铁路混凝土梁桥震害评估各部件权重分析.pdf

2 0 1 3年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 2 7 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 9 - 0 0 2 7 0 4 铁路 混凝 土梁桥震 害评估各部件权重分析 杨 帆 ， 苏木 标 ， 李青宁 ( 1 西安建筑科技 大学 土木工程学院 ， 陕西 西 安7 1 0 0 5 5 ； 2 石家庄铁道大学 大型结构健康诊断 与控制研究所 ， 河北 石家庄0 5 0 0 4 3 ) 摘要： 地震发生后 ， 对铁路桥梁的地震灾害损失进行简捷评估， 对于制定抢险救 灾方案和灾后重建规 划 十分重要 。本文 以铁路 混凝 土 梁桥 为例 ， 分析桥 面 系、 上部 结构 和 下部 结构 各组 成部 分 及其 震 害破 坏 形 式 ， 采 用层 次分析 法和模糊 综合评价相 结合的 方法 ， 确定铁路 混凝土 梁桥 各组 成部 分及 各种 震 害破 坏形 式 在桥梁震害评估中的权重， 为判断铁路混凝土梁桥的破坏等级和估算单座桥 梁的震害经济损失提供依据。 关键 词 ： 铁 路 混凝 土 梁桥地震 震 害 模糊 层 次分 析法 权 重 中 图分类 号 ： U 4 4 2 ， 5 5 文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 9 0 9 地震 发生 后 ， 震 区铁 路 桥 梁会 遭 受 不 同程 度 的 损 坏 ， 如 5 1 2地震 造 成 的宝 成铁 路 清 江 7号大 桥 灾 害 j 。铁路作为救援生命线 ， 如何简 单快捷地对铁路 桥梁的地震灾害损失进行评估 ， 对制定抢险救灾方案、 灾后 重建 规划 及 防震减 灾 具有 重要 意义 。 要进行铁路桥梁震害快速评估需要明确铁路桥梁 的结 构特 点 、 受力 特征 、 以及 各部 件 的重要 程 度 。不 同 类型的桥梁在相同地震烈度下受到的损伤有轻重之分 。 不 同地震烈 度 下 ， 同一 座 桥 梁 受 到 的震 害轻 重 也 不 相 同。铁路桥梁各部件损坏后维修加固的难度也不一样 ， 例如 ， 下部结构的损坏可能导致全桥的瘫痪， 不能维修 只能 重建 ， 而桥 面 系的 损坏 ， 很 多时 候是 可 以维修 或 更 换的， 这就需要计算不同类型铁路桥梁各部件的权重。 层 次分 析 法 由美 国 运 筹 学 家 匹兹 堡 大 学 的 T L S a a t y 教授 于 2 0世 纪 7 0年 代 首 次 提 出。该 方 法是定量分析和定性分析相结合的系统分析方法。层 次分析法通过明确问题、 建立层次分析结构模型 、 构造 判断矩阵 、 层次单排序和层次总排序五个步骤计算 各 层次构成要素对总目标的组合权重。该方法能够有效 分析 目标准则体系层次 问的非序列关系 ， 有效地综 合 测 度决 策者 的判断 和 比较 。 由于 该方 法简 洁 、 实 用 ， 在 社会、 经济 、 管理等方面得到了越来越广泛的应用。为 了改进 T L S a a t y的层次分析法中诸如判断一致性与 矩阵一致性 的差异 、 一致性检验的困难等问题 ， 一些学 者 提 出 了模 糊 层 次 分 析 法 ( F A H P ) 。模 糊 层 次 分 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 - 1 3； 修回 日期 ： 2 0 1 3 0 6 1 2 基金项 目： 地震行业科研专项 ( 2 0 1 0 0 8 0 0 5 ) 作者简介 ： 杨 帆( 1 9 8 4 一)， 女 ， 河北张 家口人 ， 博士研究生 。 析 法 的一个 根本 问题 就是 如何确 定权 重 的大小 。本文 以铁路混凝土梁桥为例 ， 采用层次分析法和模糊综合 评价相结合的方法研究桥梁各个部件的权重。 1 铁路混凝土梁桥结构特点及震害 1 1 铁路 混凝 土梁桥 结构 构造 及地震 灾 害破坏 形式 震害统计资料表 明， 任何建筑物的地震破坏都与 它的结构构造特 点密切相 关。铁路混凝 土梁桥的组 成 ， 大体 可分 为 桥 面 系 、 上 部 结 构 和下 部 结 构 三 大 部 分， 其 中桥面系包括轨道结构及人行道 ， 上部结构包括 主梁和横隔板 ， 下部结构分为桥台和桥墩， 桥台和桥墩 有其 不 同的构 造 。 1 2铁路 混凝 土梁 桥震 害分 析 1 2 1 桥 面 系震 害 铁路桥梁轨道的破坏 ， 多数是由于桥梁的振动引 起的。轨道震害主要破坏形态表现为线路呈波浪形起 伏 ， 钢轨弯曲变形 ， 见图 1 。 图 1 钢轨弯 曲 地 震 区钢轨 鱼尾 螺 栓 拉 断 以 至轨 缝 拉 大 ， 严 重 者 轨缝达到 2 6 0 IT l m 。铁路桥梁上也曾有 因地震导致 钢轨被拉断的现象发生 ， 如唐 山地震就出现 了钢轨拉 断 拉断处轨道呈单波弯曲， 在钢轨折断的断面上并没 铁道建筑 有缺 陷 。轨缝 拉大及 钢 轨 拉 断 ， 均 系轨 道 在地 震 力 作 用下 受拉 伸所 造成 的。震 后 测量 轨 道 纵 向位 移 ， 发 现 成段钢轨 大量纵 向移动 ， 使得钢 轨受到纵 向拉 力或 压力 。 1 2 2上部 结构 震 害 上部结构 自身因直接的地震动力效应而毁坏的现 象极为少见， 但因支承连接失效或下部结构失效等引 起的落梁及主梁的移动 、 扭曲、 裂缝等现象， 在破坏性 地震 中常有发 生， 其 中落梁现象最为严 重， 如图 2 ( a ) 所示 。顺 桥 向的落梁 较 多 ， 梁端 碰撞桥 墩侧 壁 ， 给 下部 结构 带来 很 大 的破 坏 ， 从 而 有 可 能造 成 更 大 的 灾 害 。 此 外 ， 梁 可能 受到纵 向冲击破坏 ， 即两片 主梁之 间 由于 地震 的影响相互冲击致其破坏 ， 如图2 ( b ) 所示。 ( b ) 主梁 冲击 图 2 梁体震害示意 主 梁 的裂 缝 ， 可 以分 为 四 种形 态 ： 跨 中裂 缝 、 支座两侧裂缝 、 梁侧裂缝和梁底裂缝 ， 如图 3所示。 一一 ( a ) 跨 中裂 缝 ( b ) 两侧裂缝 ( c ) 粱侧裂缝 ( d ) 粱底裂缝 图 3梁裂缝形态示意 1 2 3 下部 结构震 害 地 震 引起 的下部 结构 的破 坏 主要 是 桥 墩 的破 坏 ， 一 般是从轻微断裂开始的， 继而扩展到四周而造成破 坏 ， 进 一步 发展 ， 会导 致 断裂 面上 下 的墩 身 移 位 ， 最 终 使断裂面以上的墩身翻落。 地震 后使 桥梁墩 台基础产 生不均匀 沉降 ， 如 图 4 ( a ) 。墩台顶或整个墩 台身产生横桥 向或顺桥 向位 移即线梁偏心 ， 致使梁体发生相应的位移如图4 ( b ) 。 地震使地基产生液化， 由于地基液化等 因素引起墩 台 发生倾斜或移动， 最终有可能导致梁体的破坏 ， 墩台倾 斜 破坏 如 图4 ( c ) ， 墩 台位 移破 坏如 图4 ( d ) 。墩 台发生 剪切或剪断扭转 ， 墩身为地震力所折断 ， 此种情况 ， 多 发 生在混 凝 土 施 工 接 缝 处 ， 或 墩 台截 面 突变 处 ， 如 图 4( e )和 图4( f ) 。 一一 ( a ) 基础 沉陷 ( b ) 线粱偏心 呼 一 ( c ) 墩台倾斜 ( d ) 墩台位移 丰 = = ： = = 量 ( e ) 墩身折断示意 ( f 墩身折断实例 图 4墩 台 基 础 震 害示 意 墩 台 固定 支座锚 栓被 剪断或 支座 垫石被 支座 螺栓 拉 裂 ， 固定支座 上摆 脱 出 ， 摆 柱 支座 倾 倒 ， 活 动支 座 分 离 ， 如 图 5所示 。 ( a ) 示意 ( b ) 实例 图 5支 座 破 坏 2模糊层次分析法步骤 1 ) 建 立层 次分析 模 型 将所研究的复杂问题分解为若干组成元素 ， 并将 不 同组成元素按类分组 ， 然后建立多层次评价模型。 2 ) 构建模糊判断矩阵 设系统有待进行重要性 比较 的指标集 A = a ， a ， ， a 一， a ， 其中， a 为第 i 个有待 比较的指标 ， i = 1 ， 2 ， ， n ， n为指标 总 数 。将 指标 集 A 中的指标 按 “ 重要性” 进行二元对 比的定性排序。 对指标 集 中的指 标 a 与 a ( k=1 ， 2 ， ， n ； z= 1 ， 2 ， ， n )作 二 元对 比 ： 若 a 比 a 极 端 重要 ， 令 排 序标 度 r =9， r =1 9 ； 若 a 与 a f 同等重要 ， 令 r =1 ， r f = 1 ； a 比 a 极端 重要 ， 令 r M=1 9 ， r =9 。 对 于两 指 标 重要 性程 度 的描 述 ， 1与 9分 别对 应 着 两 个 描 述 晕 2 0 1 3年第 9期 杨帆等 ： 铁路混凝土梁桥震 害评估各部 件权 重分析 2 9 要性程度的形容词 ： 同样重要与极端重要 。自然语言 与 文字 中形 容词 的本 质特 点是 模糊 性 ， 徐 泽 水 “ 给 出 关 于模 糊概 念重 要性 的 9个 形 容 词 级 差 ， 以线 性 变化 的模糊标度值分别与不同级别的形容词对应 ， 见表 1 。 表 1 语气算子 与模糊标 度对 照 R 且 满足条 件 u ， 。 ( 1 ) 【 = 1 3铁路 混凝土梁桥权重分析 依据模糊层次分析法结合铁路混凝土桥梁的分层 结构 ， 以及混凝土梁式桥的结构特点和受力 特征以及 损坏后修复的难易程度 ， 可以构建铁路桥梁下部结构、 上部结构、 桥面系判断矩阵。 设下部结构 、 上部结构和桥面系分别为因素 1 、 因 素 2和因素 3 。下部结构与上部结构相 比， 根据桥梁 破坏的结构 特 点并 结合 经 验， 选择语 气 算 子 为 “ 微 小” ， 故 r =1 2 2 2； 下部结构与桥面系相 比， 选择语气 算子为“ 强烈”， 则 r = 4； 而上部结构与桥 面系相 比， 选择语气算子为“ 十分” ， 则 r =3 。根据公式( 1 ) ， 可 知 r 1 1 =1 ， r 2 2=1 ， r 3 3=1 ， r 2 1=1 1 2 2 2， r 3 1：1 4， r 3 2= 1 3 。则铁路混凝土梁桥下部结构、 上部结构和桥面系 的模糊判断矩阵为 z r 】， 1 2 2 2 4 R=l r 2 l r 2 2 r 2 3 I =l 1 1 2 2 2 1 3 I ( 2 ) r 3 2 r 3 3j l 1 4 1 3 1 j 利用 MA T L A B程序求得式( 2 ) 的最大特征值 A 对 应 的特 征 向量 =( 0 7 6 7 4 ， 0 6 1 0 0 ， 0 1 9 7 5 ) ， 归 一 化后 ， 即得 到 对应 评 定 指 标 的权 重 系数 彬 =0 4 9 ， W = 0 3 9， W = 0 1 2 。同理 ， 可分别计算各评估要素及 不 同震 害破坏 形式 的权 重 ， 计算 结 果见表 2 。 表 2各评估要素及不同震害破坏形式的权重 注 ： 表示桥 梁部件 已完全 破坏 ， 评估时应扣除 1 0 0分 。 3 0 铁道建筑 S ! t e m b e l 2 0 l 3 4 结语 本文在 分析 了铁 路混凝 土梁 桥地震 灾害破 坏形 式 的基 础上 ， 采 用层 次分 析 法 和模 糊 综 合 评 价相 结 合 的 方法来确定铁路混凝土梁桥各评估要素及各种破坏形 式 的权重 。该方 法能 够 较 准确 地 确 定 权重 ， 并 定 量 计 算出各部件对于桥梁 的重要程度 ， 也可 以用来计算铁 路其 它类 型桥 梁 的权 重 。 得 到铁路 混凝 土梁桥 各评估 要素及 各种 破坏 形式 的权 重值 后 ， 可 以进 行震 害指数 的计算 ， 从 而判断 铁路 混凝 土 梁桥 的破坏 等 级 ， 确 定 其损 失 比。再 根 据 桥梁 单位长度修复费用和总长度可计算单座桥梁的震 害经 济损失， 从而为抢险救灾及灾后重建提供重要依据。 参 考 文 献 1 戴胜勇 宝成铁路清江 7号 大桥地震抢 险保通 及思考 【 J 铁道工程学报 ， 2 0 0 8 ， 1 2 ( 2 ) ： 3 0 4 3 0 7 2 S A A T Y T L Mo d e l i n g u n s t r u c t u r e d d e c i s i o n p r o b l e ms -t h e t h e o r y o f a n a l y t i c a l h i e r a r c h i e s J M a t h C o m p u t S i m u l a t i o n ， I 9 7 8 ， 2 0( 3)： 1 4 7 1 5 8 3 樊治平 ， 姜艳萍 模糊判断矩阵排列方法研究的综述l j 1 系 统工程 ， 2 0 0 1 ， 1 9 ( 5 ) ： 1 2 1 8 4 张 吉军 模 糊层 次分 析法 ( F AH P ) J 模 糊 系统 与数 学 ， 2 0 0 0， 1 4 ( 2)： 8 0 8 8 5 兰继斌 ， 徐扬 ， 霍 良安 ， 等 模糊层次分析法权重研究 J J 系 统工程理论与实践 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 9 ) ： 1 0 7 1 l 2 6 杨 帆 铁路桥梁地震灾 害损失评 估技术 研究 I ) 家 ： 石家庄铁道大学 ， 2 0 1 0 7 陈寿梁 ， 魏琏 抗震防灾对 策 Mj 河南 ： 河南科学技术 出版 社 ， 1 9 8 8 ： 4 8 5 6 8 柳春 光 桥梁结构地震 响应 与抗 震性能 分析 l M j 北 糸： I I 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 9 ： 2 - 8 9 娄锋 ， 朱 向前 ， 毕凯 明 钢管混凝 土拱桥地 震反成 分析 l -I 铁道建筑 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 1 4 1 0 卫 星， 文曙东 ， 李小珍 玉家 山 2号 T形刚构铁路桥弹 性 减震方案 的研究 J 铁 道建 筑 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 7 9 1 1 徐 泽水 关于层次分析法 中几 种标度 的模拟评估 f J 系统 工程理论 与实践 ， 2 0 0 0 ， 2 0 ( 7 ) ： 5 8 6 2 Ea r t h q u a k e d i s a s t e r a s s e s s me n t o f r a i l wa y c o n c r e t e g i r d e r br i d g e a n d we i g h t i n g a n a l y s i s o f e a c h me mb e r o f s t r u c t u r e Y A N G F a n ， S U Mu b i a o ， L I Q i n g n i n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， Xi a n S h a a n x i 7 1 0 0 5 5， C h i n a ； 2 S t r u c t u r a l He a l t h Mo n i t o r i n g a n d C o n t r o l I n s t i t u t e ， S h i j i a z h u a n g T i e d a o U n i v e r s i t y ， S h i j i a z h u a n g He b e i 0 5 0 0 4 3， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Af t e r a n e a r t h q u a k e， a q u i c k a s s e s s me n t o n t h e d a ma g e o f t h e r a i l wa y b r i d g e i s c r u c i a l t o t h e r e s c u e p l a n n i n g a n d t h e r e c o n s t r u c t i o n s c h e me T h e p a p e r u s e s r a i l wa y c o n c r e t e g i r d e r b r i d g e a s a l l e x a mp l e t o a n a l y z e t h e d e c k i n g， u p p e r a n d l o we r s t r u c t u r e a n d o t h e r c o mp o n e n t s ， a s we l l a s t h e d a ma g e o c c u r r e d a n d t h e f o r m i t t o o kAn a l y s i s h i e r a r c h y p r o c e s s a n d f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n we r i n t r o d u c e d t o d e t e r mi n e t h e we i g h t o f e a c h c o mp o n e n t s a n d t h e d a ma g e f o r ms i n t h e s e i s mi c r e s i s t a n c e a s s e s s me n t t h e r e f o r e p r o v i d e s r e l i a b l e r e f e r e n c e t o t h e e v a l u a t i o n o f d a ma g e l e v e l a n d t h e c a l c u l a t i o n o f e c o n o mi c l O S S Ke y wo r d s： Co n c r e t e g i r d e r b r i d g e； S e i s mi c d a ma g e； F u z z y a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ； W e i g h t ( 责任 审 编 李付军)