基于正态云模型的混凝土桥梁耐久性评估.pdf

基于正态云模型的混凝土桥梁耐久性评估张彦飞姚 杰刘 冉许 军黄 江(.山西省公路局山西 太原.长安大学 公路学院陕西 西安)收稿日期:作者简介:张彦飞()男山西太原人硕士工程师主要从事桥梁检测加固工作通信作者:姚杰()男陕西延安人硕士主要研究方向:桥梁检测加固基金项目:山西省交通运输厅:山西省国省干线砼旧桥性能量化智能评估及养护管理对策研究()摘 要:为了合理地对既有混凝土桥梁耐久性进行评估提出了正态云和 法相结合的评估模型 根据混凝土桥梁耐久性的主要影响因素以及表现形式建立相应的评价指标体系采用 法对影响混凝土桥梁耐久性因素的权重进行分析计算利用云模型建立混凝土桥梁耐久性评估指标与模型之间的关联函数 通过实例分析证明该基于正态云理论的混凝土桥梁评估模型能准确地判断混凝土桥梁的耐久性状态可为混凝土桥梁的维修加固提供理论依据关键词:混凝土桥梁正态云 法桥梁耐久性中图分类号:.文献标志码:文章编号:():/(.):.:引 言混凝土结构的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境的作用下自身材料性能随着时间的劣化仍能在规定的时间内保持其自身工作能力的性能 经过两个多世纪的发展桥梁的数量庞大 由于环境侵蚀等因素混凝土、钢筋等原材料的耐久性不足而促使桥梁结构劣化的情况时有发生在部分桥梁中出现不同程度的不良反应 辽宁省盘锦市境内 国道大辽河田庄台大桥自 年投入使用由于耐久性不足在频繁的交通荷载作用下于 年 月 日挂孔突然坍塌该桥仅服役 年便出现安全事故此类事件常有发生可见混凝土桥梁的耐久性问题会给国家和人民的安全带来一定的风险 因此桥梁的检查、评估、维修加固的工作逐渐引起人们的重视针对上述问题国内外学者对桥梁结构的耐久性评估进行了研究 杨则英等在模糊理论的基础上利用遗传 算法学习模拟专家的经验与知识并建立专家系统对桥梁耐久性进行评价 陈晶等将层次分析法中 标度法进行改进之后辅以模糊可拓理论对在役混凝土桥梁耐久性进行评估 李福海等先利用熵权法与 法计算的主客观权重进行组合同时采用模糊理论中的岭形隶属度函数对钢筋混凝土桥梁的耐久性进行评估 李涛等利用可拓集理论与模糊评价法对跨海系杆拱桥的耐久性进行评估 于海峰对在役钢筋混凝土桥梁耐久性的主要影响因素分析之后建立了基于模糊神经网络的钢筋混凝土桥梁耐久性评估系统并通过实例工程对该系统进行了验证在桥梁耐久性等级评价中学者们一般采用未确知测度理论、模糊理论等理论对大量模糊概念进行处理 在不同的理论中存在不同的隶属度函数其中正态隶属函数是最符合人类思维的隶属度函数 在目前的评估方法中多数采用精确的隶属函数来严格表示模糊概念而固定的隶属度函数有悖于模糊理论的基本精神 正态云模型与其他理论不同的是它是由多个云滴组成的数学图像没有固定的隶属度函数 可以避免使用模糊理论等其他方法人为选择隶属度函数的尴尬 因此本文采用正态云理论对混凝土桥梁耐久性建立评价模型并进行评价最后通过工程实例验证基于正态云理论评价模型的可行性 云理论简介假设存在一个精确数值表示的数值量的数据集合()称为论域 如果存在定性概念 以及定量值 同时属于 且满足条件:定量值 是定性概念 的一次随机实现 那么 对 的确定度()为有稳定倾向的随机数那么论域 上定量值 的分布称为云论域 上的每一个定量值 都是一个云滴 通常用期望、熵、超熵 来对云进行描述记作()期望 表示云滴分布在方案评价论域空间中的数学期望熵 是对一个定性概念 的不确定的度量表示在论域空间中可被定性概念接受的取值范围大小超熵 是熵的熵表征熵的模糊性决定了云滴群的离散程度 定性概念 对应于某一等级的数字特征可用式()计算:()()()式中:分别为该等级评语取值范围的上界与下界 为一个根据变量模糊程度适当调整的常数本文取为.在云理论的基础中正向云模型是定性到定量的映射根据云的数字特征、绘制云滴通过对期望、熵计算生成正态随机分布数 最后根据 和 得到确定度()假设定量值 满足:()()()()若此时 对于定性概念 的确定度同时满足()()()则称 在 上的分布称为正态云 法现有的计算权重的方法有许多种如层次分析法、熵权法等 与其他权重方法相比较 法适用于分析的指标或因素之间有着一定的关联关系的数据而影响桥梁耐久性的各个指标存在一定的相互影响 因此本文选择 法计算权重.权重确定假设存在 个评价 个评价指标首先区分指标的正负性正性指标指所用指标值越大越好的指标逆向指标指所用指标的值越小越好的指标然后将不同量纲的数据进行标准化处理消除对于评价结果的影响 法的计算流程如下)正向化或逆向化处理:()()对比性以及矛盾性计算:()()()()信息量计算:()()客观权重计算:()式中:为第 项影响因素的权重.确定待测对象所属类别根据云发生器生成的云模型图可获取相对应的确定度()结合式()得到的分级指标权重 则综合确定度 可按式()计算:()()通过比较不同等级的综合确定度的大小综合确定度值最大的等级即为评价等级 混凝土桥梁耐久性分级体系基于正态云理论以及 法建立混凝土桥梁耐久性分级体系如图 所示图 混凝土桥梁耐久性评估流程.分级指标及取值钢筋混凝土桥梁耐久性造成损伤的因素多且复杂 为对位于山西省苏北线 的八政桥进行评估结合山西省的地区特点评估指标包括混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度、混凝土强度、钢筋锈蚀小跨径混凝土桥梁耐久性的主要影响因素参考相关规范公路桥梁技术状况评定标准(/)、公路桥梁承载能力检测评定规程(/)建立相应的评价等级如表 所示表 耐久性评估指标等级混凝土碳化深度混凝土保护层厚度钢筋锈蚀混凝土强度影响描述影响描述/影响描述影响描述碳化深度较浅影响较小(强度较差(.钢筋锈蚀程度较严重.)有较大影响(.有锈蚀活动严重锈蚀可能性大(强度差(.钢 筋 锈 蚀 程 度严重.)钢筋失去保护发生锈蚀(.构件存在修饰开裂区域 危险(.数字特征值与云模型图根据正态云理论桥梁耐久性等级所对应的特征值根据公式()进行计算计算结果见表 表 各分级指标的数字特征等级混凝土碳化混凝土保护层厚度钢筋锈蚀混凝土强度././././././././././././././././././././.根据表 的数字特征值利用正向云生成器生成分级指标的二维云模型 利用 代码编程对正向云发生进行模拟生成混凝土碳化、混凝土保护层厚度等 个因素 对于混凝土桥梁耐久性评估的正态云图见图()混凝土碳化()混凝土保护层厚度()钢筋锈蚀()混凝土强度图 正态云图 工程实例验证八政桥位于山西省苏北线 修建于 年全采用双向两车道二级公路标准主桥结构形式为 的预应力钢筋混凝土 梁桥设计荷载:公路 级 八政桥情况见图()正面图()侧面图()底面图()桥面图图 八政桥.分级指标权重计算根据桥梁的实地勘察资料选取 个测点并利用公式对混凝土碳化深度等 个指标的权重进行计算结果见表 对表 数据分析可知该桥耐久性各项影响因素中混凝土保护层厚度以及混凝土强度对于最后结果的影响权重更大混凝土碳化对于桥梁耐久性等级的影响程度最小表 分级指标的试验结果和权重计算值测点混凝土碳化混凝土保护层厚度钢筋锈蚀混凝土强度测点.测点.测点.测点.测点.权重.桥梁耐久性等级的确定首先从云模型中读取各指标试验值所对应的桥梁耐久性等级确定度其次根据桥梁耐久性等级确定公式计算各个测点对应桥梁的耐久性等级计算结果见表 分析表 可知该桥各个测点的综合确定度集中于确定度一级、二级与实际测量结果的分布接近验证该项分布的准确性表 各个测点综合确定度 及桥梁耐久性等级分级结果测点综合确定度耐久性等级测点.测点.测点.测点.测点.结 论)将正态云理论应用于桥梁耐久性等级评估中针对混凝土桥梁耐久性主要影响因素的特点选取了混凝土强度、混凝土碳化、钢筋锈蚀、混凝土保护层厚度 个分级指标同时利用 法确定指标权重建立了混凝土桥梁耐久性评估体系)基于正态云理论的桥梁耐久性等级评估方法同时考虑了耐久性评估的模糊性和随机性克服了模糊集理论中人为选取隶属函数的固有缺陷是对桥梁耐久性等级现有评估方法的补充 不同于其他权重计算方法 法兼顾了混凝土桥梁耐久性影响因素实测数据之间的关联度以及相关性增强了权重计算结果的可靠性)基于正态云理论的桥梁耐久性模型对八政桥耐久性等级进行评价评价结果为“耐久性等级级”评价符合八政桥工程实际验证了基于正态云理论的桥梁耐久性模型分级应用体系的可行性本文建立的桥梁耐久性模型可为其他桥梁耐久性评价提供参考:参 考 文 献:贡金鑫赵国藩.钢筋混凝土结构耐久性研究的进展.工业建筑():.周履.桥梁耐久性发展的历史与现状.桥梁建设():.雷俊卿.桥梁安全耐久性与病害事故分析.中国安全科学学报():.杨则英黄承逵曲建波.基于自适应神经 模糊推理系统和遗传算法的桥梁耐久性评估.土木工程学报():.陈晶鲍学英赵延龙.基于模糊可拓层次分析法的在役混凝土桥梁耐久性评估.安全与环境学报():.李福海靳贺松胡丁涵等.钢筋混凝土桥梁的耐久性评估.安全与环境学报():.李涛黄亚娥向敬等.基于模糊可拓集的跨海系杆拱桥耐久性评估.中南大学学报(自然科学版)():.于海锋.基于模糊神经网络的在役钢筋混凝土桥梁耐久性评估方法研究.长春:吉林大学.李德仁王树良李德毅等.论空间数据挖掘和知识发现的理论与方法.武汉大学学报(信息科学版)():.雷武林周华龙姜思阳等.正态云模型在煤巷围岩稳定性分类中的应用.煤矿安全():.中华人民共和国交通运输部.公路桥梁技术状况评定标准:/.北京:人民交通出版社.中华人民共和国交通运输部.公路桥梁承载能力检测评定规程:/.北京:人民交通出版社.(上接第 页)近年来国家有关部门已将国有林场道路、饮水、电网改造等基础设施纳入相关的规划并给予相应的支持四川省林区不同于东北林区和东南林区地形和地质等方面给林区道路的勘察、设计工作带来现实困难 因此林区道路的勘察、设计既要注意地形、地物的现实条件设计要经济合理又要考虑旅游大省的省情将道路线形与森林的景观有机地结合 在一部分景观较佳的区域林区道路可以设置停车休息区以供驾驶员休息、观赏.要符合技术标准又要灵活处理四川省林区道路的勘察、设计工作要符合技术标准又要灵活地处理 林区道路的平面设计和纵断面设计要能够更好地适应四川省林区内的地形和气候条件适当多地设置平曲线注意减少纵断面的填挖要避免不合理的项目对总体规划产生干扰进而影响林业经济的可持续发展 四川省可以考虑将林场林区道路建设纳入车购税补助范围 场部通硬化路标准参照同地区建制村通硬化路的标准来执行林区林下经济节点对外连接公路标准参照扶贫地区资源路旅游路产业路的标准执行 从而使林区道路达到以最少投入取得最大效益的目的 结 论)四川省林区道路有其特殊性林区道路的勘察、设计也有其特殊性 四川省的林区道路勘察、设计的重要问题值得研究)四川省林区道路勘察、设计领域有以下方面的重要问题:科学合理地规划林区道路的路网合理地设计林区道路的线路为发展旅游做好配套工作要采用与时俱进的勘察、设计方法)更好地完成四川省的林区道路勘察、设计的具体措施和建议:尽量利用当地建筑材料充分考虑四川省的省情要符合技术标准又要灵活处理:参 考 文 献:王文奇宋雨静王泽等.面向“一带一路”倡议的四好农村路理论与实践.四川建材():.白秀萍陈绍志何友均等.国外林区道路发展现状及启示.世界林业研究():.丁赓.木兰林场林区道路规划设计与测量方法探讨.安徽农学报():.吴维李红俊张继红.淳安县林区道路现状与规划建设思考.热带林业():.陈伟朱磊李国志等.杭州市萧山区林区道路规划方法应用探讨.森林工程():.王文奇宋雨静王泽等.面向新工科的透水路面教学科研理论与实践.四川建材():.于承志.林区道路景观设计探讨.科技创新导报():.