（道路与铁道工程专业论文）桥梁养护管理系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 建立轿粱莽护管理系统能够有效的满足管理者对桥粱养护相关数据管理、安全状态评估、养护 辅助决策分析、信息共享性等多方面需要。由于传统的桥梁养护管理系统通常基于c s ( 客户端，服 务器) 模式，故已经不能满足管理者的工作需要，随着全球网络的迅速发展和普及，基于b s ( 浏 览器服务器) 网络结构技术的桥梁养护管理系统成为了桥梁养护管理系统的主要发展趋势。 为了研究并开发出能够满足现代桥梁养护管理工作需要的桥梁莽护管理系统，本文首先分析了 桥粱养护管理系统的概念、国内外发展概况、主要类型等内箨，并在此基础上对w e b - g z s 技术和桥 梁评估体系进行了重点的研究。 在对e b - - g i s 技术进行研究时，本文分析rw e b g i g 的定义、特征、模型组成，并且通过对桥 梁专题制图和信息查洵统计这两部分的研究来说明w e b g i s 技术在桥梁养护管理系统中的应用。 在研究桥梁养护管理系统评估体系时，本文分析了桥梁评估技术的现状和发展趋势，并在此基 础上详细研究了桥梁的踺损状况评估、桥梁承载能力评估、桥粱性能退化评估以及桥梁养护费用预 算。桥梁的缺损状况评估研究是建立在桥梁缺损状况指数计算模型的基础上的，通过对计算模型的 详细分析并结合实际的桥梁检测：f ：作，本文对计算模型中的构件分类和桥梁构件缺损扣分进行补充 修正，并提出了构件检测评估参照标准，使该模型更适合实际桥粱缺损评估工作。在对日前桥梁承 载能力评估方法进行分析后，本文以多级模糊评判理论为基础提出了桥梁承载能力评估模型，该模 型以桥跨构件作为最小评估对象，研究最大裂缝宽度、钢筋锈蚀程度和结构可靠性评价这三个因素 对构件的承载能力评价等级的隶属度，以及各个因素之间权重关系，最终通过加权平均法来确定桥 梁承载能力评估等级。桥梁性能退化评估研究是建立在半马尔可夫链模型的基础上，本文通过对半 马尔可夫链模型的转换概率矩阵研究，结合实际桥梁检测数据，i 十算出转换概率矩阵的参数值，并 最终提出桥粱性能退化评估模型。桥梁养护费用预算研究是参考了公路养护工程预算编制导则 中养护费用分类，并结合实际桥梁养护费用的预算资料，提出了适合高速公路桥梁的养护费用组成， 及计算方法。 在系统开发方法及开发流程分析的基础上结合w e b g i s 和桥梁评估体系研究的结果，本文对桥 梁养护管理系统网络结构、模块结构进行设计，开发出适合现代桥梁养护管理工作需要并且具有实 用性的桥梁养护管理系统。 关键字： 桥梁养护管理系统， w e b g i s ，桥梁评估，系统开发 东南犬学硕士学位论文 a bs t r a c t e s t a b l i s h i n gb r i d g em a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ( b m m 8 ) c a nm e e tt h en e e do f b r i d g em a n a g e r e f f e c t i v e l y m o s to fb r i d g em a n a g e rw a n tb m m s t oh e l pt h e mt om a n a g et h ed a t ao fb r i d g em a i n t e n a n c e ， t oe v a l u a t et h eb r i d g e ss t a t e ，t om a k em a i n t e n a n c ed e c i s i o na n dt os h a r eb r i d g em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a ln e t w o r k ，t h et r a d i t i o n a lb r i d g em a i n t e n a n c e m a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hb a s e so nt h ec s ( c c n t s e r v e r ) s t r u c t u r ec a r ln o tm e e tt h ed e v e l o p m e n to f m o d e mb m m s a n db m m sw h i c hb a s e so nt h eb s ( b r o w s e r s e v e r ) m o d ei st h em a i n l yd e v e l o p m e n t d i r e c t i o n i no r d e rt or e s e a r c ha n de x p l o i tt h eb m m sw h i c hc o u l dm e e tt h en e e do fb r i d g em a n a g e ，f i r s t l yt h i s t h e s i sb g o d u c es h ec o n c e p t i o n , p r i m a r yf u n c t i o na n dd e v e l o p m e n t a ls i t u a t i o no fb m m se r e t h e nt h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e dt h ew e b - g i s b r i d g ee v a l u a t i o n f o rw e b g i sr e s e a r c h i n g ，t h i st h e s i sa n a l y z e dw e b - g i s sc o n c e p t i o n ，c h a r a c t er c o n s t i t u t e ，a n di t s a p p l i c a t i o no f b r i d g es p e c i a lc a r t o g r a p h y i n t b r m a t i e nq u e r yi nb m m s f o rb r i d g ee v a l u a t i o nr e s e a r c h i n g ，a f t e ra n a l y z i n gt h es t a t u sq u oa n dt r e n do fb r i d g ee v a l u a t i o n ，t h i s t h e s i sd e t a i l e dr e s e a r c h e dt h eb r i d g ec o n d i t i o ne v a l u a t i o n ，b r i d g ec a r r y i n g c a p a e i t ye v a l u a t i o n ，b r i d g e c a p a b i l i t yd e g e n e r a t i o ne v a l u a t i o nm a db r i d g e m a i n t e n a n c e e x p e n s eb u d g e t t h eb r i d g ec o n d i t i o n e v a l u a t i o nw a sb a s e do nt h em o d e lo fb r i d g ec o n d i t i o ni n d e x ，a f t e rd e t a i l e da n a l y z e dt h em o d e la n d i n t e g r a t e dw i t ht h ef a c to fb r i d g ec h e c k - u p ，t h i st h e s i sm o d i f i e st h ec o m p o n e n ti nt h em o d e la n db r i n g s f o r w a r dt h ec h e c k u pa n de v a l u a t i o ns t a n d a r do ft h e s ec o m p o n e n t s oa s 幻m e e tt h en e e do fb r i d g e c o n d i t i o ne v a l u a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h em e t h o do f b r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t ye v a l u a t i o n ，t h i st h e s i sb r o u g h t f o r w a r dt h em o d e lo fb r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t ye v a l u a t i o no i lt h eb a s eo ft h ef u z z yt h e o r yt h i sm o d e l r e s e a r c h e dt h es u b j e c t i o nd e g r e eo fm a x i m a li n t e r s t i c ew i d t h ，t h er u s td e g r e eo fs t e e lb a ra n dc a r r y i n g s t r e s st ot h eg r a d eo fb r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t ye v a l u a t i o n ，a n dt h ew e i g h t i n e s si n a l lf a c t o r s s oa st o c a l c u l a t e t h eg r a d eo fb r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t ye v a l u a t i o nt h ec a p a b i l i t yd e g e n e r a t i o ne v a l u a t i o nw a s b a s e do n t h em a r k o vc h a i nm o d e l b yt h er e s e a r c ho f t h em a t r i xo fc o n v e r s i o np r o b a b i l i t ya n dd a t ao f f a c t b r i d g ec h e c k u p ，t h i st h e s i sc a l c u l a t et h ev a l u eo fp a r a m e t e rw h i c hi nt h em a t r i xo fc o n v e r s i o n p r o b a b i l i t y a n db r i n gf o r w a r dt h em o d e lo fb r i d g ec a p a b i l i t yd e g e n e r a t i o ne v a l u a t i o na f t e rr e t i r e n c i n gt h e m a i n t e n a n c ec o s t si nt h e ( ( t h ep r i n c i p l eo fh i g h w a ym a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n gb u d g e t a n dt h ef a c to f b r i d g em a i n t e n a n c ee x p e n s eb u d g e tt h i st h e s i sb r i n gf o r w a r dt h em a k eu po fb r i d g em a i n t e n a n c ec o s t sa n d i t sm e t h o do f c a l c u l a t e f i n a l l y , b a s eo nt h em e t h o da n df l o wo fs y s t e md e v e l o p m e n ta n dr e s u l to fw e b g i s b r i d g e e v a l u a t i o nr e s e a t c h ，t h i st h e s i sd e s i g n e dt h en e t w o r ka n dm o d u l eo fc o n f i g u r a t i o n a n dd e v e l o pt h eb m m s w h i c hc a nm m e e tt h en e e do fb r i d g em a i n t e n a n c em a n a g e m e n tw o r ka n dw h i c hj sp r a c t i c a l k e y w o r d s ：b r i d g em a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ，w e bg i s ，b r i d g ee v a l u a t i o n ， s y s t e i ld e v e l o p m e n t 工i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：越 曰期：鬯幽爿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：翟垒 导师签名 期： 绪| 0 1 问题的提出 绪论 在我国现有的公路桥梁中，许多桥梁由于设计标准低，氏期缺乏必要的养护维修，已经不能适 应现代交通发展的需要，并黾“座桥梁构件既多且杂。如何有效地管理路网上这一数量多且繁杂的 桥梁构件，以维持桥梁的结构安全及运输功能? 如何有效地管理桥梁档案，以免档案的丢失? 如何 合理的利用有限资源，保持桥梁的服务水准? 决策者如何在众多改善方案中选择最合适的改善方案， 避免资源浪费? 等等。为r 满足这些的需求以提高桥粱养护管理水平，引进科学管理体系，使用“桥 粱养护管理系统”( b r i d g em a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ，简称b m m s ) 的观念应运而生。 桥梁养护管理系统( b 枷v l s ) 是一门综合管理技术，它基于桥梁结构工程、病害机理、检测技术、 数据采集技术、地理信息系统( g i s ) 技术等，运用计算机系统所提供的数据处理功能、评估决策方法 和管理学理论，对现有桥梁进行档案管理、状况登记、评估分析、状态预测等。建立桥梁养护管理 系统( b 勰s ) 能够全面地收集、储存和处理各类桥梁的数据资源，通过系统提供的各个模型和功能的 运行，用户可以直观的了解桥粱的过去、当前和将来若干年内的营运状况，从而合理安排有限的养 护资金，及时、经济和：何效地对桥梁实施养护和维修，达到延长桥梁使用寿命，充分发挥桥梁的运 营效能，确保交通运输安全畅通的目的。 桥粱养护管理的运行流程则依据检测、状态分析评估、方案选择与最优化、报告汇整、维修设 计及计划执行等阶段顺序进行。而实际上对公路系统而言，许多早期建造的桥粱己接近其应用年限， 而现今的交通却目益频繁，各级桥梁的损坏情况严重，使得桥梁维修的工作目益繁重。而公路的养 护模式缺乏科学性、预防性、合理性、经济性。对于桥梁管理单位而言，如何利用有限的经济资源， 对桥梁进行完善的维护与管理，以确保桥梁的安全性并发挥其最大效益，便成为最重要的课题之一。 目前桥梁主管机关众多，不同单位有其不同的管辖范围，然而面对桥梁的维护管理都面临以下 相同的问题： ( 1 ) 人员管理问题：各单位限于编制人员的不足，加上专业人材的缺乏，无法由专人负责桥梁 相关业务。在桥梁的运营期间缺乏对路况调查、数量收集、处理及道路危害预测，无法争取及时做 出养护决策和养护规则，即使有养护计划，但针对性、预防性、效益性如何，很难有个量化结果， 所以养护往往处于醺动，通常是出了问题才去解决。 ( 2 ) 经费管理问题：另一常见现象则是各单位呈报的危险桥粱数量太多，且保修标准不一，而 造成预算编列的困难。 1 0 ，裂缝宽度局部加固 超过公路养护技术规发( j r j 0 一9 6 ) 限值较多，与 主粱连接出现松动 劣火部分横同联系出现剥落、露筋、钢筋锈蚀，裂缝宽度 整体加固或重建 超过公路养护技术舰发( j r j 0 7 u 一9 6 ) 限值较多，基 本琵失与主梁连接能力 第一二章桥梁评估研究 表2 1 0 支座评定标准与养护对策 等级状态缺损：状态特征养护维修措施 il 优各部分清洁，完好，位置正确。活动支座伸缩与转动正常正常养护 2起 支座有尘土堆积、略有腐蚀。支座滑动面干涩局部修补 3 由 钢支座固定螺栓松动，锈蚀严重，橡胶支座开始老化，混凝局部修复 土支座有剥落、露筋、锈蚀现象 4 差钢支座的组件出现断裂，橡胶吏座老化开裂，混凝土支座破更换部分支座 裂，活动支座坏死，j i 能活动，支座上下错位过大，有，倾 斜倒塌脱落的危险 5 劣支座错位、变形、破损严重，已失去正常支承功能，使上下 更换全部支座 部结构受到异常约束，造成支承部位的缺损和桥面的部平 顺。 表2 ，1l 桥台与桥墩评定标准与养护对策 等级状态缺损状态特征养护维修措施 l 优桥台、桥墩各部分完好正常养护 2良 桥台、桥墩基本完好。3 以内的表面有风化麻面、短细裂局部修补 缝，裂缝宽度于限值。 3 由 桥台、桥墩3 - 0 的表面有各种缺损，裂缝宽度超限值，局部修复 有剥落、露筋：砌体灰缝脱落，局部变形。出现轻微的下沉、 倾斜滑动等现象。 4 差 桥台、桥墩1 0 3 0 表面有各种缺损，裂缝宽而密，剥落、加固改造部分墩台 露筋严重，砌体大面积松动、变形。出现下沉、倾斜现象， 台背填上有沉降裂缝或挤压隆起变形发展较快。 5 劣墩台不稳定，下沉、倾斜现象严重，变形大丁规范值，墩台整体加固或重建 出现结构性断裂缝，裂缝有开台现象。表面出现大面积的剥 落、露筋、钢筋锈蚀。 表2 1 2 基础评定标准与养护对策 等级 状态缺损状态特征养护维修措施 l 优基础及地基各部分完好正常养护 2 良基础及地基基本完好。3 以内的表面有风化麻面、剥落。局部修补 无冲蚀现象 3 由 基础及地基3 - 1 0 的表面有剥落、露筋；出局部出现冲 局部修复 蚀现象，桩基顶部被磨损。 4 差基础及地基冲刷大于设计值，基底冲空面在1 0 2 0 内。加固改造部分基础 桩基顶部被侵蚀、露筋，。 劣基底冲刷面达2 0 以上，冲刷深度大于设计值，地基失重建 效，承载能力降低，岸坡滑移。 2 2 2 桥梁缺损状况计算模型 桥梁( 或桥跨) 及分部结构的缺损是由各构件的缺损类型及其缺损严重程度来表示的。为了使 桥梁各分部结构之间能够相互比较，必须采用一个综合性指标来衡量其缺损状况。为了保证比较的 客观性，便于确定桥梁养护措施规模，该综合性指标必须能够反映各构件缺损严重程度以及桥梁和 各分部结构缺损状况。在这里以桥梁缺损状况指数b c i ( b r i d g ec o n d i t i o n si n d e x ) ，作为衡量桥 东南大学硕士学位论文 梁缺损状况的综合性指标删。 b c i 用百分制表示，分部结构的b c i 定义如下 n i b c i = 1 0 0 - z s d p 。 ；l 式中：b c i ，桥梁第i 分部结构第，桥跨的缺损状况指数 f = i ，2 ，3 ，其中l 为桥面系，2 为 部结构，3 为下部结构 i 桥梁跨序 m 第i 分部结构的构件数 s d p k , 桥梁构件舡缺损等级为，时的扣分值 ( 2 2 ) w “多个构件出现缺损现象时s d 屹的修正权系数 桥梁总体缺损状况为： 3 b c i = 1 0 0 一础w ， ( 2 3 ) f = i 式中：d p , = 口。m a x ( 1 0 0 一b c i , ”) “ ( 2 。4 ) b c ，桥粱总体缺损状况指数 d r , 桥梁j 分部结构对应桥梁总体的缺损扣分值 w i - - - 一桥梁多个分部结构缺损时，d p , 的修正权系数 日，b ，回归系数 公式( 2 4 ) 说明两个岔义：( 1 ) 在桥梁所有的桥跨中分别取缺损最严重的桥面系、上部结构、 f 部结构作为桥粱缺损状态评估一句i ( 2 ) 考虑各分部结构的辐对重要性，对其扣分值( 1 0 0 - b c i ) 进行修正。由上述分析町得桥梁b c l 计算过程如图2 - 1 所示。 轿d 瓣g 舔 伸稚鲣 擗承嚣溉 秽$ i ：皿髓誓 l 好遵 照瓤o i 瓣意 皤壤t 艇) 礁柚l 臻蒜 z 穗 柑 薯f 矫墩 蒋黜 s o p f s d t = l ： s d p f s d 氍 s n p ， s 0 p s d p ； s d p ； s d p s d 只 5 d p ， s d p ， s 0 p ： s d p ： s d p l s d p ： s d & s d f 3 s d p ， s p ! s o p s d p s d p ： s 】) p ! 薹d p ，s 0 p 。s 产；一1 s d 玛s d p 距 爆 瑟瑟瑟： 跳删沪s 弦护。鞑p ，p i 一 s 8 p 3s i _ ) p 4s d p t - 4 l s 秘p ls d p ) s 嚣p 5 。l s d p ! , s d p 。s d p z 一d p “0 d p ( b c j s 0 p ，s o p 4 ) p t j l s d p ! s d p ls d p !卅、 、 鞠聋渤s警絮0峨sjsdps d ls d p 3 u 一 1 。 s d p ；s d p s 8 p r 一 图21 桥粱b c i 汁算过程 第二章桥梁讦估研究 2 2 3 计算模型参数的确定 1 评分试验 桥粱缺篌状况评价是一个主观与客观榍结合扮过程。要想确定计篝模型中的参数。首先必须摸 拟一个专家打分的过程，即需要进行专家评分试验。评分试验是建立主观评价与桥梁缺损状况之间 的联系。 为了便于确定b c i 计算模型中的各项参数，在评分试验过程中按三个方面选择评分试验对象( 桥 跨) ：( 1 ) 构件缺损较为单一的桥跨；( 2 ) 分部结构缺损玻为单一的桥跨；( 3 ) 有多种构件或多个分 部结构缺损的桥跨。因此可根据桥梁缺损j 状况的检测结果，通过专家对桥梁缺损状况进行评分。评 分表见表2 1 3 。构件评分等级标准见表2 1 4 。 表2i3桥梁缺损状况评分表 桥梁名称： 填表人 跨序：日期 项日评分主要影响因素 建议的维修对策 桥面系 上部结构 f 部结构 桥跨总体 表2 1 4 桥梁构件评分参考标准 构件状况等级 l234 5 构件状态 优良 由 差劣 构件评分值范围 8 5 1 0 06 5 8 5 5 0 6 5 3 0 5 00 3 0 2 单项扣分值 将桥粱评分试验的结果进行整理，对每一试验桥的桥跨分别计算专家对桥面系、上部结构、下 部结构及桥跨总体的评分均值( b c r ，、b c r ，、b c r 、b c r ) 。选择构件缺损较为单一的桥跨 ( 在同一分部结构中仪有一种主导缺损) ，建立评分均值与梅件缺损检测评定结果之间舶联系( 见图 2 - 2 ) ，即可得到并掏件缺损状况相对于其分部结构的扣分值s d 巳，见表2 1 5 。 扣分值 t o o 鲫 占口 亨口 ? f 口 口?4 扣分值 d 尊 # 口 6 口 4 , 9 2 , q 口 图2 - 2 桥梁构件缺损程度与扣分值的关系 1 7 东南大学硕士学位沦文 表2 1 5 桥梁构件缺损扣分表 缺损等级 l 级 2 级 3 级 4 级 5 级 桥面铺装 31 8 2 8 5 08 0 桥 伸缩缝 21 62 64 88 1 面 排水设施 2l o 2 04 07 5 系 栏杆及扶手 1 52 75 27 7 人行道 291 8 4 07 2 照明与标志 2u2 04 27 4 上部 梁( 板) 41 83 6 5 88 5 结构 横向联系 3 1 02 25 88 8 下支座 21 22 l5 68 6 部 桥台 31 7 3 65 78 0 结 桥墩 31 84 05 58 2 构 基础 4 1 83 86 08 2 选择分部结构缺损比较单一的桥跨，建立桥跨总扣分( 1 0 0 b c r ) 与分部结构扣分值 ( 1 0 0 b c r ) 、( 1 0 0 一b c r 2 ) 、( 1 0 0 一b c r 3 ) 之间的联系，即可得到计算模型( 2 3 ) 中的回归系 数口：，b 。口。，6 ，的值见表2 1 6 。 表2 1 6 桥梁分部结构缺损扣分参数表 回归系数 分部结构 q龟 桥面系 0 3 7 8 710 5 6 9 上部结构 07 0 7 9 1 0 6 5 l 下部结构 0 6 3 9 11 0 9 6 5 3 多项扣分权系数 当出现多个构件或多个分部结构缺损时，须通过多项扣分权系数来修正。一般来说，当桥梁仅 有某一种构件缺损时，其权系数为l ；当出现多个构件或多个分部结构缺损时，评分者一般以主导 缺损为基准，其它构件缺损的权系数应该根据该缺损与主导缺损之间的相对重要性及其重要性序位 有关。摒以上分析，构造多项扣分权函数： 吖( 器，叫 。 式中：s d ”为分部结构主寻缺损扣分值，即m a x ( s d p m ) n 为分部结构中构件缺损扣分值由大到小的排序数 从各缺损的桥跨中选择若干桥跨进行试算，试算桥跨的歃损构件的类型由多到少，缺损程度由 重到轻分布均匀。 m 试算按2 6 进行：i s d p # f k = i 一( i 0 0 一b c r ，) i = s ( 2 6 ) 兰三量竖墨堡堡竺塑 经过反复试算，调整得到多项扣分权函数如式2 7 ： f 1 0 = 1 ) 耻z ，。( 器厂2 r ”“” b t ， 陇7 ) 若将恻s d p k 1 ，用每代入删可舶鼢部结构缺损时胁分极系数彬，这里的畔为各 项分部结构主导缺损扣分( 即d 只，d p ，d 只) 的最大值。由此确定出的经验公式，还耍在今后的评 分，检验中不断地加以修正。 2 2 4 桥梁评估等级及养护对策分析 在评分试验中，专家在进行桥梁缺损状况评分时，也对宜采取的养护维修对策提出了建议。将 桥梁养护维修措施划分为5 类： ( 1 ) 正常保养：正常的养护、清扫和保养； ( 2 ) 小修维护：修补缺损部位，修理或更换附属构件： ( 3 ) 中修：修补缺损部位，规模大，或加固主体结构种的个别构件； ( 4 ) 大修加固：加i 乩主体结构，保匹通行安全，适应正常通车需要i 5 ) 改造重建：仅利用原桥部分构件作彻底加固或重新建桥。 将评分专家的建议按5 种桥梁缺损状况分级进行统计，结果见表2 1 7 所示。 表2 1 7 桥梁缺损状况分级和养护对策 桥梁等级桥梁状态b c i 取随范围 养护对策 1 优 8 5 1 0 0 正常保养 2良6 5 8 5 小修维护 3 由 5 0 6 5 中修 4差3 0 5 0 大修加固 5 劣 o ) 3 0 改造重建 2 3 桥梁承载能力评估研究 桥梁承载能力是一个重要的技术指标，是桥梁的性能的综合体现。从内容j 二来看它主要包括桥 梁的安全性、适用性和耐久性。公路旧桥承载能力鉴定方法对桥梁承载能力做了如下定义：当一 个结构或构件的一部分达到一个使它不适合的特殊状态，即不再满足设计所需要的功能和要求。 2 3 1 目前主要的桥梁承载能力评价方法 目前，主要通过以下几个方面米对桥梁结构的承载能力进行评定。 ( 1 ) 静力荷载试验 根据桥梁的技术状况，结合外观检查的结果，以及桥梁承载能力所应达到的期望值，对桥梁进 行荷装试验以获得实测资料，然后把实测资料和调查检查赞料结合起来，综合分析、评定桥梁承 载能力。桥梁的荷载试验是一种比较直观鉴定桥梁承载力的方法，而且比较为广。大工程技术人员所 接受。就静荷载试验而言，主要是通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的外载， 采用分级加载的方法，利用检测仪器测试桥梁结构的控制部位与控制裁面在各级试验荷载作用下的 东南大学坝士学位论文 计算值与有关规范规定值作比较，从而评定桥梁结构的承载能力。但是静载试验费时、费钱、费力， 而且还必须中断交通，因此不可能大规模应用，多在特别需要时才使用。 ( 2 ) 动力荷载试验 这是一种采用简单的动力法评定桥梁承载能力的方法。动力犄载试验主要足通过对结构进行脉 动测试、汽车的行车、跳车、刹车激振或其他方式的激振试验，测试桥梁结构上各控制部位的动挠 度、动应变、模态参数( 自振频率、振型、振型阻尼比、应变模态) ，然后通过模态参数识别结构的 损伤。如结构的构件机械磨损，结构的刚度损失以及构件的裂缝等。动载试验反映了桥梁的整体工 作性能，它是由桥梁结构的振型、自振频塞、校验系数、阻尼比等表现出来的，通过理论分析可以 找出它们与结构承载力之间的关系。 ( 3 ) 根据桥梁存在的缺陷与病害经验评定 桥梁承载能力的不足或者降低，都能由结构一系列缺陷和病害的存在与发展所反映除，如结构 的裂缝、墩台沉降变形等桥梁的主要缺陷现象，可通过有关规范的对照比较，以往经验的判断分析 等途径评估承载能力的大小。 桥梁结构病害缺陷的主要表现载钢筋锈蚀、裂缝等。为保1 正桥梁的正常运营，各国和有关国际 组织都对不同类型，不同使用条件下的裂缝宽度，钢筋锈蚀程度做出了具体规定，同时分析裂缝， 钢筋锈蚀产生的原因，以及它们对承载能力的影响。有些国家认为，当裂缝宽度大大超过了容许宽 度时，或者虽然在容许宽度之内，但有下列情况之一者，即( 1 ) 裂缝发展较快，六个月增大0 i m m 以上；( 2 ) 裂缝宽度虽然不增加，但裂缝数量在显著增加：( 3 ) 除裂缝外，还存在其他严重缺陷， 则说明桥梁承载能力不能满足当前需要。有的学者根据实测的裂缝宽度来反算钢筋的应力，通过反 算应力和计算抗力相比较，进而判断桥梁的承载能力，不过这方面的经验公式较多，各国的规范也 不一致，计算离散性较大。 ( t 4 ) 桥梁缺陷调查与检算分析相结合 桥粱缺陷调查主要是对桥梁各部分技术：1 j t 态进行调查研究通过现场对桥梁病害和损伤缺陷进行 全面细致的调查，并以无损检测为检测手段，根据外挂检查结果对桥梁的技术状态进行评价。并根 据桥梁设计、施工、运营的实际情况对荷载历史进行调查研究，根据外观检查结果对桥梁质量技术 状况做出评价，并根据所收集的有关桥梁的档案资判对桥梁进行结构验算，以评定桥梁的承载能力。 ( 5 ) 根据桥梁运营技术指标评定 此法是根据桥梁是否满足当前运营状况及正常使用的条件，对桥梁的整体技术状况做作出评价。 正常使用极限状态评定一般进行f 列三项校核： i ) 限制应力 p b ) 短期荷载作用下的变形 兀 【厂 c ) 荷载组合作用下的裂缝宽度 j ， 翻 桥梁运营状况评定主要是按照下列四个指标对桥梁进行评定的 a ) 桥梁净空系数：它是主要运输上具容许速度芷桥上安全行驶的条件指标； b ) 行车安全系数：它是车辆在桥梁上行驶的整体安全条件指标； c ) 载重量系数：它是对桥梁承最构件的评价： d ) 桥下泄洪条件指标系数：它是桥下泄洪条件或跨线桥下车辆畅行的条件指标 2 3 2 多级模糊综合评判数学原理 由分析可知，反映在桥梁结构中的力学性能指标，往往受到各种主、客观作用困素的影响。这 些因素之间相互联系相互影响，关系错综复杂，这种复杂性也导致因素的模糊性。正确客观的评 价桥梁的承载能力，应该是考虑规划、设计、施工、养护、病害等因素的复杂系统，而要解决这个 复杂系统离不开模糊数学理论。所谓综合评判，是指对多种因素所影响的事物或现象进行总的评价， 第二章桥粱评估研究 若这种评价过程涉及模糊因素，便是模糊综台评判。 1 一级模糊综合评判原理 一级模糊综合评判是首先归纳出几个重要的影响因素，通过综合各个因素对评判对象取值的贡 献来做出的一种单因素评判方法。假设影响评判对象的因素集合为u = u i ，1 1 2 ， ，共i n 个因 素，代表评价绐果等级的评判集合为v = i v 】，v 2 ，v 。 共n 个评判结果。设第i 个因素对评判集的隶 属度为r i = r 订，r 记，r ， ，它可以看作是v 上的一个模糊子集，其中r ，表示第i 个因素的评判对第j 个评判结果的隶属度。所谓隶属度，是指在模糊数学中，把隶属于某个事物的程度用f 0 ，lj 间的一个 实数表示之。0 表示完全不隶属，1 表示完全隶属。m 个因素的总隶属度矩阵为： r = 引 _ 12“_ 。 心l r 2 2 也月 r mr 2 r m ( 2 8 ) 总隶属度矩阵中第 行表示第i 个元素对于评判集的隶属度。评价模型中有几个因素，r 矩阵便 有几行；评判集中有几个元素，r 矩阵便有几列。 理沧上确定隶属度有很多方法，主要包括：模糊统计法、德尔菲法( d e l p h i ) 、对比排列法、综 合加权法、集合套法等。对同因素所处的水平不同，对承载能力等级的隶属度应该有显著差异。 因此，应该根据实际情况中的因素水平确定该因素对承载能力不同等级的隶属度。不同因素对承载 能力的影响严重程度不同，即不同的影响凶素，其重要性不同。这种差别主要因素的权重集来反映， 形成因素集合u 上的模糊子集，即权重集a = a 。，a 2 ， 。其中a ，表示第i 个因素的权重，是单独 考虑因素u 。对评判结果所起作用大小的度量，代表t , f p - 据单因素u 。评判等级的能力，起数值往往根 据经验判断给出。 确定a 及r 后，即可进行一级模糊综合评判，这种运算一股写成如下形式： f b ：爿r ：( c i ，a 2 - 1 l l 1 j ” l c , _ 。 ( 饥，6 2 ，6 。) ( 2 9 ) 2 二级模糊综合评判原理 在复杂系统中，需要考虑的因素往往很多，因素间还分属不同的层次。因此，需要将因素集合 按照某些属性分成不同的类别，先对每一类中的所有因素进行综合评判，再对评判结果进行各类之 间的高层次综合，即为二级模糊综合评判。作为其基础的一级模糊综合评判实际上是为了处理因素 的模糊性。因此，二级模糊综合评判的结果更为准确和合理。 在二级模糊综合评判中，对于二因素集合u = “l ，“2 ，u 。) 中的冈素l i 又有j 个影响因素，即 u i - - - - u i l ，u i 2 ，“u ) 根据上述一级模糊评判模型对每一类中的所有因素进行评判，求解出各类因素的一级模糊评判 结果b 。( i = l p ) 后，令二二级模糊评判模型中的隶属度矩阵r i = b 。，即 2 ：= i 口：j ：= b o l ，。：= 【，j 】，。 同样，二级模糊评判为b = a r ，其中a 占据的权重，a i = ( a l l ，a m ，a i p i ) 。i = 1 按以上的原理，对与因索集u i j 再次细分 ( 2 1 0 ) ( a 1 ，a 2 ，a p ) ，a 为第i 类因素在所有因素类中所 2 ，p ，p i 为第i 类因素中的个数。 即可以进行多级模糊评判。 2 i 查塑奎兰望主兰垡笙苎 2 3 3 桥梁承载能力模糊评判模型研究 1 建立模型因素集 根据桥跨结构的特点及承载能力评估的要求，可将桥跨结构系统划分为整体结构、分部结构、 构件及构件影h 自因素四个层次，并依此建立模糊评判的因素集，如式( 21 1 ) ( 21 4 ) 所示。 u = u ，u ， _ 上部结构，下部结构 ( 2i i ) u ，= 妙。u ，： = 梁，横向联系 ( 2 ，1 2 ) u ：= 移：，u ：，u ：，乙- ：。) = 支座，桥台，桥墩，基础 ( 2 1 3 ) 对于第三个层次的构件因素集，可能包含若干个影响因素，应根据桥跨构件缺损类型特点结合 桥跨承载能力的评价的要求进彳亍分析。在研究中主要考虑裂缝、钢筋锈蚀、变形、表面缺损以及承 载应力五个因素。其中裂缝包括受力裂缝、锈蚀裂缝、变形裂缝；表面缺损是指构件表面露筋、蜂 窝、麻面、剥落等；变形包括墩台位移、梁体位移等。鉴于变形和表明缺损最终表现在受力裂缝和 钢筋锈蚀上，而变形裂缝和锈蚀裂缝又将最终表现在钢筋锈蚀上，所以桥跨结构构件的安全性主要 表现在受力裂缝的开展程度、钢筋锈蚀程度以及结构可靠性评价指标三个方面。为了准确的进行分 析，各因素的评价指标用定量形式给出。受力裂缝开展程度一般用最大裂缝宽度来评价；钢筋锈蚀 程度用主筋锈蚀面积与朱锈蚀前全截面的主筋面积的百分比作为钢筋锈蚀评价指标；结构可靠性评 价指标，对于按极限：状态法设汁的构件，用结构抗力效应r 与荷载效应s 之比r s 作为结构可靠性 评价指标。若每一构件有多个r s 的验算值( 如抗弯、抗扭等) 时则取r s 的最小值作为该构件的 应力评价指标，对于使用允许应力法没计的结构，可用实际计算的安全系数与规范规定的最小安全 系数之比作为结构可靠性评价指标。 即影响构件承载能力陶素集 = 渺。，u 。，u 。 ： 最大裂缝宽度，钢筋锈蚀，结构可靠性指标 ( 2 1 4 ) 2 建立评判集 由于无论评判层次和影响因素有多少个，其所引起的评判集只能组成一个集合，因此对结构、 子结构、构件及影响因素来说，其评判集都是相同的。根据结构承载能力的衰减规律和相应养护维 修对策的特点，将桥梁承载能力划分为四级： ( i ) 足够：桥梁的承载能力完全满足使用要求，桥梁只存在轻微缺损，对桥梁弁勺承载能力几 乎没有任何影响，只需要进行日常保养，不必考虑加固措施： ( 2 ) 临界：桥梁已出现少量结构胜缺损，已影响桥梁的承载艟力，宜及时采取阻止或延缓桥 梁结构性缺损发展的养护维修措施； ( 3 ) 不足：桥梁己出现较严重的结构承载能力降低，需采取加固改造措施，否则，需限速限 载； ( 4 ) 严重不足：桥梁主要构件出现严重的结构性缺损，再继续使用有倒塌的危险，需立即停 止交通，进行整体加固或重建。 即：v = k ，圪卜怛够，临界不足，严重不足j 各个等级与相应状态之间的对应关系如表2 1 8 所示： 表2 1 8 承载能力等级划分标准 承载能力等级一级二级三级四级 承载能力范围足够临界不足严重不足 评分值范围 7 5 1 0 06 0 7 54 5 6 0 4 5 第二章桥梁评估硼究 3 确定因素对评价指标的隶属度 l 三知对构件的影响因素有3 种：构件最大裂缝宽度、钢筋锈蚀程度和结构可靠性评价指标。对 于不同的构件的评判等级其影响因素的隶属度不同，本文详细考察了这三个影响素的实际水平后， 经过专家咨询并进行分析处理确定了不同因素对构件承载能力的隶属度值，由此得出因素的隶属度 矩阵。桥跨构件影响因素的隶属度值见表2 1 9 至22 9 。 袭2 1 9 钢筋混凝土粱最大裂缝宽度隶属度 最大裂缝宽度 等级 ( m m )一级二级 三级 四级 最大裂缝宽度 0 1 1 o000 0l 最大裂缝宽度 o2o80 2o0 0 2 最大裂缝宽度 o 3 0o8o ，2 o 0 3 最大裂缝宽度 【) 5 000 8o 2 最大裂缝宽度05 0 0 0l0 表2 2 0 预应力混凝土粱最大裂缝宽度隶属度 最大裂缝宽度等级 ( m m )一级二级三级四级 01 0 0 0 o0 0 最大裂缝宽度o 0 1 o1 0 0 0o 0 叫 o 0 3 0001 0 0 表2 2 1 钢筋混凝土粱钢筋锈蚀隶属度 主筋锈蚀 等级 ( ) 一级二级三级四级 0i0 00 0o o 主筋锈蚀2 o 。2 00 8 0o 0 2 主筋锈蚀i o o 2 0o6 0 o 2 0o i 0 ( 主筋锈蚀1 5 0o2 0o6 0o 2 0 1 5 主筋锈蚀2 0 0o o2 00 8 0 主筋锈蚀7 2 0 0001 0 0 表22 2 横向联系最火裂缝宽度隶属度 最大裂缝宽度等级 ( r a m )一级二级二级四级 最大裂缝宽度 01 1 o0 o0 0 1 最大裂