CN111177918A - 一种地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了工程施工技术领域中的一种地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，在地铁施工前后，分别通过损伤评估指标对既有桥梁的折减系数进行计算，比较地铁施工前后既有桥梁的折减系数，确定地铁施工对既有桥梁造成的损伤。本发明基于桥梁工前检测结果，釆用层次分析法和模糊综合评价理论来将各种损伤评估指标定性描述、定量化表达，从而对长期运营条件下桥梁的剩余承载能力进行分级评估，再根据分级结果确定桥梁的差异沉降综合折减系数，最终对桥梁的折减程度有一个定量化的估计，本发明有效提高了地铁施工对桥梁损伤评估的准确性，给地铁施工等工作带来了极大的便利。
Description
技术领域
本发明涉及工程施工技术领域，具体的说，是涉及一种地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法。
背景技术
在地铁施工过程中，不可避免的会穿过既有道路，既有道路指建设完成或投入使用的道路，包括市政道路、桥梁、城市隧道、地下通道、公路、公路桥梁、公路隧道、人行天桥等。其中地铁施工尤其会对桥梁的损伤程度造成一定的影响，而桥梁的损伤程度严重影响了桥梁的使用寿命，因此，为了人们的生命及财产安全，需要在施工后评估地铁施工对既有桥梁造成的损伤程度。
当前桥梁损伤评定和剩余承载力评估尚无统一评判标准。比较常用的方法有两种：一是采用破坏性试验，采用实测的材料参数和截面尺寸，按规范公式重新计算桥梁承载力；但是其对于桥梁损伤状况的考虑不周。二是选用经验比较丰富的工程技术人员，对桥梁健康状况进行定性评估；其局限于技术人员的工程经验，主观性过强，而且其评定标准如：“严重损伤、复合地层条件下地铁区间隧道穿越桥桩群关键技术研究轻微损伤”等概念模糊，界定困难，给地铁施工带来了不便。
上述缺陷，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法。
本发明技术方案如下所述：
一种地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在地铁施工前后，分别通过损伤评估指标对既有桥梁的折减系数进行计算，比较地铁施工前后既有桥梁的折减系数，确定地铁施工对既有桥梁造成的损伤。
根据上述方案的本发明，其特征在于，通过损伤评估指标对既有桥梁的折减系数进行计算的具体过程包括：
S1、建立损伤评估指标体系；
S2、分别确定损伤评估指标体系中各个评价指标的隶属函数；
S3、建立各个评价指标的隶属函数对应的模糊关系矩阵；
S4、确定差异沉降备择集；
S5、根据不同评价指标的递阶层次，进行层次分析；
S6、计算得到最终的模糊综合评判结果，并确定最后的综合折减系数。
进一步的，在步骤S1中，先进行评价指标的选取，后根据选取的评价指标建立递阶层次结构。
更进一步的，所述评价指标包括梁体裂缝、钢筋锈蚀、混凝土碳化、氯离子含量、混凝土表面损伤、混凝土强度衰减。
进一步的，在步骤S2中，根据检测结果得到的数据分布，确定各个评价指标的隶属函数，其公式为：
其中，a、b、c、d为常数。
进一步的，在步骤S3中，根据地铁施工前后对桥梁的检测结果，结合各个评价指标的分级隶属函数，确定各个评价指标的隶属度；再根据各个评价指标的隶属度建立其模糊关系矩阵。
更进一步的，第i个分级指标第j个等级的隶属度为rij，则其模糊关系矩阵为：
进一步的，在步骤S4中，采用模糊数学对桥梁剩余承载能力进行分级评估后，根据分级结果建立桥梁差异沉降综合折减系数备选集。
更进一步的，建立相应的差异沉降备择集为：
γ＝{1.000,0.800,0.600,0.400,0.200}。
进一步的，在步骤S5中，具体包括以下步骤：
S51、采用两两比较法，分别对比各个评价指标的重要性程度进行赋值，构造判断矩阵；
S52、分别计算各个评价指标的权重；
S53、一致性检验。
更进一步的，在步骤S51中，对各个指标的重要性程度进行赋值后，得到的判断矩阵为：
进一步的，在步骤S6中，将不同评价指标的递阶层次分析结果与模糊关系矩阵建立联系，得到最终综合评价的结果矩阵，将得到的最终综合评价的结果矩阵与差异沉降备择集建立联系，得到综合折减系数。
更进一步的，选用模糊综合评判模型将不同评价指标的递阶层次分析结果与模糊关系矩阵建立联系，其中，模糊综合评判模型为：
更进一步的，采用加权平均算法将得到的最终综合评价的结果矩阵与差异沉降备择集建立联系，得到的综合折减系数为：
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明考虑到桥梁损伤影响因素之间既相互关联又互相影响的复杂关系，以及其分级界定时两个等级之间的模糊分布状态，基于桥梁工前检测结果，釆用层次分析法和模糊综合评价理论来将各种损伤评估指标定性描述、定量化表达，从而对长期运营条件下桥梁的剩余承载能力进行分级评估，再根据分级结果确定桥梁的差异沉降综合折减系数，最终对桥梁的折减程度有一个定量化的估计；本发明有效提高了地铁施工对桥梁损伤评估的准确性，给地铁施工等工作带来了极大的便利。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为计算折减系数的流程图。
图3为评估伤损指标体系结构图。
图4为平均裂缝宽度的分级隶属函数示意图。
图5为钢筋锈蚀电位的分级隶属函数示意图。
图6为混凝土碳化深度分级隶属函数示意图。
图7为混凝土表面损伤的分级隶属函数示意图。
图8为混凝土强度衰减的分级隶属函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图1所示，一种地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，在地铁施工前后，分别通过损伤评估指标对既有桥梁的折减系数进行计算，比较地铁施工前后既有桥梁的折减系数，确定地铁施工对既有桥梁造成的损伤。
如图2所示，在通过损伤评估指标对既有桥梁的折减系数进行计算的过程中，具体包括以下步骤：
一、建立损伤评估指标体系
先进行评价指标的选取，后根据选取的评价指标建立递阶层次结构。
1、评价指标的选取
损伤评价指标的选取直接决定着桥梁最后评定结果的合理可靠性，基于客观分析桥梁影响因素而确定的评估指标必须满足以下条件：
(1)指标的完备性
城市桥梁尤其是超静定结构的大型复杂结构体系，其损伤影响因素众多，因此选取的指标必须尽可能完整、全面的反应和度量被评估梁体的损伤状况，且不会随其它指标的变化而有较大的改变。
(2)指标的相对独立性
影响桥梁承载力的各个因素之间是具有一定程度的相关性的，因而在选取评估指标时必须规避紧密相连的指标，同时对于必须选取的关联性较大的指标必须采取科学方法进行处理，使得每个指标在评估体系中只出现一次，避免重复。
(3)指标的代表性
对于桥梁影响因素的复杂性和多样性，在保证指标完备性的前提下，必须全面分析各个因素的相关性，抓住主要矛盾，选取最能影响桥梁承载力的影响因素，使得评估指标具有典型的代表性。
(4)指标的可比性
选取的评价指标必须具有较好的可比性，从而增加评估的说服力和使用价值。
(5)指标的可操作性
基于工前检测的桥梁剩余承载力的评估，其选取的指标必须简明拥要，使得其在工程实际中不仅要易于操作，便于测量，而且数据处理要相对简单，结果可靠。
(6)指标体系的简练性
选取的指标要尽可能的简练，尽量略去次要指标，使得数学建模易于实际操作和计算。
根据以上确定评价指标的原则，综合考虑桥梁结构的复杂性和各因素对桥梁结构承载力的影响程度，选取适当的评价指标，从而建立折减系数因素集。价指标包括梁体裂缝、钢筋锈蚀、混凝土碳化、氯离子含量、混凝土表面损伤、混凝土强度衰减，折减系数因素集U＝{U1，U2，U3，U4，U5，U6}＝{梁体裂缝、钢筋锈蚀、混凝土碳化、氯离子含量、混凝土表面损伤、混凝土强度衰减}。
2、递阶层次结构的建立
分析复杂的问题前，首先要把复杂的问题层次化、条理化，建立相应的递阶层次结构。所谓的递阶层次结构，就是要将各个评估指标按属性进行分组，从而形成一个具有层次的结构单元。在该结构体系当中，同层次各元素为同级并列关系，同一层元素对下层元素具有支配作用，同时受上一层元素的制约。
由于梁体裂缝、钢筋锈蚀等影响桥梁承载力的因素既相互关联又相互影响，各因素之间并无明显的隶属关系，因此如图3所示，本实施例的损伤评估指标体系中的各个影响因素定在同一层级。
二、确定各个评估指标的隶属函数
隶属函数在模糊数学理论中有着举足轻重的作用，对于一个特定的模糊集来说，隶属函数不仅直接体现着模糊概念的基本特性，而且还可以通过量化来实现相应的数学计算和处理。由于人们对于客观纷繁复杂的现实世界，很难客观准确的用隶属函数来准确表现出其真实的模糊特性，因此需立足于实测的真实数据，准确分析数据的分布特点，从而根据数据的分布模式来确定隶属函数的表现形式。
本实施例基于桥梁工前检测结果测得的相应数据分布特点，采用“梯形分布”的隶属函数，其公式如下：
其中，a、b、c、d为常数。
1、梁体裂缝
根据混凝土结构设计规范，出于对既有隧道耐久性和混凝土性能的考虑，混凝土结构的裂缝控制等级依据环境类别而区分，要求混凝土的裂缝宽度最大不得超过0.4mm，而当其小于0.2mm时，认为裂缝对隧道承载能力没有影响。
结合实际应用场合中隧道裂缝宽度的分布情况，建立梁体裂缝的隶属函数如图4所示。
其中，隶属函数A1(x)：
隶属函数A2(x)：
隶属函数A3(x)：
隶属函数A4(x)：
隶属函数A5(x)：
其他隶属函数以此类推。
2、钢筋锈蚀
钢筋锈蚀程度及速度一般是用锈蚀电位来表示的，因此选用钢筋锈蚀电位作为钢筋锈蚀影响分级指标，按照模糊划分原则确定钢筋锈蚀的隶属函数，如图5所示。
其中，隶属函数A1(x)：
隶属函数A2(x)：
隶属函数A3(x)：
隶属函数A4(x)：
隶属函数A5(x)：
其他隶属函数以此类推。
3、混凝土碳化
混凝土碳化致使混凝土碱性降低，不仅造成的是混凝土强度的降低，还会使得钢筋因失去钝化膜的保护而锈蚀，因此，混凝土碳化深度是评定钢筋混凝土承载能力的重要指标。
取混凝土的相对碳化深度作为混凝土的碳化分级指标，即：
其中，dc为混凝土平均碳化深度、d为混凝土保护层的平均厚度，则建立混凝土碳化的隶属函数如图6所示。
其中，隶属函数A1(x)：
隶属函数A2(x)：
隶属函数A3(x)：
隶属函数A4(x)：
隶属函数A5(x)：
其他隶属函数以此类推。
4、氯离子含量
5、混凝土表面损伤
当混凝土横截面损伤率达到10％时，认为其威胁到了构件的耐久性能，而当其达到20％时，则认为构件出现了严重损伤，应该报废并停止使用。
选取混凝土横截面损伤率作为分级指标，结合立交桥梁存在的混凝土表面损伤形式，确定隶属函数如图7所示。
其中，隶属函数A1(x)：
隶属函数A2(x)：
隶属函数A3(x)：
隶属函数A4(x)：
隶属函数A5(x)：
其他隶属函数以此类推。
6、混凝土强度衰减
选取混凝土无损检测强度Rm与设计强度Rd的比值作为混凝土强度衰减的分级指标，其分级隶属函数如图8所示。
其中，隶属函数A1(x)：
隶属函数A2(x)：
隶属函数A3(x)：
隶属函数A4(x)：
隶属函数A5(x)：
其他隶属函数以此类推。
三、建立模糊关系矩阵
根据地铁施工前后对桥梁的检测结果，结合上述各因素(评价指标)的分级隶属函数，来确定各个指标的隶属度；再根据各个评价指标的隶属度建立其模糊关系矩阵。
设定第i个分级指标第j个等级的隶属度为rij，则其模糊关系矩阵为：
四、确定差异沉降备择集
采用模糊数学对桥梁剩余承载能力进行分级评估后，根据分级结果建立桥梁差异沉降综合折减系数备选集。由于将桥梁剩余承载能力分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五级，故建立相应的差异沉降备择集为：γ＝{1.000,0.800,0.600,0.400,0.200}。
五、进行层次分析
根据第一2步中建立的递阶层次结构(即各指标共属同一层级)，根据分析方法来进行层次分析。具体包括以下步骤：
1、构造判断矩阵
对于位于同一层级的各个指标，采用比较简便实用的方法來将各个指标的重要性定量表示出来，本实施例导出权重的方法是采用两两比较法，在构造判断矩阵的过程中，分别对比各个评价指标的重要性程度进行比较，判断重要程度是多少，并按照“标度尺”对指标的重要程度进行赋值，构造判断矩阵。
对各个指标的重要性程度进行赋值后，得到的判断矩阵为：
该判断矩阵采用o-U矩阵，即：1/a12×a12＝1；M×L＝1；相同中药性系数用相同的字母(例如M、L、aij)表示。
2、分别计算各个评价指标的权重
指标权重的计算方法包括和法、方根法、最小二乘法等，本实施例采用方根法进行计算。具体步骤如下：
(1)计算判断矩阵各个指标的名义权重：
在该公式中，假定某一层次的元素A同下层次中的元素B1、B2、……Bn有联系，则aij表示元素Bi相对于元素A比元素Bj重要程度的隶属度。
(2)根据公式
对向量
做归一化处理，得到最终所求的特征向量(真正权重)：
W＝(w1,w2,...wn)T
＝(0.1385,0.2225,0.1195,0.0565,0.4630,0.1362)T
3、一致性检验
在单准则条件下对判断指标进行权向量的计算时，必须要进行一致性检验，从而保证矩阵在整体上的一致性。
(1)评价指标的一致性指标CI为：
(2)查表，并确定平均一致性指标RI＝1.35；
(3)计算得到一致性比例CR为：
故，可以认为判断矩阵的一致性可以接受，特征向量W可以作为权向量。
六、确定综合折减系数
为了评价各个指标对桥梁承载力的影响程度，将不同评价指标的递阶层次分析结果与模糊关系矩阵建立联系，得到最终综合评价的结果矩阵，将得到的最终综合评价的结果矩阵与差异沉降备择集建立联系，得到综合折减系数。
本实施例选用模糊算子，由模糊综合评判模型
将不同评价指标的递阶层次分析结果与模糊关系矩阵建立联系，得到最终综合评价的结果矩阵为：
式中，
在本实施例中，合成模糊算子是一种“加权平均型”算法，对于模糊关系矩阵及中的每个元素对于评判结果都有一定的贡献，因此可以以优补劣，相互补偿。得到最终的模糊综合评判结果后，可以采用加权平均算法将其与折减系数备择集建立联系，即
应用实例
根据上述桥梁伤损评估流程，对一实际城市公路立交桥进行评估调查。
1、对简支桥梁而言，选择包括梁体裂缝、钢筋锈蚀、混凝土碳化、氯离子含量、混凝土表面伤损和混凝土强度折减的六个评价指标。由于梁体裂缝、钢筋锈蚀等影响桥梁承载力的因素既相互关联又相互影响，各个因素之间并没有明显隶属关系，因此将该6个影响因素放在同一层级，从而建立递阶层次指标体系。
2、综合上述六因素的分级隶属函数，确定对应各个指标的隶属度，得到对应模糊关系矩阵：
3、然后构造判断矩阵，计算各指标对应权重，对向量做归一化处理后，可得其特征向量。
由上面计算得到的模糊关系矩阵和特征向量可以得到最终评估的结果矩阵，再采用加权平均算法确定最后的综合折减系数：
本发明考虑到桥梁损伤影响因素之间既相互关联又互相影响的复杂关系，以及其分级界定时两个等级之间的模糊分布状态，基于桥梁工前检测结果，釆用层次分析法和模糊综合评价理论来将各种损伤评估指标定性描述、定量化表达，从而对长期运营条件下桥梁的剩余承载能力进行分级评估，再根据分级结果确定桥梁的差异沉降综合折减系数，最终对桥梁的折减程度有一个定量化的估计。本发明有效提高了地铁施工对桥梁损伤评估的准确性，给地铁施工等工作带来了极大的便利。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在地铁施工前后，分别通过损伤评估指标对既有桥梁的折减系数进行计算，比较地铁施工前后既有桥梁的折减系数，确定地铁施工对既有桥梁造成的损伤。
2.根据权利要求1所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，通过损伤评估指标对既有桥梁的折减系数进行计算的具体过程包括：
S1、建立损伤评估指标体系；
S2、分别确定损伤评估指标体系中各个评价指标的隶属函数；
S3、建立各个评价指标的隶属函数对应的模糊关系矩阵；
S4、确定差异沉降备择集；
S5、根据不同评价指标的递阶层次，进行层次分析；
S6、计算得到最终的模糊综合评判结果，并确定最后的综合折减系数。
3.根据权利要求2所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在步骤S1中，先进行评价指标的选取，后根据选取的评价指标建立递阶层次结构。
4.根据权利要求2所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在步骤S2中，根据检测结果得到的数据分布，确定各个评价指标的隶属函数，其公式为：
其中，a、b、c、d为常数。
5.根据权利要求2所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在步骤S3中，根据地铁施工前后对桥梁的检测结果，结合各个评价指标的分级隶属函数，确定各个评价指标的隶属度；再根据各个评价指标的隶属度建立其模糊关系矩阵。
6.根据权利要求5所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，第i个分级指标第j个等级的隶属度为rij，则其模糊关系矩阵为：
7.根据权利要求2所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在步骤S4中，采用模糊数学对桥梁剩余承载能力进行分级评估后，根据分级结果建立桥梁差异沉降综合折减系数备选集。
8.根据权利要求2所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在步骤S5中，具体包括以下步骤：
S51、采用两两比较法，分别对比各个评价指标的重要性程度进行赋值，构造判断矩阵；
S52、分别计算各个评价指标的权重；
S53、一致性检验。
9.根据权利要求8所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在步骤S51中，对各个指标的重要性程度进行赋值后，得到的判断矩阵为：
10.根据权利要求2所述的地铁施工对既有桥梁损伤的评估方法，其特征在于，在步骤S6中，将不同评价指标的递阶层次分析结果与模糊关系矩阵建立联系，得到最终综合评价的结果矩阵，将得到的最终综合评价的结果矩阵与差异沉降备择集建立联系，得到综合折减系数。
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| 赵江涛: "城市暗挖隧道穿越既有桥梁的安全控制" * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111667177A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-09-15 | 中铁十四局集团大盾构工程有限公司 | 钢筋混凝土结构的综合折减系数的确定方法和装置 |
| CN115468724A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-13 | 中铁大桥科学研究院有限公司 | 基于首趟车响应的地铁桥梁荷载试验方法、装置及设备 |
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