CN114580875A - 一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，该方法首先找出影响拉索正常使用状态的主要因素，将所找出的各因素列为第一层评估指标；针对每一个第一层评估指标，找出导致其产生的因素，并将所找出的各因素作为第二层评估指标，接着，确定各评估指标的指标权重，然后，对拉索第二层的各评估指标进行检测，并根据检测结果，对各个第二层评估指标进行评分，得到各个第二层评估指标的指标评分值，根据指标权重和指标评分值，计算拉索状态评分BCG值，而后根据BCG值评估拉索状态。本发明弥补以往较为单一的拉索索力评估以及拉索单层次评估的不足，对拉索全方位综合考虑，多层次、多方面完整的对拉索进行评估，提高拉索评估的简捷性和准确性。

Description

一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法
技术领域
本发明涉及桥梁评估﹑维护技术领域，特别涉及一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法。
背景技术
吊杆和拉索作为桥梁的关键组成构件，在多种类型的桥梁中发挥着重要作用，在系杆拱桥中，吊杆和拉索更是作为重要的受力构件，因此可以说，吊杆和拉索的安全性关乎着整个桥梁的安全性。但随着服役时间增大，由于外在环境和疲劳荷载共同作用下，不仅仅吊杆常常出现锈蚀等问题，拉索也常出现锈蚀等问题，严重影响桥梁寿命。因此，为了明确下一阶段对桥梁养护和维修决策，不仅需要对吊杆状态进行评估，还需要对拉索进行评估，其评估结果可为桥梁养护和维修决策提供依据。
针对拉索，已有公开号为CN111695176A的中国发明专利申请提供一种基于半概率和半状态的大跨斜拉桥拉索构件状态评估方法，即针对斜拉索疲劳特征，采用基于概率的评估方法进行评估，针对其他特征，采用基于状态的评估方法进行评估，但其更着重于斜拉索疲劳的概率评估，对于其他特征状态评估而言，该法需要收集大量信息，过程繁琐耗时耗力且准确性不足。另有公开号为CN113030240A以及公开号为CN111553003A的中国发明专利申请分别提供一种北斗模式斜拉桥索力损伤识别方法及相关设备以及一种基于数据驱动的可视化大跨斜拉桥拉索评估方法，但两者皆未评估拉索防护层破损以及锈蚀等问题。且以上评估方法皆未考虑多层次拉索状态评估，对拉索状态评估准确性不高。因此，提出一种准确性高，简捷且综合考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法十分必要。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，该评估方法弥补以往较为单一的拉索索力评估以及拉索单层次评估的不足，不仅考虑了影响拉索正常使用状态的主要因素锚头锈蚀、索体断丝、索体锈蚀，还考虑了导致锚头锈蚀、索体断丝、索体锈蚀的因素，实现对拉索全方位综合考虑，多层次，多方面完整的对拉索进行评估，与此同时，实现提高了拉索评估的简捷性和准确性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，包括如下步骤：
S1：找出影响拉索正常使用状态的主要因素，将所找出的各因素列为第一层评估指标；针对每一个第一层评估指标，找出导致其产生的因素，并将所找出的各因素作为第二层评估指标；
S2：确定各评估指标的指标权重，其中，所有的第一层评估指标作为一组评估指标，每一个第一层评估指标下的所有的第二层评估指标也作为一组评估指标，每一组评估指标的指标权重之和均等于1，且每一组评估指标的指标权重通过如下方法确定：
1)构造区间权重矩阵Aij＝[aij,bij]，其中，aij,bij分别表示第i个评估指标与第j个评估指标相对重要性相比，其比值区间的上下限；
2)根据区间权重矩阵A构造权重矩阵M，令M＝(mij)n×n，其中，
Figure BDA0003519024870000021
式中，n表示同一组评估指标里评估指标的数量；
3)各评估指标的指标权重计算，计算公式为：
Figure BDA0003519024870000022
式中，ωj表示第j个评估指标的指标权重；
S3：对拉索第二层的各评估指标进行检测，并根据检测结果，对各个第二层评估指标进行评分，得到各个第二层评估指标的指标评分值；
S4：根据步骤S2得出的关于第二层评估指标的指标权重和步骤S3得到的各个第二层评估指标的指标评分值，计算每一个第一层评估指标对应的第一层拉索状态评分BCG1，再根据所计算得到的各个第一层拉索状态评分BCG1和步骤S2得出的关于第一层评估指标的指标权重，计算最终的拉索状态评分BCG0，上述第一层拉索状态评分BCG1和最终的拉索状态评分BCG0均由拉索状态评分BCG的计算公式得出，其中，拉索状态评分BCG的计算公式为：
Figure BDA0003519024870000031
式中，xk表示第j个评估指标的指标评分值；
S5：根据拉索状态评分，评估拉索状态。
优选的，步骤S1中，主要因素包括锚头锈蚀、索体断丝以及索体锈蚀。
进一步的，步骤S1中，导致锚头锈蚀的因素有锚头密封性、湿度、氯离子浓度、温度和PH值。
进一步的，步骤S1中，导致索体断丝的因素有成品质量、恒载和可变荷载。
进一步的，步骤S1中，导致索体锈蚀的因素有防护层损伤、湿度、氯离子浓度、温度和PH值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所给出的拉索状态评估方法，找出了影响拱桥拉索正常使用状态三种主要因素，分别为索体断丝、索体锈蚀以及锚头锈蚀，还考虑了导致锚头锈蚀、索体断丝和索体锈蚀产生的因素，并将三种主要因素列为一层指标，导致三种主要因素产生的因素列为二层指标，建立多层次拉索状态评估指标体系，实现对拉索全方位综合考虑，多层次，多方面完整的对拉索进行评估，评估结果较为精确，且该体系可应用于多种拉索评估，且可对后续拉索评估提供评估指标参考。
2、本发明提供的拉索状态评估方法，应用权重思想，求得各层影响因素权重大小，不再认为各因素的重要程度是相同的，更符合实际情况；且本发明所计算得到的各影响因素的权重，可直接应用于多种拉索评估计算，后续拉索评估甚至于后续对拉索锚头锈蚀、索体断丝或锈蚀的评估，皆可直接采用本发明所计算权重，节约评估时间。
3、本发明提供的拉索状态评估方法，根据指标权重以及指标评分，建立BCG公式，评估拉索状态，相较以往较单一的仅对拉索索力进行评估，或仅对拉索单层次评估而言，本发明实现对拉索全方位综合考虑，多层次，多方面完整的对拉索进行评估，且在此基础上提高了拉索评估的简捷性和准确性，有利于帮助对下一阶段桥梁养护或维修提供更加准确的决策依据。
4、本发明能够适用于多种拱桥拉索评估，且结构计算简单，操作便利，具有很高的推广价值。
附图说明
图1是本发明拉索状态评估指标体系的结构图；
图2是大风江大桥上游Z1-Z14拉索BCG值；
图3是大风江大桥下游Y1-Y14拉索BCG值。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，在本发明的一种较佳实施方式中，一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，包括如下步骤：
S1：找出影响拉索正常使用状态的主要因素，将所找出的各因素列为第一层评估指标；针对每一个第一层评估指标，找出导致其产生的因素，并将所找出的各因素作为第二层评估指标；在本实施方式种，影响拉索正常使用状态的主要因素包括锚头锈蚀、索体断丝以及索体锈蚀；而，导致锚头锈蚀的因素有锚头密封性、湿度、氯离子浓度、温度和PH值，导致索体断丝的因素有成品质量、恒载和可变荷载，导致索体锈蚀的因素有防护层损伤、湿度、氯离子浓度、温度和PH值，上述各个因素构成了拉索状态评估指标体系，如图1所示。
S2：确定各评估指标的指标权重，其中，所有的第一层评估指标作为一组评估指标，每一个第一层评估指标下的所有的第二层评估指标也作为一组评估指标，每一组评估指标的指标权重之和均等于1，且每一组评估指标的指标权重通过如下方法确定：
1)构造区间权重矩阵Aij＝[aij,bij]，其中，aij,bij分别表示第i个评估指标与第j个评估指标相对重要性相比，其比值区间的上下限；
2)根据区间权重矩阵A构造权重矩阵M，令M＝(mij)n×n，其中，
Figure BDA0003519024870000041
式中，n表示同一组评估指标里评估指标的数量；
3)各评估指标的指标权重计算，计算公式为：
Figure BDA0003519024870000051
式中，ωj表示第j个评估指标的指标权重。
如在本实施方式中，第一层评估指标为锚头锈蚀、索体断丝以及索体锈蚀，第二层评估指标包括锚头密封性、湿度、氯离子浓度、温度、PH值、成品质量、恒载、可变荷载、防护层损伤，其中，锚头密封性、湿度、氯离子浓度、温度和PH值作为导致锚头锈蚀因素的一组评估指标，成品质量、恒载和可变荷载作为导致索体断丝因素的一组评估指标，防护层损伤、湿度、氯离子浓度、温度和PH值作为导致索体锈蚀因素的一组评估指标，基于步骤S2的方法可计算每一个指标所占的权重，得到各个指标的指标权重。
S3：对拉索第二层的各评估指标进行检测，并根据检测结果，对各个第二层评估指标进行评分，得到各个第二层评估指标的指标评分值。
其中，在本实施方式中，各个评估指标的评分根据下述的评分标准进行评分：
1)锚头密封性评判标准
本发明在现行桥梁养护规范和研究的基础上，制定了不同技术状况、锚头密封性程度、评定等级和评分，具体见下表1。
表1锚头密封性评判标准
Figure BDA0003519024870000052
2)湿度评判标准
本发明根据湿度对钢丝腐蚀影响，制定了不同技术状况、湿度、评定等级和评分，具体见下表2。
表2湿度评判标准
Figure BDA0003519024870000053
3)氯离子浓度评判标准
本发明根据氯离子对钢丝腐蚀影响，制定了不同技术状况、氯离子浓度、评定等级和评分，具体见下表3。
表3氯离子浓度评判标准
Figure BDA0003519024870000061
4)温度评判标准
本发明根据温度对钢丝腐蚀影响，制定了不同技术状况、温度、评定等级和评分，具体见下表4。
表5温度评判标准
Figure BDA0003519024870000062
5)PH值评判标准
本发明根据PH值对钢丝腐蚀影响，制定了不同技术状况、PH值、评定等级和评分，具体见下表5。
表5PH值评判标准
Figure BDA0003519024870000063
6)成品质量评判标准
发明制定了不同技术状况、成品外观完整性、评定等级和评分，具体见下表6。
表6成品质量评判标准
Figure BDA0003519024870000071
7)恒载评判标准
本发明根据恒载与拉索设计荷载的比值，制定了不同技术状况、恒载/设计荷载比值大小、评定等级和评分，具体见下表7。
表7恒载评判标准
Figure BDA0003519024870000072
8)可变荷载评判标准
本发明根据可变荷载与拉索最大振幅值之间的比值，制定了不同技术状况、可变荷载/最大振幅值比值大小、评定等级和评分，具体见下表8。
表8可变荷载评判标准
Figure BDA0003519024870000073
9)防护层破损评判标准
本发明采用拉索防护层破损面积比作为防护层破损评判指标，实现防护层破损情况定量评判，并制定了不同技术状况对应的破损面积比、评定等级和评分，具体见下表9。
表9防护层破损评判标准
Figure BDA0003519024870000081
S4：根据步骤S2得出的关于第二层评估指标的指标权重和步骤S3得到的各个第二层评估指标的指标评分值，计算每一个第一层评估指标对应的第一层拉索状态评分BCG1，再根据所计算得到的各个第一层拉索状态评分BCG1和步骤S2得出的关于第一层评估指标的指标权重，计算最终的拉索状态评分BCG0，上述第一层拉索状态评分BCG1和最终的拉索状态评分BCG0均由拉索状态评分BCG的计算公式得出，其中，拉索状态评分BCG的计算公式为：
Figure BDA0003519024870000082
式中，xk表示第j个评估指标的指标评分值，n为评估指标的数量。需要说明的是，上述BCG计算公式采用变权综合原理，充分考虑个别构件的严重损伤对桥梁整体性能的影响得出的。
S5：根据拉索状态评分，评估拉索状态，评估标准见表10。
表10拉索安全性等级评估标准
Figure BDA0003519024870000083
实施例
基于上述评估方法，本发明给出了下列实施例，以对本发明的拉索状态评估方法进行进一步说明，具体包括以下内容：
大风江大桥，大风江大桥跨径组合为20m+120m+20m，双向四车道，安全等级为一级。主跨为下承式刚架系杆钢箱拱桥，净跨径和净矢高分别为120.0m和27.0m，拱轴线采用二次抛物线，拱肋为等截面钢箱拱。拉索顺桥向的标准间距为8.0m，全桥上、下游各14根拉索，共计28根，对各个拉索进行编号。
S1：本实施例影响拉索正常使用状态的主要因素包括锚头锈蚀、索体断丝以及索体锈蚀；而，导致锚头锈蚀的因素有锚头密封性、湿度、氯离子浓度、温度和PH值，导致索体断丝的因素有成品质量、恒载和可变荷载，导致索体锈蚀的因素有防护层损伤、湿度、氯离子浓度、温度和PH值。因此，在本实施例中，第一层评估指标有锚头锈蚀、索体断丝以及索体锈蚀，锚头锈蚀因素下的第二层评估指标有锚头密封性、湿度、氯离子浓度、温度和PH值，索体断丝因素下的第二层评估指标有成品质量、恒载和可变荷载，索体锈蚀因素下的第二层评估指标有防护层损伤、湿度、氯离子浓度、温度和PH值。
S2：确定各评估指标的指标权重。
根据本发明步骤S2所给的方法计算各个第一层评估指标的指标权重和各个第二层评估指标的指标权重，具体如下：
首先，计算各个第一层评估指标的指标权重：
表11第一层各评估指标相对重要性比值区间
Figure BDA0003519024870000091
根据表11构造区间权重矩阵A
Figure BDA0003519024870000092
由区间权重矩阵A构造权重矩阵M
Figure BDA0003519024870000093
基于权重矩阵M得到各个第一层评估指标的指标权重，具体见表12。
表12拉索各指标权重
Figure BDA0003519024870000101
其次，计算各个第一层评估指标下的第二层评估指标的指标权重1)锚头锈蚀作为第一层评估指标下的各个第二层评估指标的指标权重：
表13各评估指标相对重要性比值区间
Figure BDA0003519024870000102
根据表13构造区间权重矩阵A
Figure BDA0003519024870000103
由区间权重矩阵A构造权重矩阵M
Figure BDA0003519024870000104
基于权重矩阵M得到各个第一层评估指标的指标权重，具体见表14。
表14锚头锈蚀下的第二层评估指标的各指标权重
Figure BDA0003519024870000105
2)索体断丝作为第一层评估指标下的各个第二层评估指标的指标权重：
表15各评估指标相对重要性比值区间
Figure BDA0003519024870000111
根据表15构造区间权重矩阵A
Figure BDA0003519024870000112
由区间权重矩阵A构造权重矩阵M
Figure BDA0003519024870000113
基于权重矩阵M得到各个第一层评估指标的指标权重，具体见表16。
表16索体断丝下的第二层评估指标的各指标权重
Figure BDA0003519024870000114
3)索体锈蚀作为第一层评估指标下的各个第二层评估指标的指标权重：
表17各评估指标相对重要性比值区间
Figure BDA0003519024870000115
根据表17构造区间权重矩阵A
Figure BDA0003519024870000121
由区间权重矩阵A构造权重矩阵M
Figure BDA0003519024870000122
基于权重矩阵M得到各个第一层评估指标的指标权重，具体见表18。
表18索体锈蚀下的第二层评估指标的各指标权重
Figure BDA0003519024870000123
S3：对拉索第二层的各评估指标进行检测，并根据检测结果，对照表1-9对各个第二层评估指标进行评分，得到各个第二层评估指标的指标评分值x，具体如下：
本实施例以上游第一根拉索Z1和下游第五根拉索Y5为例，根据检测结果和上文表1-9所给的评分标准采用插值法进行指标评分。
锚头密封性：经过检测，大风江大桥拉索上下游锚头密封性完好，外观状况为良好状态，故根据规范对锚头进行评分，锚头密封性完好，故评分100。
湿度：拉索Z1周围湿度约为66％，评分为97.7；拉索Y5周围湿度约为67.3％，故插值法评分为95.5。
氯离子浓度：拉索Z1周围氯离子浓度约为0.09％，故插值法评分为96.3；拉索Y5周围氯离子浓度约为0.15％，故插值法评分为94。
温度：根据当地一周温度值，选取频值26℃进行评分，故温度评分98.2。
PH值：拉索Z1周围PH在7左右，故插值法评分为97.5；拉索Y5周围PH在6.5-7，故插值法评分为93.3。
成品质量：拉索成品无损伤，成品质量评分100。
恒载：测量拉索所受恒载，计算所受恒载与设计荷载比值，其中，拉索Z1的恒载与设计荷载比值0.01，评分99.6，拉索Y5的恒载与设计荷载比值0.0425，评分98.3。
可变荷载：测量拉索可变荷载，计算可变荷载与最大振幅值比值，其中，拉索Z1的可变荷载与最大振幅值比值0.02，评分99.2；拉索Y5的可变荷载与最大振幅值比值0.055，评分97.8。
防护层损伤：检测上下游拉索保护层情况，结果表明，大风江大桥全桥上、下游28根拉索防护层均无破损的情况，呈良好的使用状态，故防护层损伤评分100分。
S4：根据拉索状态评分BCG的计算公式计算第一层拉索状态评分BCG1和最终的拉索状态评分BCG0。
由上文可知，上游第一根拉索Z1的各评估指标的指标评分值如下x：锚头密封性完好评分100分，氯离子浓度96.3分，温度98.2分，湿度97.7分，PH值97.5分，防护层损伤评分100分，成品质量100分，恒载99.6分，可变荷载99.2分。带入BCG计算公式求得拉索Z1拉索的BCG1值为：
锚头锈蚀因素下的第一层拉索状态评分BCG1为：
Figure BDA0003519024870000131
索体断丝因素下的第一层拉索状态评分BCG1为：
Figure BDA0003519024870000132
索体锈蚀因素下的第一层拉索状态评分BCG1为：
Figure BDA0003519024870000133
基于上述三个第一层拉索状态评分BCG1评分值得到拉索Z1的最终的拉索状态评分BCG0为：
Figure BDA0003519024870000134
下游第五根拉索Y5的各个评估指标的指标评分值如下：锚头密封性完好评分100分，氯离子浓度94分，温度98.2分，湿度95.5分，PH值93.3分，保护层评分100分，成品质量100分，恒载98.3分，可变荷载97.8分。带入BCG计算公式求得拉索Y5拉索的BCG1值为：
锚头锈蚀因素下的第一层拉索状态评分BCG1为：
Figure BDA0003519024870000135
索体断丝因素下的第一层拉索状态评分BCG1为：
Figure BDA0003519024870000141
索体锈蚀因素下的第一层拉索状态评分BCG1为：
Figure BDA0003519024870000142
基于上述三个第一层拉索状态评分BCG1评分值得到拉索Y5的最终的拉索状态评分BCG0为：
Figure BDA0003519024870000143
其他拉索同理可求其BCG值，不在此赘述。具体大风江大桥的全桥上、下游28根拉索的BCG值分别见图2-图3。
S5：根据拉索状态评分，评估拉索状态。
对图2和图3进行分析可知，通过拉索状态评估计算公式，得到各根拉索的状态评分数据。上游、下游拉索的状态评分BCG值均大于90分，其中上游拉索(Z1-Z14)的BCG值变化区间为[97.19，98.89]，下游拉索(Y1-Y14)的BCG值变化区间为[96.82，98.0]。上游、下游拉索的技术状况均处于良好状态，仅需要对其进行定期常规的养护。而这与此前对该大桥的拉索进行的评估结果是一致的，因此本发明所提供的的评估方法是可靠的。
需要说明的是，如果大风江大桥运营多年后拉索BCG值出现低于80的情况时，建议对拉索进行特殊检测。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：找出影响拉索正常使用状态的主要因素，将所找出的各因素列为第一层评估指标；针对每一个第一层评估指标，找出导致其产生的因素，并将所找出的各因素作为第二层评估指标；
S2：确定各评估指标的指标权重，其中，所有的第一层评估指标作为一组评估指标，每一个第一层评估指标下的所有的第二层评估指标也作为一组评估指标，每一组评估指标的指标权重之和均等于1，且每一组评估指标的指标权重通过如下方法确定：
1)构造区间权重矩阵
Figure FDA0003519024860000011
其中，
Figure FDA0003519024860000012
分别表示第i个评估指标与第j个评估指标相对重要性相比，其比值区间的上下限；
2)根据区间权重矩阵A构造权重矩阵M，令M＝(mij)n×n，其中，
Figure FDA0003519024860000013
式中，n表示同一组评估指标里评估指标的数量；
3)各评估指标的指标权重计算，计算公式为：
Figure FDA0003519024860000014
式中，ωj表示第j个评估指标的指标权重；
S3：对拉索第二层的各评估指标进行检测，并根据检测结果，对各个第二层评估指标进行评分，得到各个第二层评估指标的指标评分值；
S4：根据步骤S2得出的关于第二层评估指标的指标权重和步骤S3得到的各个第二层评估指标的指标评分值，计算每一个第一层评估指标对应的第一层拉索状态评分BCG1，再根据所计算得到的各个第一层拉索状态评分BCG1和步骤S2得出的关于第一层评估指标的指标权重，计算最终的拉索状态评分BCG0，上述第一层拉索状态评分BCG1和最终的拉索状态评分BCG0均由拉索状态评分BCG的计算公式得出，其中，拉索状态评分BCG的计算公式为：
Figure FDA0003519024860000015
式中，xk表示第j个评估指标的指标评分值；
S5：根据拉索状态评分，评估拉索状态。
2.如权利要求1所述的一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，其特征在于，步骤S1中，主要因素包括锚头锈蚀、索体断丝以及索体锈蚀。
3.如权利要求2所述的一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，其特征在于，步骤S1中，导致锚头锈蚀的因素有锚头密封性、湿度、氯离子浓度、温度和PH值。
4.如权利要求2所述的一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，其特征在于，步骤S1中，导致索体断丝的因素有成品质量、恒载和可变荷载。
5.如权利要求2所述的一种考虑多层级、多因素下的拉索状态评估方法，其特征在于，步骤S1中，导致索体锈蚀的因素有防护层损伤、湿度、氯离子浓度、温度和PH值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117606831A (zh) * 2023-10-10 2024-02-27 山东大学 用于确定斜拉桥服役状态影响因子的室内模型加载系统及方法

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