1、 模糊数学层次法基础上的桥梁安全性分析及寿命预测1 绪论1.1 引言桥梁作为高速公路网的交通要道，在其服役期间可能要经受三方面的人为的或者自然因素的破坏。首先，环境因素及材料老化衰退的影响是不可避免的，在环境恶劣的地区桥梁往往还没达到服役年限就不能正常运营。其次，随着经济的飞速发张，交通量不可避免的出现了直线的上升，车辆荷载的急剧增加必然加速了桥梁结构的老化速度。最后，地震，暴风雨，泥石流等具有毁灭性的自然灾害也是导致桥梁承载能力和耐久性的降低的不可忽略的因素之一1。上述三方面的因素有可能导致桥梁的工作性能降低，不能满足运营的要求，甚至威胁到了安全运营，所以我们必须高度重视这些不良因素。欧美国
2、家非常重视对旧桥的养护维修、加固，因为维修加固的资金投入远远小于建设桥梁的资金投入。随着科技的发展，公路桥梁的服役寿命越来越长，那么桥梁出现的病虫害的几率就会加大，随之而来的必将是桥梁承载力的下降，如果下降的幅度过大将会引起桥梁的严重破坏甚至塌陷，所以近三十年来，世界各国都很重视对桥梁承载力的检测与评估。正确地评估桥梁工作性能、运营能力是一项非常复杂繁复的任务，鉴于此，我国近二十年以来加大了桥梁维修科研与科研人员培养的投入。总的来说，只有对桥梁的承载力做出正确的判断评估，我们才能根据评估结果来选择进行养护维修、加固还是拆除新建，所以我们不能敷衍了事的来对待桥梁评估，必须以科学为依据，并结合桥梁
3、专家的建议，慎重的对桥梁进行评估。本文参考近几年的科研成果，从模糊数学的角度出发对现役桥梁进行基于层次分析法的模糊综合评估与寿命预测。目前，世界各国公路桥梁的建设基本上都是以钢筋混凝土桥梁为主，那么大量钢筋混凝土桥梁的出现必将引起各国对钢混桥梁的重视，所以如何科学的评估各种病虫害作用下的现役公路桥梁的可靠性及是否对其加固维修或者拆除重建，就成为了各国目前需要解决的首要问题2 。我国这几年也逐步重视了这方面问题，政府逐渐加大科研投入，力促桥梁评估水平的提升。影响桥梁工作性能的因素很多，比如设计不达标、施工未按要求进行、日常养护维修不合格、钢筋锈蚀材料老化、伸缩缝堵塞损坏、交通量剧增等等。这些因素
4、都有可能是桥梁的安全工作性能下降，甚至严重影响桥梁的正常运营。近 30 年来，我国开始逐步重视交通运输事业，鉴于国内交通量的日益加大，路桥负荷日趋加重，我们必然对桥梁质量提出了更高的要求。上世纪七八十年代所建的桥梁，已经不满足现今交通量剧增的要求，老式桥梁的通行能力已经不满足重型、快速交通发展情况。但是考虑到拆除旧桥重建新桥的代价很高，各国政府都把精力集中在了对旧桥的加固维修上面，视旧桥为珍宝，将其加固维修后重新利用。这样一来，对病态桥梁损伤程度的评估、对其工作性能的确定、对其进行加固维修还是拆除重建的选择理所当然地成为了路桥规划养护部门和科研设计部门的当务之急。七八十年代时期，由于中国科学技
5、术落后，国家规划建设的桥梁其使用年限一般为 25 年，然而截至目前这批桥梁中的大部分依然在发挥着交通枢纽的作用，据统计我国目前有 17%的桥梁已经超过了其设计使用年限。也就是说，目前我们国家大批的桥梁已经老化，存在不同程度的安全隐患，这也是我国近几年来桥梁特大安全事故不断的原因之一，从造成 32 人死亡的广东韶关特大桥坍塌事故到导致 40 人死亡的重庆彩虹桥倒塌事故等等，都说明了中国公路桥梁亟待相关部门进行安全普查。据统计，中国是世界上桥梁最多的、桥梁密度最大的国家，同时也是危桥最多的国家，已经有关专家提出我国目前正面临着桥梁大面积老化的现象。我们以广州为例，截止 2005 年，广东省内已经建
6、设 1.87 万座公路桥，但是属于三四类不良状况的桥梁达到了 4244 座，也就是说有 22.7%的公路桥梁是危桥。我国桥梁老化现象严重，主要原因如下，第一，建国初期我国科技落后，桥梁的设计、建设技术比较差，很多桥梁很可能在没有达到设计寿命前已经达到使用寿命。第二，国家对桥梁的养护维修、运营管理、检测普查等做的不到位，导致桥梁健康恶化。综上所述，我国桥梁老化严重，桥梁安全形势不容乐观。鉴于此，对桥梁的可靠性进行科学的评估及科学预测其剩余寿命已经成为迫切需要解决的问题。二十世纪 60 年代末至 90 年代初，各国逐步发展完善了建筑实体结构可靠性理论的相关规范及标准，在这期间康奈尔（C.A.Cor
7、nell ）提出了很有价值的桥梁评估办法 一次二阶矩法，林德（N.C.Lind）在一次二阶矩法理论基础上，又推导出了一套和实际情况很接近的荷载及抗力安全系数，这样一来，一次二阶矩法在可靠度分析中的运用就很好的和设计方法结合了起来3，使评估的结果更具说服力。再后来，德国的菲斯勒(B.Fiessler)和拉克维茨(R.Rackwitz)提出了荷载非正态分布的等价正态分布转化法，经过以上几位科学家的不断完善，结构可靠度评估作为一种新兴的科学逐步确立了地位。我国的建筑结构设计统一标准(GBJ 68-84)就是参照完善的一次二阶矩法而建立起来的结构可靠度规范。2 模糊数学的基本知识2.1 模糊数学概括L
8、.A.Zadeh 教授是美国加利福尼亚大学的教授，他于 1965 年首先提出了模糊集合的概念。模糊数学最大的贡献是对模糊工程的定量描述及对不确定因数的量化，它可以定量地处理影响分析设计的模糊因素，具有很大的实践性和超前性。我国在 80 年代初期开始了模糊学术方面的研究工作。模糊评判、模糊优化、模糊决策、模糊控制等都是模糊数学在实体工程及虚拟工程方面运用的经典范例。在利用模糊数学处理工程过程中，工作人员可以充分考虑事物的中介过渡性质，能浮动性地目目标性地选择阀值，进而做出一系列不同水平不同层次下的分析计算和设计方案。鉴于模糊数学这方面的优势，我国已经最近 20 几年已经开始深入的体系化的开始了模
9、糊数学的研究8。目前模糊数学的相关知识体系在中国已经相当成熟。3 在役公路桥梁可靠性的模糊综合评估.133.1 引言 .133.2 模糊综合评估法 .133.3 桥梁结构耐久性模糊综合评估模型 .173.4 桥梁结构安全性模糊综合评估模型 .403.5 桥梁结构适用性模糊综合评估模型 .594 桥梁剩余使用寿命预测.644.1 桥梁剩余使用寿命预测方法概述 .644.2 马尔科夫过程 .644.3 在役公路桥梁剩余使用寿命的预测模型 .654.4 在役公路桥梁剩余使用寿命预测 .685 结论与展望.705.1 结论 .70.2 展望 .705.1 结论自建国以来，我国修建了大量的钢筋混凝土桥梁
10、。截至目前，这些桥梁的平均使用年限已经超过了 20 年。随着时间的推移以及交通量的剧增，在役公路桥梁的主梁刚度以及承载力可定会减弱，当减弱的程度超过一定的限值时必然会给交通运营带来安全隐患。所以，及时的对桥梁的工作性能做出一个可靠的准确的评估具有极大的社会效益。本论文对比分析已有研究成果，以工程实体为研究对象，以数学建模为辅助工具，以层次分析法为主要研究方法。力争全方位地评估公路桥梁的工作性能。本文的研究结论如下：1、由于桥梁结构失效的原因具有复杂性，应该从耐久性、安全性以及适用性三方面来综合评估桥梁的工作性能，而不能单纯从耐久性或者安全性某一方面对桥梁结构进行评估。因为，综合三方面的评估结果
11、更能反映出桥梁的真实受力情况和工作状况。2、用本文阐述的方法对干河峪桥进行评估，从评估结果看，对该桥梁的评估结论均为级，部分结构构件需要加固或替换，就桥梁整体而言，需要进行修理并进行经常性地养护。这些均与桥梁的实际情况相吻合，验证了本文提出的数学评估模型的合理性。3、依据干河峪桥的评估结果，利用马尔科夫预测模型对其进行寿命预测，预测结果和北京市建筑工程质量司法鉴定中心的评定结果比较吻合，证明了马尔科夫过程可以和模糊数学相互配合，共同完成桥梁的寿命预测。参 考 文 献：1 刘自明，王邦楣.既有桥梁检测评估的若干要点J. 桥梁建设, 2000(6):57-642 杜进生，秦权.系统可靠度及其在桥梁
12、工程中的应用前景J. 公路交通科,1999(3) ：30-35.3 赵国藩，金伟良，贡金鑫.结构可靠度理论M. 中国建筑工业出版社，2000.4 王有志,王广洋.任锋,王广月.桥梁的可靠度评估与加固M. 中国水利水电出版社 2002.5 GB50010-2002，混凝土结构设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2002.6 牛狄涛，王庆霖，陈慧仪.在役结构可靠性评价综述J.工程力学，1994，增刊：1518-15247 Geidl V ， Saunders S.Calculation of .51lune-varying Loads andResistaneesJ，Struetural Safety ，1987,110(8).8 刘扬，张建仁.钢筋混凝土桥梁服役期间的可靠性评价J ，2001 (10):43-51.9 汪诚义.模糊数学引论M. 北京工业大学出版社，1988.10 贡金鑫.大气环境锈蚀对钢筋混凝土结构可靠度的影响J. 大连理工大学学报，2000.
