CN103020429A - 一种系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法 - Google Patents

Abstract

一种系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法，包括如下步骤：a、建立层次模型：使用层次分析法将影响桥梁结构状况的因素通过划分相互联系的有序层次；b、专家调查与权重计算；c、确定底层指标评语，所述底层指标评语按照测试数据类型分为以下三种情况：c1、仅有对桥梁构件的状态描述或简单的等级划分，而没有数值结果；c2、检测结果为一个数值；c3、检测结果为一数据序列；d、采集和处理评估指标：结合底层指标评估标准，对各分项指标进行评分；e、变权综合评估，得到各底层指标评估值，逐层变权，综合求解，得到综合评估值。本发明结合了层次分析法与变权综合法的优点，构建了能够全面反映结构各部分状态的均衡性和重要性的评估系统。

Description

一种系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法

技术领域

本发明涉及一种系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法。

背景技术

目前，对桥梁状态评估的方法与理论在国内外都有了一定的研究，但应用于实际桥梁评估时，一般都是基于桥梁结构的表观缺损检测结果，具有较大的主观性，缺少量化监测数据的支持。与结构健康监测系统配套的状态评估系统需利用多传感器采集到的各类荷载与响应数据及数值分析成果，但目前还缺乏根据实时监测信息实现对桥梁健康状态快速综合评估的合理手段。

发明内容

为了克服现有对桥梁状态评估方法中存在的主观性太强、缺少量化监测数据等缺点，本发明提供一种结合在线监测数据及人工检测数据，并在层次评估模型中引入变权综合理论，有效弥补专家主观赋值的不足，使得评估结果更加趋于合理，在实时数据采集和处理分析的基础上，真正实现了对桥梁结构的在线监测与评估的系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法。

本发明采用的技术方案是：

一种系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法，所述方法包括如下步骤：

a、建立层次模型：使用层次分析法将影响桥梁结构状况的因素通过划分相互联系的有序层次，所述层次分析法的具体步骤是：

a1、明确问题、划分和选定有关参数；

a2、建立状态评估问题的递阶层次模型；

a3、构造各层的判断矩阵；

a4、检验判断矩阵的一致性并修正判断矩阵；

a5、当确定完每一层次的全部元素相对重要性次序的权值后，就可根据底层评价指标评语进行评判，然后对总体目标进行的综合评估；

b、专家调查与权重计算；

c、确定底层指标评语，所述底层指标评语按照测试数据类型分为以下三种情况：

c1、仅有对桥梁构件的状态描述或简单的等级划分，而没有数值结果；

c2、检测结果为一个数值；

c3、检测结果为一数据序列；

d、采集和处理评估指标：结合底层指标评估标准，对各分项指标进行评分；

e、变权综合评估，得到各底层指标评估值，逐层变权，综合求解，得到综合评估值。

本发明的技术构思是：通过层次分析法，由目标层指标到项目层指标再到指标层指标，并在问卷调查的基础上，进行专家调查，进而确定专家权重，在有限元数值模拟的基础上，根据监测所得数据和相关规范要求确定底层指标体系，之后通过分析健康监测系统获取环境荷载信息、应力监测信息、索力监测信息、位移监测信息和震动监测信息以及人工检测得到的裂缝情况、碳化情况及钢筋锈蚀等信息，结合底层指标评估标准，对各分项指标进行评分，通过变权综合，得到各底层指标评估值，逐层变权，综合求解，得到综合评估值。

本发明中的底层指标评定标准包括按规范等级评分、按指标模型评分以及按实用监测数据评分这三种标准（如表1所示）。

表1 桥梁状态等级对应的评分转化

等级	一类	二类	三类	四类	五类
						桥梁状态	完好	良好状态	预警状态	差的状态	危险状态
评价值	90～100	80～90	60～80	40～60	20～40

本发明中的权综合评估即当评价指标众多时，其中一个指标的评语发生重大变化时，即当个别构件出现严重缺陷时，由于变权系数的存在，其最终的评价结果也不会出现太大的变化，更能反映出结构的真实状况。

本发明中的系杆拱桥评估指标体系从整体状态、安全性、耐久性和适用性等四个方面出发，对其工作状态进行全面综合的评价。

本发明中的确定底层指标评语，须对其进行无量纲化处理，对于所有底层评价指标，按检测数据类型可划分为三种：（1） 仅有对桥梁构件的状态描述或简单的等级划分，而没有数值结果（如：包括砼裂缝、构件缺损等）；（2）检测结果为一个数值（如混凝土强度、保护层厚度、砼碳化深度等）；（3）检测结果为一数据序列（如应力、挠度、吊杆索力等）。对第一类指标，只有检测结果描述的，可根据现行有关桥梁养护规范及专家系统对程度描述进行评价，给予在某一等级内的一个分值(百分制)，量化结果即可作为底层评价指标的评价值；对第二类指标，检测结果为单一数值的，可采用正指标、负指标和适度指标3种模型进行归一转换；对于第三类指标，即监测数据为一数据系列的评价指标，需经过适当的线性或非线性量纲归一化处理（适度指标量化模型），同时将实测数据可分解为均匀变化和非均匀变化两部分。前者即标准值曲线的平移，后者即围绕标准值轴线的波动。通过引入灰色关联度分析理论，底层指标评价值等于均匀变化得分乘以非均匀性变化系数的形式确定其评估结果。

本发明中，对于第三类指标，即监测数据为一数据系列的评价指标，需经过适当的线性或非线性量纲归一化处理（适度指标量化模型），同时将实测数据可分解为均匀变化和非均匀变化两部分。前者即标准值曲线的平移，后者即围绕标准值轴线的波动。通过引入灰色关联度分析理论，底层指标评价值等于均匀变化得分乘以非均匀性变化系数的形式确定其评估结果。

本发明中，底层指标主要按子结构各自的属性划分，分别由实时监测、定期监测及人工检查的方式获得。

本发明中，根据《铁路桥梁检定规范》中对于铁路桥梁的运营性能的两个评定值—通常值和行车安全限值的思路，在监测结果评定中也设定两个判别值—通常荷载值和设计荷载值并作如下假定：通常荷载值—根据监测数据分析与参考模型的对比分析，取300 KN重车通过桥梁的结构响应作为通常车流量下的状态限制；设计荷载值—根据桥梁的设计荷载，取挂-100和汽-20级两种设计荷载通过桥梁时的最大值作为设计荷载值。

本发明的有益效果体现在：

1. 此评估方案结合了层次分析法与变权综合法的优点，构建了能够全面反映结构各部分状态的均衡性和重要性的评估系统，具体包括以下几块：即层次模型的建立、专家调查与权重计算、底层指标评语的确定、评估指标的采集和处理、变权综合评估；

2. 此评估方案分别从整体状态、安全性、耐久性和适用性等四个方面出发，将评估对象按照主要构件进行分类，并将每个主要构件划分为若干底层评估指标，依据相关技术规程及规范要求，从而对其工作状态可以进行全面综合的评价。

附图说明

图1是本发明的桥梁健康状态评估流程图。

图2是本发明的整体状态评估拓扑关系图。

图3是本发明的安全性评估拓扑关系图。

图4是本发明的耐久性评估拓扑关系图。

图5是本发明的适用性评估拓扑关系图。

图6是本发明中第三类指标的评估流程图。

图7（a）是实施例中系杆拱桥的总体布置图。

图7（b）是实施例中系杆拱桥的跨中截面横断面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参考图1~图6，一种系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

a、建立层次模型：使用层次分析法将影响桥梁结构状况的因素通过划分相互联系的有序层次，所述层次分析法的具体步骤是：

a1、明确问题、划分和选定有关参数；

a2、建立状态评估问题的递阶层次模型；

a3、构造各层的判断矩阵；

a4、检验判断矩阵的一致性并修正判断矩阵；

a5、当确定完每一层次的全部元素相对重要性次序的权值后，就可根据底层评价指标评语进行评判，然后对总体目标进行的综合评估；

b、专家调查与权重计算；

c、确定底层指标评语，所述底层指标评语按照测试数据类型分为以下三种情况：

c1、仅有对桥梁构件的状态描述或简单的等级划分，而没有数值结果；

c2、检测结果为一个数值；

c3、检测结果为一数据序列；

d、采集和处理评估指标：结合底层指标评估标准，对各分项指标进行评分；

e、变权综合评估，得到各底层指标评估值，逐层变权，综合求解，得到综合评估值。

实例：某城市的一座系杆拱桥，其桥型总体布置图及跨中横断面尺寸参照图7（a）和图7（b）。主桥上部结构采用下承式钢筋混凝土系杆拱，计算跨径71.6 m，失高14.32 m，矢跨比为1:5；拱轴线形式为二次抛物线，方程为y=4×14.32/71.6²×(71.6-x)x；全桥共设吊杆17对，相邻吊杆间距为4 m；下部为钢筋混凝土箱型桥台，120 cm钻孔灌注桩基础。桥面总宽27.7 m，横向布置为：3.25 m(人行道)＋1.60 m(系梁)＋18.00 m(机动车道) ＋1.60 m(系梁)+3.25 m(人行道)。

1.确定评估模块的初始权重

通过专家意见调查表汇总专家意见，当评估模型中各层的判断矩阵符合一致性检验后，取其最大特征根对应的特征向量作为求得的权重值。

（1）整体状态评估

表 2 系杆拱桥整体状态评估准则层各因素判断矩阵

（2）安全性性评估

表3 安全性评估—准则层权重

（3）耐久性评估

表4 耐久性评估—准则层

（4）适用性评估

表5 适用性评估—准则层

2.对监测指标进行评估

（1）索力指标评估

表 6 系杆拱桥吊杆索力状态评估结果

（2）应力、挠度、频率指标评估

表7 系杆拱桥应力评估结果

表8 系杆拱桥位移评估结果

表9系杆拱桥频率评估结果

（3）离线指标评估

表10 系杆拱桥离线评估指标评分值

3.确定桥梁状态等级

根据所构建的系杆拱桥评估指标体系，并通过专家调查确定层次模型各层次的初始权重，可逐层运用变权综合原理修正各层次指标权重，并得到桥梁结构的综合评估结果。

表11 系杆拱桥综合评估结果

表12 桥梁整体性能评估等级划分标准

等级划分	一级	二级	三级	四级	五级
						评分值	90~100	80~90	60~80	40~60	20~40
桥梁状态	完好状态	良好状态	预警状态	较差状态	危险状态

对于此系杆拱桥的整个评估过程，充分考虑到了构件及测点之间并非相互独立的，当桥梁结构构件由于老化或者是突发事故而产生破坏时，变权综合比常权综合关于桥梁个别构件状态对桥梁综合状态有较高敏感性，通过对桥梁参数进行的监测，可迅速对对受损桥梁进行综合评估，构成一个较为完整的对桥梁健康状态进行监测的系统，更有效地确保桥梁结构的安全性与耐久性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种系杆拱桥的健康状态综合决策评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

a、建立层次模型：使用层次分析法将影响桥梁结构状况的因素通过划分相互联系的有序层次，所述层次分析法的具体步骤是：

a1、明确问题、划分和选定有关参数；

a2、建立状态评估问题的递阶层次模型；

a3、构造各层的判断矩阵；

a4、检验判断矩阵的一致性并修正判断矩阵；

a5、当确定完每一层次的全部元素相对重要性次序的权值后，就可根据底层评价指标评语进行评判，然后对总体目标进行的综合评估；

b、专家调查与权重计算；

c、确定底层指标评语，所述底层指标评语按照测试数据类型分为以下三种情况：

c1、仅有对桥梁构件的状态描述或简单的等级划分，而没有数值结果；

c2、检测结果为一个数值；

c3、检测结果为一数据序列；

d、采集和处理评估指标：结合底层指标评估标准，对各分项指标进行评分；

e、变权综合评估，得到各底层指标评估值，逐层变权，综合求解，得到综合评估值。

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