系统法［10］等.然而，要想得出准确的桥梁结构状态，排除人为主观因素的影响，就必须提出一种科学客观的综合评估方法.目前，常用的评估方法为层次分析法，但大部分仅仅从单一角度出发，只考虑桥梁某一方面的影响因素，虽然大致能够对桥梁结构的状态进行评估，但所考虑的影响因素不够全面，且各层次结构之间的界限划分不够清晰，难以细化各影响因素，大大降低了评估结果的准确性.

从文献调研结果可知，虽然当前桥梁结构状态评估方法众多，但主要还是用于连续梁桥、刚构桥等整体式桥梁的状态评估，鲜有对节段预制桥梁损伤状态评估的研究.因此，为对节段预制桥梁结构状态进行评估，本文将以层次分析法为基础，综合考虑既有节段预制桥梁的各个部分的影响因素，提出一种科学客观的节段预制桥梁总体评估方法，并结合权重赋分法，得出一种科学准确的节段预制桥梁损伤评估方法.

1" 节段预制桥梁状态评估体系的提出

目前，国内外学者对既有桥梁损伤状态评估的方法主要有2种： 一是对现有的桥梁结构进行检测，根据实际测量的桥梁材料性能和结构尺寸来对结构的承载能力进行计算，之后根据计算结果对桥梁的具体损伤状况进行科学评估，这类方法通常需要建立数学模型，并且需要考虑较多的参数，因此评估过程相对繁杂；另一种方法是基于学者们在长期对桥梁结构检测中所积累的经验，通过结合桥梁的结构特征以及必要的实测数据，来对桥梁结构使用状态进行评估，这种方法只需对桥梁使用状态进行简单的分析和比较，就能得到评估结果，且结果较为符合实际情况.

层次分析法（analytical hierarchy process）［11］属于第2类评估方法，最早由美国科学家Saaty提出，它通过建立研究对象的层次评估模型，采用适宜的标度来确定每个层次中各评估指标的权重，然后通过多级评估规则及打分法来对各层指标进行评分.该方法既能够较为全面地考虑各方面的影响因素，又能体现各方面的影响因素对桥梁使用状态的实际影响，从而使得评估结果更加科学、客观.因此本文将以层次分析法为基础来对节段预制桥梁进行状态评估.

1.1" 评估结构模型构建

根据层次分析法，对桥梁整体进行递阶分层评估模型的建立，对其复杂层次关系进行合理简化，如图1所示.桥梁总体损伤评估为总目标，上部结构损伤状况、下部结构损伤状况以及桥面系损伤状况为一级损伤评估目标.一级损伤评估目标下又分为二级损伤评估目标，如上部结构中主要承重构件、次要承重构件等.通过递阶层次分析评估，以此取得桥梁结构损伤状况等级及其隶属每个等级的实际状况.

1.2" 判断矩阵构建

对每一层中影响桥梁承载力的各个因素给出相应的判断，之后选择恰当的标度将这些判断表示出来，构建判断矩阵A.考虑n个影响因素的影响，可以得出两两比较的判断矩阵A=（aij）n×n.

A=a11a12…a1n

a21a22…a2n

an1an2…ann，（1）

其中，矩阵A为正互反矩阵.aij表示因素i、j相较于判断目标的重要值.判断矩阵A具有以下性质：

aij＞0；（2）

aij=1aji，（i，j=1，2，…，n）.（3）

表1为层次分析法中的比例标度表.

根据图1和表1，构建出节段预制桥梁状态损伤评估的判断矩阵.根据一二层结构能够构建上部结构、下部结构、桥面系的判断矩阵，其中上部结构判断矩阵如表2所示.

1.3" 层次单排序及一致性检验

层次单排序是指通过计算得出某一层次影响因素对上一层次中某因素相对重要性的排序权值的计算过程.能否进行层次单排序，需要对其进行一致性检验.常见的确定权重的方法和法，具体过程如下：

1）将1.2节所得到的判断矩阵A的元素按列进行归一化处理，得矩阵P=（pij）n×n，其中

pij=aij/∑ni=1aij（i，j=1，2，…，n）.（4）

2）将P中各行元素按行相加，得向量Q=（q1，q2，…qn）T，其中

qi=∑ni=1pij（i，j=1，2，…，n）.（5）

3）对向量Q进行归一化处理，可计算得出权重向量W=（ν1，ν2，…，νn）T，其中

wi=qi/∑ni=1qi，（i，j=1，2，…，n）.（6）

4）计算判断矩阵的最大特征值

λmax=1n∑ni=1（AW）iνi.（7）

5）采用一致性指标CI进行一致性检验，

CI=λmax-nn-1.（8）

CI值越小，表明一致性越好；CI值越大，不一致性越大.当CI=0时，呈完全一致性；当CI接近于0时，呈现出满意的一致性.

由于随机原因可能引起一致性偏差，因此，为了准确衡量一致性指标CI的大小，引入平均随机一致性指标RI，

RI=CI1+CI2+…+CInn.（9）

平均随机一致性指标RI值如表3所示.由表3可知，RI的大小与判断矩阵的阶数有关.判断矩阵的阶数越大，一致性随机偏离出现的可能性也就越大.因此，在对判断矩阵进行一致性检验的过程中，还需要对CI和RI进行比较，以此得出检验数

CR=CIRI.（10）

对于一阶、二阶矩阵，如果能够满足αijαjk=aik（1≤i、j、k≤n），则无需检验；对于三阶及三阶以上的矩阵，当CR＜0.1时，矩阵满足一致性检验；当CR≥0.1时，则需要调节CR值，直到CR＜0.1.

对表2上部结构判断矩阵进行检验.由表3可知，RI=0.90，通过一致性检验计算出最大特征值λmax=4.246 3，之后计算出检验数CR=0.091 22lt;0.1，满足一致性检验.

1.4" 桥梁技术状况评判

1）选取影响桥梁承载力的各个因素，建立桥梁整体损伤因素矩阵X.X内子矩阵Xi（i=1，2，3）代表一级评价.如上部结构、下部结构、桥面系等.Xij（i，j=1，2，3，4）中，i，j分别代表一级损伤评估中第i个损伤指标中的第j个因素，如上部结构中的主要承重结构、次要承重结构等等.

X=X1X2Xn=X11X12…X1m

X21X22…X2m

Xn1Xn2…Xnm

.（11）

Xi=（Xi1，Xi2，…，Xin）T.（12）

2）建立评估指标权重矩阵，针对目标重要程度而言，如上部结构损伤和桥面系损伤对桥梁整体承载能力影响不同，引入不同权重指标.

α=（α1，α2，…，αn）T.（13）

3）各部件评估得分矩阵，其中ki为第i个二级评估目标的损伤评估得分.

k=（k1，k2，…，kn）.（14）

4）得出桥梁总体损伤评估得分分值.

OES=αkX.（15）

5）根据既有桥梁总体损伤评估得分，对桥梁进行相应技术等级状况的确定.

2" 节段梁损伤状况等级评定

2.1" 混凝土损伤恶化系数的提出

混凝土损伤必然导致混凝土材料刚度的下降，引入损伤恶化系数对不同部位混凝土进行强度折减，进而评估出损伤后梁体的承载能力.文献［12］研究表明，混凝土在达到极限抗拉强度开裂后，还存在残余强度，残余强度随着裂缝宽度的增加而减小.欧洲规范［13］中给出了混凝土开裂后基于断裂能的残余强度的变化过程（图 2）及计算公式（式 16～式18）.

GF=73f0.18cm，（16）

σct=fctm×1.0-0.8ww1，" w≤w1，（17）

σct=fctm×0.25-0.05ww1，" w＞w1，（18）

其中，fcm、fctm分别为混凝土抗压、抗拉强度，具体取值如文献［14］所示；w为裂缝张开宽度.

基于以上混凝土残余强度理论，建立起以混凝土裂缝宽度为指标的混凝土开裂后恶化系数计算公式，

K=1-σctfctm.（19）

2.2" 节段梁损伤状况的评定等级构建

由于本文仅对节段预制桥梁的梁体部分进行评估，因此对其损伤评估仅能做到二级目标损伤评估.基于节段梁损伤状况评估对二级损伤评估指标下各构件损伤评分得分值进行详细说明.

首先，本文参考《公路桥梁技术状况评定标准》对既有节段梁评价等级进行划分，具体如表 4 所示.然后根据权重赋分法根据节段梁不同部位对承载力影响大小对各部位损伤进行了权重赋分，各评价部位所占权重如表5所示.再依据表 6～表9 中评定标准对损伤部位进行损伤分扣除，使用式（20）计算得出节段梁的综合技术状况评分.最后，依据技术状况综合评分对不同得分区间的节段梁进行技术状况等级划分，确定节段梁损伤状态.

损毁级，节段梁各方面损伤严重，丧失承载能力，无修复加固必要.

STSB=100-∑ξiφijUi，（20）

式中，STSB为节段梁技术状况得分，域值为0～100分；i为第i个评定项目；j为第j个评定类别；ξ、φ为权重系数；U为扣分值.

3" 应用案例

将上述桥梁损伤评估方法用于本课题组试验破坏梁评估.本次所要进行评估的节段预制梁为已经发生破坏的接缝局部连续节段预制梁，梁由5个节段拼装而成，每个节段长度均为60 cm，全长共300 cm，计算跨径280 cm.梁高40 cm，上下翼缘厚6 cm，腹板宽10 cm.B2、B4段为转向块段，转向块宽度设置为10 cm；两侧设置锚固端，宽20 cm，在转向块和锚固端上的相应位置预埋PVC管，直径为20 mm，用于体外预应力束穿束.体外预应力束布置为折线形，在锚固区和转向区之间的弯折角度为8.6°.在接缝处腹板上设置3个剪力键.为提升梁体韧性，接缝处还设置了灌浆套筒结构.梁的具体破坏形式如图3～4所示.

通过图3～4可知，该试验梁损伤评估包括：1）接缝处混凝土被拉裂，灌浆套筒中钢筋屈服，钢筋损伤达到标度5；2）体外预应力束在试验结束后无明显缺陷，损伤标度为2；3）跨中最大挠度达到40 mmgt;计算跨径的1/600，损伤达到标度5；4）弯剪段混凝土出现许多细小裂缝，对梁体承载力几乎没有影响，损伤标度为1；而纯弯段混凝土破坏严重，裂缝宽度能达到20 mm左右，此处混凝土损伤恶化系数0.95lt;K，损伤标度为5.

通过上述梁体破坏情况，结合式（20）对上述破坏梁体计算得出既有损伤节段梁得分：

STSB=100-∑4i=1ξiφijUi=100-［0.15×80+0.2×80+0.25×10+0.4×0.5×（0+80）］=53.5

.

依据表4既有节段梁评价等级，该节段预制梁技术评价等级属于较差级，节段梁承载力严重降低，需要进行修复加固.

4" 结论

基于层次分析法构建了节段预制桥梁损伤安全评估体系，建立了一个条理清晰、层次分明的指标体系，在提出节段预制桥梁损伤安全评估体系的基础上，考虑对结构承载力影响大小，结合权重赋分法对节段梁不同部位进行了权重赋分，给出了相应的桥梁状态评估公式，制定了节段预制桥梁状态评估标准；使用本文提出的桥梁状态评估方法对本课题组的试验破坏梁进行评估，得出既有节段梁技术评价等级属于较差级，节段梁承载力严重降低，需要进行修复加固.

参" 考" 文" 献：

［1］" 袁爱民，董华能，周元华，等.节段预制箱梁体外束极限应力增量计算方法［J］.中国科技论文， 2016， 11（1）： 1-6. DOI： 10.3969/j.issn.2095-2783.2016.01.001.

［2］" 刘胜春.光纤光栅智能材料与桥梁健康监测系统研究［D］.武汉： 武汉理工大学， 2006.

［3］" 岳青，朱利明.东海大桥健康监测系统桥梁健康状态评估方法［J］.桥梁建设， 2006， 36（S2）： 166-170. DOI： 10.3969/j.issn.1003-4722.2006.z2.045.

［4］" 卢朝辉，闵欢，余志武.既有铁路桥梁状态评估指标体系和方法研究［J］.铁道科学与工程学报， 2015， 12（5）： 1103-1110. DOI： 10.19713/j.cnki.43-1423/u.2015.05.018.

［5］" 杨帆.铁路桥梁地震灾害损失评估技术研究［D］.石家庄： 石家庄铁道学院， 2010.

［6］" TARIGHAT A， MIYAMOTO A. Fuzzy concrete bridge deck condition rating method for practical bridge management system［J］. Expert Syst Appl， 2009， 36（10）： 12077-12085. DOI： 10.1016/j.eswa.2009.04.043.

［7］" "黄侨，唐海红，任远.基于模糊理论的大跨度桥梁评估理论研究［J］.公路交通科技， 2010， 27（1）： 62-66. DOI： 10.3969/j.issn.1002-0268.2010.01.013.

［8］" 张国庆.基于动态模糊神经网络的桥梁构件维护周期决策系统研究［D］.成都： 西南交通大学， 2021.

［9］" 何春梅.模糊神经网络的性能及其学习算法研究［D］.南京： 南京理工大学， 2010.

［10］" 魏召兰.高速铁路大型桥梁结构健康监测与状态评估研究［D］.成都： 西南交通大学， 2012.

［11］" 贾玲，黄丽华，刘雪飞，等.基于模糊理论和组合权重的光伏组件健康状况评估［J］.河北大学学报（自然科学版）， 2020， 40（1）： 95-103. DOI： 10.3969/j.issn.1000-1565.2020.01.014.

［12］" YUAN A M， YANG D， MIAO X G. Strand debonding for prestressed concrete girders to control end horizontal web cracks based on a modified G-S model［J］. J Bridge Eng， 2022， 27（2）： 04021109. DOI： 10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0001819.

［13］" International Federation for Structural Concrete. Fib bulletins 55-56： Model code 2010 first complete draft［S］. Switzerland： fib Bulletin Lausanne， 2010.

（责任编辑：王兰英）