钢管混凝土拱桥安全性评价的距离判别模型.pdf

2 0 1 1年 第 5 期 (总 第 2 5 9 期 ) Nu mb e r 5i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 0 9 钢管混凝土拱桥安全性评价的距离判别模型 路素青 ( 黄河科技学 院，河南 郑州 4 5 0 0 6 3 ) 摘要： 以全桥安全性评价为总体目标， 在以往桥梁安全性评价方法的基础上， 引入距离判别理论 ，并结合层次分析法 ， 提 出了钢管混凝 土拱桥安全性评价的距离判别方法。 从影响钢管混凝土拱桥安全性的承载能力、 承重构件损伤以及外观损伤等3 个主要方面进行考虑 ，分 别建立距离判别安全性评价模型 ， 采用 现场实测数据评价结果作为神经网络训练和检验样本 ，对神经网络进行学 习训练 ， 获取专家 的经验 知识 和直觉思维 r 建立高度非线性的输入与输 出的映射关系 。 通过仿真得 到桥 梁承载能力 、 承重构件损伤 、 外观损伤 以及成桥状态下最终 的安全性信息 。 以一实际桥为例进行工程实例分析 ， 分析结果表明 ， 该方法较 好地反 映了钢管混凝土拱桥结构的安全性状况 。 关键词： 桥梁工程 ；钢管混凝土拱桥 ；安全性评价 ；距离判别模型 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 2 4 0 3 S a f e t y e v a l u a t i o n o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e a r c h b r i d g e b a s e d o n d i s t a n c e d i s c r i mi n a n t mo d e l LU Su -q i n g ( Hu a n g h e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yC o l l e g e ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 6 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： I n o r d e rt og a i nt h e r e s u l to f t h e s a f e t y a s s e s s me n to f CFS T a r c hb r i d g e， b a s e do nt h et r a d i t i o n a l s a f e t y e v a l u a t i o nme t h o d s ，aDi s t a n c e Di s e r i mi n a n t Mo d e l( DD M) ， a s a f e t y e v a l u a t i o n me t h o d w a s p r e s e n t e d Wi t h c o n s i d e r a t i o n o f s e v e r a l k e y f a c t o r s w h i c h a f f e c t t h e wh o l e s a f e t y s t a t e s u c h a s l o a d be a r i n g c a pa b i l i t y， d a ma g e o fb e a r i n g c o mpo n e n t a nd d a ma g e d s t a t e o f a p pe a r a n c e ， Di s t a n c e Di s c r i mi n a n t Mo d e l s we r e b u i k and t r a i n e d b y c h e c king s a mp l e s g a i n e d f r o m the d a t a me a s u r e d o n t h e s p o t T h e n the e xp e r i e n c e a n d i n s t i n c t t h o u g h t o f e x p e r t s we r e g a i n e d a n d t h eh i g hl yn o nl i n e ar m a p p i n g r e l a t i o n s h i pb e t we e nth ei n p u t a n d o u t p u tf a c t o r swa s e s t a b l i s h e d F in a l l y ， the w h o l e s a f e ty e v a l u a t i o no f l o a d b e a r i n g c a p a bi l i ty， d a ma g e o f b e a r i ng c o mp o n e n t ， d am a g e d s t a t e o f a p p e ara n c e a n d c o mp l e t e d s t a t e of arc h b r i d g e we r e g o t t e n b y the me t h o d o f s i mu l a - t i o nTh e r e s ul t o f s a f e t y e v a l u a t i o no nep r a c t i c a l Br i d g e s h o wstha t t h e a p pr o a c hi s h i g h l yp o t e nti a l an dp r a c t i c a l t o e v a l u a t ethe s a f e t yo f l o ng s p a n c o nc r e t e fi l l e d s t e e l t u b e a r c h b rid g e Ke y wor ds ： b rid g e e n g i ne e r i n g； CFS T arc h b r i d g e ； s a f e ty a s s e s s me n t ； d i s t a n c e d i s c r i mi n a n t mo d e l 0 引言 钢管混凝土拱桥在大跨度桥梁的建造方面具有广阔的发 展前景 。 然而， 气候、 环境等自然因素的影响、 日益增加的交通 量的重载作用 ， 以及由于施工质量问题和管理不善使已经运 行的桥梁存在不同程度的安全隐患， 甚至经常有类似的事故发 生 。 有鉴于此， 为确保桥梁的安全运营， 必须对大型桥梁进行有 效的综合监测和评估。 自2 0 世纪 8 0 年代以来 ， 国内外学者在桥 梁的安全性评价方面作了大量的研究 ， 提出了众多安全性评价 方法。 如外观调查评定法、 内力验算评定法 、 荷载试验法、 专家系 统评定方法 、 基于可靠度理论评定法 、 承载力的计算机有限元 模 拟评定 法 、 神经 网络法 与模糊神经 网络法等 。 然而 ， 由于桥梁 结构是一个复杂的结构体系， 存在着诸多不确定性因素 ， 使得上 述各评价方法也相应地存在着许多不足之处【引 。 而人工神经网络 因其自身较强的适应性、 精确性 、 鲁棒性及高度的概括能力 ， 能 动态地 、 自适应地从众多已完工程中提取有用信息 ， 进行预测， 辅助决策 ， 有效地改善了桥梁安全性评价过程和结果 ， 在 B P ， S V M 等职能算法的基础上逐步发展起来的桥梁评价技术、 桥 梁评价计算模型， 为桥梁评价工作提供了较好的思路。 近年来， 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 - 2 5 24 在桥梁安全性评价领域中应用较多的网络模型是 B P神经网络。 然而 ， B P神经网络有其 自身固有的缺陷， 如学习速度慢， 容易 陷入局部最小点， 隐层节点数的选取无理想的规则可循 ， 从而 导致无法确定合适的网络拓扑结构等。 判别分析法是根据观测到的样本的若干数量特征对新获 得的样本进行识别， 判断其所属类型的一种多元统计方法， 近年 来， 在自然科学的很多领域得到广泛应用M ， 但在桥梁领域内 的应用至今研究较少。 本研究根据判别分析理论的思想， 试图建 立距离判别分析模型对钢管混凝土拱桥安全I 生 进 介。 该模型 选用多项指标作为综合评判的判别因子 ， 并在实际工程中进行 运用， 取得了良好的效果。 1 距 离判 别分析 法评价模 型 判别分析是的基本思想是： 样品距哪个总体距离最近， 就判 它属于哪个总体 。 设总体 G = ， x ， ， m ) 为 m元总体( 考察 m个指标) ， 样本 = ， ： ， ， 。令 E ( 置) ( 1 ， 2 ， ， m) ， 则总体均值向量为 ， ， 。 总体 G的协方差矩阵为： Y - c o v ( G) 【 ( G ) ( G ) T 】 ( 1 ) 样本 与总体 G的马氏距离定义为 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m d 2 ( X， G) = ( ) ( X ) ( 2 ) 设有 个 元总体： G ， G ， ， G ( 2 ) 其各自的均值向龟 和协方差矩阵分别为 ， 乏( i = 1 ， 2 ， ， k ) 。 对任意给定的 m元样 本 ， ， ) ， 判断其属 于哪 个总体 ， 可 以按 马 氏距离 最 近准则对 X进行判别分类 。 首先计算样本 X到 个总体 的马 氏 距离 d ( ， G) ， ( i -1 ， 2 ， ， ) 然后进行 比较 ， 把样本 判 归距 离 最小的那个 总体 。 设 f 时 ， 若 ： d 2 ( X， G 。 ) = mi n d ( X， G i ) ( 3 ) - I， 2 k 则样本 G 。 计算马 氏距 离 d ( ， G ) 时 ， 可 以用学 习样本统计量 作为 和 三的估计进行计算。 2 钢 管混凝土拱桥 安全性距 离判 别评 价方法 2 1 判别参数的确定 桥梁结构是 一 个复杂 的结构体 系 ， 影响桥梁安 全性 的因素 也很多 ， 包括设计、 施工 、 材料， 使用环境等。 本着全面、 典型 、 易 取 和层 次关 系明确 的原则 ， 并结合钢 管拱桥结 构实际 ， 选取 钢 管拱桥的承载力、 主要承重构损伤、 外观缺损状况为评价指标， 建立 了钢管拱桥结构安全性评价模型 ， 钢管拱桥的承载 力主要 包括 主拱圈承载力 、 主梁承载力 、 吊杆或 立柱承载力 、 基 础承载 力； 主要承重构损伤主要包括主拱圈结构损伤 、 主梁结构损伤 、 吊杆或立柱 结构损 伤 、 基 础损伤 ； 外 观缺损状 况主要包括 上部 结构缺损状况 、 下部结构缺损状况 、 连接及支座缺损状况。各等 级评价指标的具体含义如表 1 所示， 其余指标参见文献【 8 】 及相 关 标准与规 范。 2 2 距 离判 别评 价模 型的 建 立 钢管拱桥安全性综 合评价共分 3 个层 次 4个 子模型 ， 即承 载力评价子模型、 结构损伤评价子模型、 外观缺损状况评价子 模型和综合评价子模型模块。每个评价字模型都有一 个独立的 多输入 、 单输 出的距离判别模型 。主要评价步骤如下 ： 建立距 离判别分析法训练样本数据库： 将评价指标值与专家系统评价 结果根据特定的顺序组合成一个训练样本。对距离判别评价模 型进行训练需要多个样本， 通常情况下由实测样本和理论样本 组成； 用距离判别评价模型进行安全性评价： 在现场采集实 测评价指标量， 将其指标值按照特定要求输入到已建立的距离 判别评价模型巾进行仿真评估得到评价结果， 进而与评价标准 进行对 比便可以得到相关的评价信息 ； 重复步骤 ， 分别 得 到各评价子模型 的评价结果 ； 对得到 的评价 结果 输入到 综合评价的距离 - fl N评价子模型的模块巾进行仿真， 得到钢管 拱桥综 合安全性评 价结果 。 表 1 安全性评价等级标准 注 ： 表中 I ， I I ， l I l ， I V， V表示优 、 良、 中 、 差 、 劣 5级。 3 实例 应 用 3 1 工 程 概 况 某市 内江上某下承式钢 管混凝土拱桥 ， 主桥 为净 跨 2 8 0 m， 主拱肋采用钢管混凝土 拱桁架 ， 上下 弦管和缀板 内灌 注 C 5 0混 凝土， 弦管直径为 1 0 m； 2条拱肋通过 1 1 道横撑连成整体 ， 横 撑 除拱顶 横撑 为 H形 外 ， 其余 均 为 K形 ； 吊杆共 5 5对 ， 采用 P E S 7 6 1 高强镀锌平行钢丝束， 技术要求同斜拉桥斜拉索 8 。 3 2 钢管混凝土拱桥安全性距 离判别评价方法 采用文献f 8 1 的数据进行分析， 从 静动载试验报告 中， 选 取钢管拱两侧拱脚 、 拱顶 以及 1 4跨 、 1 8 跨 ， 4处关键截面 的最 不利的 内力校正系数作为主拱圈评价指标 ； 选取纵梁 的跨 中最 在 内力校正系数为主梁的评价指标 ； 先取吊杆最大内力校 正系 数 为吊杆的评价 指标 ； 对于 承台基础 ， 在基桩 推力工况 作用下 承台与基桩连接处末发 现受力裂纹 ， 现场专家建议评估定为 良。 根据专家的现场打分的形式评定在各工况作用下该桥的安全 状况 ， 训练样本见表 2 。 以文献 8 提供的实测资料， 主拱圈 、 吊杆、 主梁的结构校正 系数组成 的向量为 ( 0 8 2 l 、 0 7 2 、 1 0 、 0 8 ) ， 对 承台基础 的评 价为 良， 与评价标准相对应 的数 值为 0 8 。 输入向量( 0 8 2 1 、 0 7 2 、 1 0 、 0 8 ) 到步骤中训练好的网络横 中进行仿真， 得 计算结果 为 0 8 1 6 ，根据评分标准得知该桥 的承载能力处于优 良的状态 ， 整桥 承载性能很好 。 将 该 承载力评 价模 型存 入知 识库 巾 ， 这 样 对 于该桥 进行 承载力评价只需输入一组实测指标量， 便可以快速得到评价 结 果 。 鉴 = 丁 = 承重 构件损 伤和外 观缺损 状况 的距离 判别评价 模 型 训练 和信真 过程 是相 同 ， 各部 分 的 网络 训练理 论样 本均 通 过综 合评 价 的方法 随机产 生 ， 所 需要 的权 重通过 对专 家 的调 查统计， 得到不同层次指标两两判断矩阵的调查结果及计算 出来得到 在这里仅给出相应的实测数据和仿真结果， 并进行 必要的说明。 对承重结构损伤进行距离判别评价模型评价： 当 评价 因素 中包 含有多个 实测值时 ， 用综 合评判 的思想 ， 进行线 性叠加 。 对承重构件损伤模块进行训练 得到昕需 的距 离判别模 型 ， 输入需要检测 的桥梁的实测 值的转换值向量 ( 0 9 、 1 、 1 、 0 9 、 0 9 ) ， 输出结果 为 I 级 。 根据评分标 准得知该桥 的承重构件处 于 优级状态， 承重构件满足设计要求， 整桥承重构件毫无损伤。 对外 观缺损 状况评价 ： 输 入实测桥 面板 、 吊杆 、 桥 面横梁 、 桥道纵梁 的向量 到训 练好 的距 离判别评价模 型中， 便得 到二 级 评价结果为 I I 级。 同理， 可以得到主拱圈、 拱座承台和附属设施 的评价结果分别 为 1 级 、 I 级 、 I I 级。 进而把 2级评价结果输入到 距离判别模型中得到 1 级评价结果， 可知其外观缺损状况处于 优级状态。综合以七3个部分的评价结果 ， 输入( 0 8 1 6 、 O 8 5 4 、 0 8 6 7 ) 到训 练好 的综合 评价模块 中 ， 得 到钢 管混凝 土拱 桥安全 性最终评价结果 为 I 级 ， 根据评分标准可知 ， 该桥安全性水平达 到优 良状态 说明该 桥承载能力较强 ， 主要承重结构无损伤 ， 外 观状 况基本 完好 ， 对应表 l 可 以看 ， 建议采取 的策略 为 常 维修养护 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 训练样本集 f p 4结语 桥梁结构体系的评估结果反映了整体结构的安全性技术 现状， 是公路管理部门决策的重要依据。实例证明， 本研究给出 的距离判别评价模型能较好地评价钢管混凝土拱桥的承载力 并具有 以下特点 ： ( 1 ) 管混凝土拱桥的承载力评价只需确定其输入及输出的 个数 、 它具有很好的推广性 。 ( 2 ) 距离判别评价模型是一个动态模型， 随着试验数据的 增加， 能够补充实测训练样本， 从而提高网络模型的精度。 ( 3 ) 距离判别评价模型对钢管混凝土拱桥的承安全性进行 评价时， 只需用已训练好的网络模型的参数， 输入一组实测样 本就可以进行评价了， 其评价方法简便、 快速和实用， 大大提高 了工作效率。 ( 4 ) 在对钢管混凝土拱桥的安全性评价过程中， 其承载力、 承重结构损伤和外观缺损状况也分别得到评价， 相辅相成而又 互不影响， 更加详细地提供了桥梁的安全性信息。 参考文献 ： 【 1 涂凌 钢管混凝土拱桥承载力计算 J 】 _ 重庆交通学院学报， 1 9 9 9 , l 8 ( 2 ) ： 8 - 1 2 2 】兰海 大跨斜拉桥结构综合监测与评价系统【 D 上海： 同济大学 ， 2 0 o o 3 司奎 基于结构可靠性的桥梁评估方法研究 D 1 _ 上海： 同济大学 ， 2 0 0 5 【 4 J 董陇军， 李夕兵， 赵国彦， 等露天采矿爆破振动对砌体结构破坏效 应预测的 F i s h e r 判别模型及应用fJ 1 岩石力学与工程学报。 2 0 0 9 ， 2 8 ( 4 ) ： 7 5 0 7 5 6 5 梅长林， 周家良 实用统计方法【 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 2 ： 8 5 1 1 0 【 6 董陇军， 李夕兵， 白云飞 急倾斜煤层顶煤可放性分类预测的 F i s h e r 判别分析模型及应用 J 煤炭学报， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 1 ) ： 5 8 6 2 7 】高惠璇应 用多元统计分析【 M E 京 ： 北京大学 出版社 ， 2 0 0 5 8 18 冯清海 基于径向基网络的钢管混凝土拱桥安全性评价 D 】 _武汉 ： 武 汉理工大学， 2 0 0 5 作者简介 联 系地址 联 系电话 路素青( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 讲师， 研究方向： 建筑工程技术和试验 教学。 郑州市南三环花寨黄河科技学院( 4 5 0 0 6 3 ) 1 3 3 3 51 4 5 6 8 3 上海城建成功生产世界最大 口径钢筋混凝土管试 日前 ， 上海城建成功突破国内大型钢筋混凝土管试模具设计 、 生产质量 、 技术控制难题， 一举实现世界最大 I= 1 径钢筋混凝士 管直径 4m的钢筋混凝土管试生产成功 ， 再次创造了中国钢筋混凝土管制造史上的新纪录。 目前由于大口径钢筋混凝土管生 产技术的空白， 国内、 外顶管工程一直被限制在 3 5m级以下。 此次 4m直径钢筋混凝土管的成功生产， 将为城市大口径管线施工提 供新的发展可能。 上海城建通过模具设计改进， 以模具设计成模块化， 取代以往拆模方式 ， 采用激光测量 、 钢筋骨架数控化、 自动化制作和液压扩 张法等系列新技术， 不仅使混凝土管成品精度更高， 生产更便捷 ， 且较传统混凝土管制造技术速度更快， 造价更低， 具有很高推广价 值。 此次试生产的大12 1 径钢筋混凝土管将正式应用于上海中心城区最后一根大型污水输送干线白龙港片区南线输送干线工程 中。 工程竣工后 ， 将 为进一步填补城市化地 区排水系统空缺做 出积极贡献 。 26 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m