（安全技术及工程专业论文）铁路简支梁桥安全评价系统设计与应用研究.pdf

韭立童堑厶堂亟e ：兰篮逾塞旦墨! b ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：a b s t r a c t ：t h es a f e t yo f b r i d g e si s d e c i d e db y s t r u c t u r e ， e x a m i n i n gt h eb r i d g e sd e f o r m a t i o na n ds t r u c t u r ed a m a g et i m e l y i no r d e rt of i n d i n s e c u r ef a c t o r sa n de v a l u a t et h e m ，t a k ee f f e c t i v e l yd e c i s i o n m a k i n gi nr e p a i r t h u sc a l l s a v em a i n t e n a n c ec o s t ，a v o i ds e r i o u st r a f f i ca c c i d e n tb r i n gb ys t r u c t u r ed a m a g ew h i c h c a nt a k ee c o n o m i cl o s s e sa n dh a r m f u ls o c i a li n f l u e n c et oe n t e r p r i s e t h ep a p e rm a i n l ys t u d yo nt h es a f e t ye v a l u a t i o ns y s t e mo fr a i l w a ys i m p l e s u p p o s e db e a mb r i d g e s f i r s t ，c o m b i n et h er e a l i t yn e e do fr a i l w a ys i m p l es u p p o r t e d b e a mb r i d g e s e v a l u a t i o n ，c o n s t i t u t ei n d e xs y s t e mo fs a f e t ye v a l u a t i o n ，a n de v a l u a t e r u l e so nt h eb a s e so fr a i l w a y ss a f e t ye v a l u a t i o n t h ee v a l u a t i o nm e t h o di s a p p l y a n a l y s i sh i e r a r c h yp r o c e s s i n g a n d f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n s y n t h e t i c a l l y ， e v a l u a t ee a c hi n d e xo n eb yo n es t e p ，f i n a l l yd e c i d et h er a i l w a ys i m p l es u p p o r t e db e a m b r i d g e s s a f e t yg r a d e s e c o n d ，a p p l yt h em e t h o dt os um e n gf l y o v e ri na n h u ip r o v i n c e h u a i b e ic i t y ，a c c o r d i n gt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sg i v et h em a i n t a i nc o u n t e r m e a s u r e t h i r d ， d e s i g na n dc a r r yo u tt h es a f e t ye v a l u a t i o ns y s t e mo fr a i l w a ys i m p l es u p p o r t e db e a m b r i d g e s ，w h i c hi s as o f t w a r et h a tc a l lp u ti nt h ee x a m i n ei n f o r m a t i o n ，e v a l u a t es a f e t y g r a d eo fb r i d g e s ，p u to u te v a l u a t i o nr e s u l t sa n dm a n a g eb r i d g e s m a i n t a i n t h e a p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r el i g h t e n sr a i l w a yw o r k e r st a s ka n di m p r o v et h em a n a g e l e v e l o fb r i d g e s k e y w o r d s ：s i m p l es u p p o r t e db e a mb r i d g e s ；s a f e t ye v a l u a t i o n ；i n d e xs y s t e m ； e v a l u a t i o ns y s t e m 。 c l a s s n o ：u 2 1 6 9 ；6 2 9 致谢 本论文的工作是在我的导师王喜富教授的悉心指导下完成的，在论文的写作 过程中，王老师倾注了大量的心血，从论文的选题、资料查询、开题、研究到最 后的完稿，都提出了许多的宝贵意见。王老师严谨的治学态度和科学的工作方法 给了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢三年来王老师对我的关心和指导。 王喜富教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，他广博的学识、严谨的治学态度和善于从宏观把握、 分析问题实质的方法，都给我留下深刻的印象，值得我永远去学习，激励我不断 进取再次向王老师表示衷心的谢意。 在实验室工作期间，关伟教授对我的科研工作给予了精心的指导和耐心的帮 助，在此向关老师表示衷心的感谢。 在撰写论文期间，王强富、韩海民、张又伟等同学对我论文中的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 同时，感谢审阅此论文的各位专家和评委，谢谢各位老师。 1 绪论 1 1 研究背景及选题意义 总体规划、设计施工、运营管理是桥梁生命过程的三个主要阶段。人们往往 把主要精力放在设计施工阶段，随着全国交通网络规划建设的发展，桥梁的总体 规划也日益受到重视，然而在桥梁建成后，却缺乏对桥梁安全状态和运营情况的 科学管理，即第三阶段容易被忽视。但在桥梁的日常运营过程中，随着桥龄的增 长，交通量、荷载的作用，气候、环境等自然因素的侵害而引起桥梁结构功能的 劣化或损坏，影响行车安全，对人民生命财产造成严重威胁。随着我国经济的蓬 勃发展，对交通运输能力的要求也在不断提高，同时也加强了对桥梁安全运营的 考验，因此，安全运营是在确保桥梁尽可能长的生命过程中必须做好的有力保障。 而桥梁安全取决于桥梁结构的安全状况，必须对桥梁结构的变形、损伤等情况进 行有效的监测、检查，及时发现不安全因素并进行评价和决策，采取有效的维修 养护措施，尽可能早的将隐患消除。这样不仅可以节省桥梁的维修养护费用，而 且重要的是可避免因桥梁损坏而导致至交通事故的发生，甚至是桥毁人亡的灾难， 为企业造成重大的经济损失并带来不良社会影响。 因此，在桥梁运营过程中，桥梁的安全状况应该倍受关注。由于桥梁不同结 构的劣化或损坏程度差异较大，影响因素也很多，且每一因素对桥梁安全状况的 影响程度也不一样，所以在掌握桥梁实际工作状态的基础上，必须建立完善的评 价指标体系，同时对各个评价指标分别赋予不同的权重，对桥梁的安全状况做出 准确的评价“。 所谓评价就是对某一事物的价值或优劣做出判断。对于桥梁安全评价而言， 由于其涉及的范围广、因素多，在对评价内涵的理解上，不同的人往往侧重点不 同，有的把评价的重点放在桥梁承载能力方面，有的则把其放在结构性损伤方面 等。一种较为全面的定义是：桥梁安全评价就是利用特定信息，分析既有桥梁安全 状况并为使桥梁保持一定水平的可靠性而做出相应工程决策的过程。对于中小桥 梁，在实际评价中一般以评价桥梁的承载能力和结构损伤为重点。主要是研究如 何利用监测或检查获得的数据确定结构的损伤部位以及损伤程度，据此综合评价 桥梁目前的状况以确定结构的工作状态和指导日常养护维修。本文是针对铁路简 支梁桥承载能力和结构损伤程度为主要研究内容的安全评价。 准确评价桥梁的安全状况，拟订经济合理的维修养护措施，对确保铁路运输 畅通和国民经济顺利发展有着极其重要的理论和现实意义。通过桥梁评价工作， 可将采集到的信息过滤、分解、综合、分析，然后反馈给相关管理者，以便采取 合理、高效、低成本的管理及维护措施，桥梁安全评价是实现对桥梁科学管理及 维修养护的重要前提条件。桥梁安全评价系统的最终目的，是以最经济的运营投 入获得最安全的运营状态、最高效的运营效率和最好的运营效益咖。 1 2 论文结构 本文计划从理论分析、方法研究、实例应用几个方面对铁路简支梁桥安全评 价系统的设计与应用进行系统化的研究。全文共分六章，各章研究的主要内容如 下： 第一章绪论。本章主要介绍了铁路桥梁安全评价的背景和意义，在此基础上 阐述了论文结构和主要研究内容。 第二章铁路简支梁桥安全评价模型与方法。本章主要介绍了现有的桥梁安全 评价方法，并在现有方法的基础上提出将层次分析法和模糊综合评判法综合用于 铁路简支梁桥的安全评价中。 第三章铁路简支梁桥安全评价指标体系及评价模型研究。根据桥梁安全评价 原则和指标体系建立的原则建立了铁路简支梁桥安全评价指标体系，并制定了铁 路简支梁桥安全等级的评定标准。 第四章铁路简支梁桥安全评价方法的应用。将铁路简支梁桥安全评价方法应 用于安徽省淮北市宿蒙立交桥的安全等级评价，并根据该桥的实际状况提出维修 与养护对策。 第五章铁路简支梁桥安全评价系统的设计与实现。阐述了系统设计的意义和 必要性，完成了系统的总体结构设计和详细设计，并采用流行的开发工具和方法 对软件系统进行了实现，系统输出结果符合实际情况，表明了系统具有实用性。 第六章结论。总结了论文的主要研究成果，并提出了有待解决的问题和进一 步研究方向。 1 3 主要研究内容 在钢筋混凝土桥中，常采用梁桥，而铁路上的钢筋混凝土梁桥又最长采用简 支梁桥，本文的研究对象就是铁路简支梁桥。本论文以科研课题线路桥梁维修 养护系统为研究基础，结合我国铁路桥梁安全评价的理论与实践，以铁路简支 梁桥的评价指标体系和评价方法为主要研究内容，进行铁路简支梁桥安全等级的 分析与评价，并设计实现了相应的桥梁评价系统。本文的主要研究内容如下： 1 根据桥梁安全评价和指标体系建立的原则，在总结分析相关铁路桥梁安全 2 评价指标体系的基础上，建立了铁路简支梁桥安全评价指标体系。 2 通过对现有桥梁安全评价方法现状的研究，将层次分析法和模糊综合评判 方法结合起来，对铁路简支梁桥的安全状况进行综合评价。 3 根据现行的公路养护技术规范将桥梁技术状况分四个等级，鉴于评价 等级划分不够详细，指标不明确，为了有利于掌握桥梁的安全状况，本文将铁路 简支梁桥的安全状况分为五个等级，并详细设计制定了铁路简支梁桥各安全等级 的评定标准。 4 通过将层次分析法和模糊综合评判方法相结合的综合评价方法，对安徽省 淮北市宿蒙立交桥进行了安全等级的评价，评价结果详细输出了桥梁安全状况， 并提出了该桥梁的维修与养护对策。 5 。根据文中建立的铁路简支梁桥安全评价指标体系、铁路简支梁桥安全等级 评定标准和评价方法，设计并实现了铁路简支梁桥安全评价系统，并采用流行的 开发方法对软件系统进行了开发研究。 丝塞銮逼太堂亟堂焦途塞援粱窒全谖俭友蓬筮亟复碴定 2 桥梁安全评价方法分析与确定 2 1 桥梁安全评价方法综述 大连理工大学的杨宏健以钢筋混凝土简支梁桥为研究对象，从材料的实际强 度和结构本身的特点挖掘桥梁的承载潜力，并提出一套具体的评价方法，来指导 编制计算机程序，用以解决桥梁的安全评价问题“1 。 同济大学的孙九春综述了桥梁评估技术的现状，并特别指出了层次分析法在 桥梁评估中的作用。在确定型判断矩阵的基础上，引入了不确定型判断矩阵及其 相应的权重求解方法，使之能考虑评估中的不确定性和模糊性。在综合评估中引 入群判断，并用可信度来考虑不同专家的评判水平，引入集值统计原理与重心决 策理论，解决了区间数判断矩阵和区间数评价值在综合评估中的应用问题。在综 合评估中引入了新的权重确定方法和变权原理，并探讨了该变权原理在其它综合 评估方法中的应用嘲。 武汉理工大学的刘沐宇，袁卫国把模糊理论与神经网络技术结合起来应用予 大跨度钢管混凝土拱桥的安全性评价，建立了一种基于三层神经元的多用途量化 模糊神经网络评价模型，通过样本学习训练，获取评价专家的经验知识和直觉思 维啪。 同济大学的杨天军，张晓春等在综合分析国内外交通安全评价研究的基础上， 针对我国城市道路交通安全的现状及存在问题，提出了采用基础数据、交通安全 管理、公众安全评价3 个方面共1 3 项指标组成的面向城市交通安全可持续发展的 评价指标集，构建了基于b p 神经网络的评价模型。 科研产业处的李泓源，邹增家建立了科技管理的评价因素树结构。给出了单 因素评价的具体方法，以及逐级综合评价的模糊计算方法，并对计算中的权重分 配和权变确定了可行的方法”。 综上所述，层次分析法、模糊综合评判方法和神经网络是目前采用的主要评 价方法，参考文献 3 中把模糊理论与神经网络技术结合起来应用于大跨度钢管混 凝土拱桥的安全性评价也达到了预期的效果，所以可以考虑将两种方法的理论综 合运用于桥梁的安全评价。本文将运用以层次分析法和模糊综合评判方法相结合 的综合评价方法，对铁路简支梁桥进行实例验证，根据评价结果，管理者可采取 相应的桥梁维修养护措施，以提高铁路桥梁安全性能。 4 j 宝銮适太堂亟堂焦论塞援塞塞全置俭友鎏坌扭生殖定 2 2 层次分析法简介 2 2 1 层次分析法 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 是美国运筹学家、匹 兹堡大学教授t l s a a t y 在上个世纪七十年代初期提出来的。此方法是一种新 的定性与定量相结合的多准则决策方法。它是指将决策问题的有关元素分解成目 标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性分析和定量分析的一种决策方法。 其基本思想是：把决策问题按总目标、子目标、评价标准直至具体方案的顺序分 解为不同层次的结构，然后利用求判断矩阵的特征向量的方法，求得每一层次的 各元素对上一层次某元素的权重，最后再用加权和的方法递阶归并，并求出各方 案对总目标的综合评价值。 这一方法的特点，是在对复杂决策问题的本质、影响因素以及内在关系等进 行深入分析之后，构建一个层次结构模型，然后利用较少的定量信息，把决策的 思维过程数学化，从而为求解多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题，提 供一种简便的决策方法。尤其适合用于人的定性判断起重要作用的、对决策结果 难以直接准确计算的情况阿。 层次分析法确定权重可分为三个步骤：建立系统的递阶层次结构，构造两两 比较判断矩阵，计算各层次相对权重的单排序及一致性检验。 2 2 2 构造层次分析结构 应用层次分析法分析问题时，首先要把问题条理化、层次化，构造出具有层 次分析结构的模型。建立层次结构模型是层次分析法法中最重要的一步，把复杂 问题分解成称之为元素的各个组成部分，并按元素的相互关系及其隶属关系行成 不同的层次，同一层次的元素作为准则对下一层次起支配作用，同时它又受上一 层次元素的支配。决策者必须对问题进行全面深入的认识之后，才能建立起合理 的层次结构。 2 2 3 构造判断矩阵 层次分析法主要是对每一层次中各因素相对重要性给出的判断，这些判断通 过引入合适的标度用数值表示出来，写成判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层次 因素，本层次与之有关因素之间相对重要性的比较。判断矩阵是层次分析法的基 本信息，也是进行相对重要度计算的重要依据。对于n 个元素来说，我们得到两 两比较判断矩阵。2 嘞j 一。其中白表示因素i 和因素j 相对于目标的重要值。构 5 e 塞童堑厶堂亟堂垃诠塞援鲨窒垒透垃直遮坌蚯生碴定 造判断矩阵的形式如下： c nc l h ： c i j ： c n l c 矩阵c 具有如下性质： ( 1 ) 白 0 ( 2 ) c ：f = l c ( i ，) ( 3 ) 气= 1 ( i ，j = 1 ，2 ，n ) c 矩阵称之为正反矩阵，在层次分析法中，为了使决策判断定量化，形成上述 数值判断矩阵，常根据一定的比率标度将判断定量化。下面给出一种常用的1 9 标度法，如表卜1 所示。 表2 - 1 判断矩阵标度及其含义 t a b l e2 1j u d g e m e n tm a t r i xd e g r e ea n dm e a n i n g s 序号重要等级 赋值 1 i ，j 两兀黍i 司等重要 1 2 i 元素比j 元素稍重要 3 3i 兀系比j 兀索明显重费5 4 i 兀系比j 兀索强烈重萤 7 5i7 6 柔比j 兀索檄瑞重费9 6 i 兀索比j 兀索柏小重萤i 3 7 i 兀寨比j 兀素明显小重望 1 5 8 i 兀系比j 兀索强烈重要 、以 9 i 兀系比j 兀索檄瑞重萤1 9 注： 。口= 2 ，4 ，6 ，8 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8 表示重要性等级介于。口= 1 ，3 ，5 ，7 ，9 ，i 3 ，1 5 ，1 7 ，1 9 。这些数字是根据人们进行定性分析的直觉和判断力而确 定的。 判断矩阵的建立，使判断思维数学化，有助于决策者检查并保持判断思维的 一致性。所谓思维的一致性是指专家在判断指标重要性时，各判断之间协调一致， 不致出现相互矛盾的结果。 丛至堑厶堂亟：翌鱼盈塞垣基窒垒迁俭直选坌逝生豳定 2 2 4 层次单排序及一致性检验 计算出某层次因素相对于上一层次中某一因素的相对重要性，这种排序计算 称为层次单排序。即层次单排序是指根据判断矩阵计算对于上一层次某元素而言 本层次与之有关的元素重要性次序的权值。层次单排序计算问题可归结为计算判 断矩阵的最大特征根及其特征向量的问题0 1 。 各层次相对权重的单排序的计算要根据判断矩阵。4 吩 ”求出这些元索对于 上一层因素的相对权重向量w 一( w l ，w 2 ，) 7 ，并进行一致性检验。下面介绍确 定权重的最常见方法一方根法。 用方根法进行确定权重的具体步骤如下： ( i ) 计算判断矩阵c 中每行元素的乘积吖； m t ；n 勺，2 ，扣，n ( 2 ) 计算m ，的n 次方根展 t 。瓶 ( 3 ) 对向量= ( 岛，。，成) 7 归一化 w ，。? l ( - 骗，玎)w 。：= 一 1 ，z ，玎) 芝户， 则向量w ；( w 1 ，：，w ) 7 即为所求的特征向量。 ( 4 ) 计算判断矩阵c 的最大特征根 - 丢妻警 浯a ， 对任意的i = 1 ，2 ，n ，式中( c 如) ；为向量c 1 # 的第i 个元素。 ( 5 ) 进行一致性检验。 在进行一致性检验时，一般用c l ( c o n s i s t e n c yi n d e x ) 这个一致性指标： c 。苎塑：! n i 从上式中可以看出，c i 指标越小，说明一致性越好；c i 指标越大，说明一致 性越差。 考虑到一致性偏差还有可能是随机原因造成的，必须查找相应n 的平均随机 一致性指标r i ( r a n d o mi n d e x ) ，如表2 i 。 表2 - 2 平均随机一致性指标值 阶数 l23456789 r 1000 5 80 9 01 1 21 2 41 3 2 1 4 11 4 5 j e 塞窑通态堂亟堂僮论塞箍鋈塞全迁盆直迭筮蚯当确定 由表2 - i 显见，r i 与判断矩阵的阶数有关，一般阶数越大，出现一致性随机 偏离的可能性也越大。因此，在检验判断矩阵是否具有满意一致性时，必须将一 致性指标c i 与平均随机一致性指标r i 进行比较，得出检验数c r ( c o n s i s t e n c y r a t i o ) 即一致性比例 c r ：垡 r i c r 值的标准：对于一、二阶矩阵，可以满足勺2 气a ，工| 2 l ，2 ，刖，所以 不必检验。对于三阶以上的判断矩阵，当c r o 1 时，应该对原判断矩阵作适当修正，然后对新的判断矩阵重新计算一致 性，直到得到一个具有满意一致性的判断矩阵为止。 2 3 模糊综合评判法简介 2 3 1 模糊综合评判 模糊综合评判涉及三个因素：评判因素集、评价集和单因素评判，然后再在 单因素评判的基础上进行多因素模糊综合评判。 评判因素集u 是由影响评判对象的各个因素所组成的集合，可以表示为： u = 函。，“：， ，其中嘞( i = l ，2 ，玎) 是若干影响因素。 一般地，各个影响因素在评判中具有的重要程度是不一样的，所以必须对各 因素“，按其重要程度给出不同的权重数嘶，由各权重数组成的因素权重集j 是因 素集u 上的模糊子集，可以用模糊向量表示为：彳= ( 口。，a ：，a 。) ，其中 元素口，( i = 1 ，2 ，玎) 是因素嘶对彳的隶属度，即反映了各个因素在综合评判中所 具有的重要程度，通常a ，应满足归一性和非负性条件即； q = l瓴o ) ( 2 7 ) m 评价集是由对评判对象可能作出的评语结果所组成的集合，可以表示为： 矿= “， ，其中元素匕u = l ，2 ，m ) 是若干可能作出的评判结果。模糊 8 韭塞銮迢太堂亟堂僮途塞援擢塞全迁俭友鎏盆握皇塑定 综合评判的目的就在于通过对评判对象综合考虑所有影响因素，能够从评价集矿 中获得一个最佳的评判结果。 评判因素集【，与评价集矿之间的模糊关系可用评判矩阵表示，评判矩阵为： r = 置 胄2 ： 二 砖 l吒2 r 2 l 嘞 lr 2 ( 2 - 8 ) 其中= 以( 嘶，b ) ，o s r v 1 表示对评判对象在考虑因素吩时作出评判结果叶的 程度。那么评判矩阵蠢中的第衍亍( 。，：，) 表示考虑第f 个因素蚝的评判集， 它是评价集v 上的模糊子集。所以单因素评判集( 意的各行) 构成了多因素综合 评判( 爱评判矩阵) 的基础。 当因素权重集j 和评判矩阵意已知时，按照模糊矩阵的乘法运算，便得到模 糊综合评判集否，即： 否= j o 豆( 2 - 9 ) 或 ( 6 l ，以，k ) = ( 4 ，4 ：，口。) o i2 厂2 l 嘞 2 ( 2 - 1 0 ) 其中，。为一种算子，在以后篇幅中再论述屯为模糊综合评判指标，它反映在综 合考虑所有影响因素的情况下，评判对象对评价集矿中第j 个元素的隶属度。显然， 模糊综合评判集直是评价集v 上的模糊子集。 求出评判指标( ，= l ，2 , - - - , 小) 后，可采用如下两种方法确定最终的评判结果 ( 1 ) 最大隶属度法。是把与最大的评判指标m 毅屯相对应的评价集元素0 取为 评判结果，即： y = j j v j 专m a x 屯 ( 2 - 1 1 ) 9 k 扯塞窑适太堂亟堂焦逾塞捱鎏塞全登盆友壁筮赶皇碴定 ( z ) 加权平均法。是对评价集元素叶进行加权平均得到的值取为评判结果，即： 屯_ v = ：! b j i - n ( 2 _ 1 2 ) 若评判指标已经归一化，即q = 1 ，那么 j - i 1 ，= b j v j ( 2 一1 3 ) 问 有时为了突出占优势评价元素叶的作用，也可以利用评判指标屯的幂为权数 咖- 进行平均求，值，r i j v = 上；一，其中指数j 可根据具体问题来确定 i - i 最大隶属度法仅考虑最大评判指标的贡献，忽略了其它指标所提供的信息， 如果评价集元素较少时，评判结果可能误差较大；加权平均法全面反映了所有评 判指标的贡献，一般来说评判效果较好，本文采用加权平均法。 2 3 2 模糊关系矩阵 模糊关系矩阵是模糊综合评判中的重要的一环，它关系着质量评价的准确性。 模糊关系矩阵的建立有专家评分法和模糊分布确定法等。 模糊分布确定法。模糊分布的表现形式由模糊变量及模糊约束的本身性质决 定，它可以用连续的函数曲线来表示，即是隶属函数。这样在单因素评价时，就 可以得到评价集矿对因素集u 中第f 项指标的模糊评价向量冠 ( r ；= ( ，n ，嘞，) ) ，这些向量最终组成了模糊评判矩阵。常用的隶属函数的类 型有偏小型、偏大型、中间型等，每一种类型里面还包含了不同的隶属函数。在 进行模糊综合评价时，可以根据隶属函数曲线的形状，来选取适当的隶属函数的 表达式。 专家评分法即是特尔菲法，它是根据专家们的经验进行打分并统计处理，用 这种方法确定因素集与评价集之间的隶属度。但是这种方法主要依赖人的主观因 素。因桥梁安全评价数据主要来源于监测和检查，所以本文采用专家打分法。 l o 2 3 3 权值确定 权值代表了因素集中各因素在评价过程中的重要程度，它的确定有很多方法， 其中有概率统计的方法和专家评判的方法。 对于大样本数据，可以将单因素指标超标概率当作此因素在评价过程中的权 重。但是对于各因素权重在桥梁评价中一般是利用经验来确定。 特别要注意的是得到权重值之后定要将它归一化。 2 3 4 算子的选取 在式4 3 的罾= 彳。蠢中，。算子有不同的形式，大体上分为主因素决定型和加 权平均型。 ( 1 ) 主因素突出型 主因素突出型有两种形式，一种形式如下： q 2 二( 口j 勺) u = 1 , 2 ，m ) ( 2 1 4 ) 它是将q 与勺比较后取小者( q 白) ，这实际上是用a i 限制或修正白然后对所有 的( q ) 取最大者，实际上只考虑了最突出的因素，其它因素并不真正起作用。 另一种主因素突出型的综合评价模型，它的形式如下： 屯2 二q 勺 ( ，= l 2 ，脚) ( 2 1 5 ) 显然，a ，唯嘶 吩，因此这是一种以q 倍缩小吩的策略。它体现了当q = l 时， 对评语匕的隶属度是吩，那么当q l 时，相应的隶属度应该按比例降低 ( 2 ) 加权平均型 加权平均型的算子形式如下： = 口，吩 u = 1 ，2 ，埘) ( 2 一1 6 ) i - i 它实际上是依据4 = ( a l , a 2 io ，a 。) 对各个因素进行权重分配。 对于桥梁的安全评价，应尽可能多综合考虑各因素的影响，对于主因素突出 型中的取大取小算法，在运算过程中忽略了很多次要因素，从这个意义上说权重 系数在模型中失去了本身的作用，而加权平均型考虑了所有因素集的影响，在应 用中准确性将会得到提高。 2 3 5 多级模糊综合评价 如果评判对象的有关因素很多，很难合理地定出权数分配，即难以真实地反映 各因素在桥梁安全中的地位，这时需要采用多级评判，多级模糊综合评价步骤与一 级综合评判步骤基本相同。只需要将低级评判结果当成单因素，然后根据层次分析 法赋予其权重，再进行综合评判。 2 4 桥梁安全评价方法的确定原则 1 定量分析的方法 铁路简支梁桥是一个复杂的结构体系。要准确地对其进行安全状况的评价， 评价方法的选择是至关重要的。评价的方法有定量评价和定性评价，定量方法较 之定性评价，更为客观并且受主观因素影响更小。若采用定性评价的方法，对于 不同评价人员，由于知识与经验的个体差异，必然导致评价结果的不一致。因此， 采用定量评价，以量化的客观数据为依据，受人为影响较小，有利于保证评价结 果的标准性和统一性，使评价结果更为客观准确。 2 以桥梁结构的评价为基础 整体是由局部组成的，铁路简支梁桥的安全主要取决于桥梁结构的安全状况， 所以评价不仅是对桥梁整体的安全状况进行评价，也包括对桥梁局部安全状况的 评价，局部状况决定了整个桥梁的安全性能。以局部的评价为基础，考虑局部对 整体的影响，进而得到对桥梁整体的评价。对于桥梁结构，若将桥梁构件作为局 部，以对构件的评价为基础，分析构件安全状况对桥梁整体的影响，便能对桥梁 总体的安全状况进行评价。而且，以桥梁构件的评价为基础，有利于量化分析的 具体性，便于实施。 3 桥梁安全评价的准则应为结构安全性 由桥梁的基本职能来看，桥梁的自然职能是跨越障碍，承担交通，而保障桥 梁结构的安全是实现桥梁自然职能的前提条件，所以桥梁安全评定标准应为评价 桥梁结构安全的标准。 综上所述，本文中的铁路简支梁桥安全评价方法将是以对铁路简支梁桥结构 评价为基础，根据局部对整体的影响，以结构及构件安全状况为评价目标的量化 评价方法。 2 5 铁路简支梁桥安全评价方法分析与确定 层次分析法作为一种决策方法有着深刻的数学原理，用它在评价时有明显的 优点： 毡塞銮适盔堂亟堂僮边塞援塞塞全迁盆友鎏盆蚯皇殉定 第一是它的适用性。用层次分析法进行评价，输入的信息主要是评价者的选 择与判断，评价过程充分反映了评价者对评价问题的认识，加之这种方法容易掌 握，这就使以往检测者和评价者难以互相沟通的状况得以改变。第二是它的简洁 性。了解层次分析法的基本原理，掌握它的基本步骤，对于一般技术人员并不困 难，用层次分析法进行评价分析时，如果指标数量不大，完全可以不用计算机， 并且所得的结果简单明确，一日了然。第三是它的实用性。层次分析法不仅能进 行定量分析，也可以进行定性分析，它把评价过程中定性与定量因素有机的结合 起来，用一种统一的方式进行处理。 层次分析法在应用上还是有其局限性。层次分析法的本质是试图使人的判断 条理化，但所得结果基本上依据人的主观判断。在层次分析法的使用过程中，无 论是建立层次结构还是构造判断矩阵，人的主观判断、选择、偏好对结果的影响 极大，判断失误即可能造成结果的失误。这就使得用层次分析法进行评价时主观 成分很大。一致性检验采用比较严格的数学计算，以期把人的主观判断降到最低 程度，但有时得出的结果往往与实际情况相差较大。因此，把层次分析法和其他 评价方法结合起来能得出比较客观准确的结果。 铁路简支梁桥的安全评价，由于影响其安全状况的因素众多，且很复杂，既 有定量因素，又有定性因素，且定性因素大多不能通过定量的方法直接用函数关 系表达出来，更多的是依靠专家的经验来判断，同时对于铁路简支梁桥的安全评 价，如果不对复杂的影响因素进行分析和简化，即使是经验丰富的专家处理起来 也很困难，难以准确评定桥梁等级，确定桥梁损伤程度和维护方案棚。在常用的桥 梁安全评价方法中，有模糊综合评判、模糊神经网络、层次分析法，灰色关联分 析等方法，最长采用的是层次分析法。然而层次分析法在理论上上述的局限性， 很难保证评价结果的可靠性，因此，为了确保评价结果的准确性，便于维护桥梁 的安全性，本文将层次分析法和模糊综合评判方法结合起来进行多级综合评价。 层次分析法把对某个状态影响程度相近或联系比较紧密的因素放在一起，形成一 层，建立多层的层次关系结构模型。我们通过这个模型来确定处于同一层的影响 因素相对于上一层因素的相对重要性，即权重。在权重确定的基础上，使用模糊 综合评判方法，通过专家经验来判断各影响桥梁安全因素的现有安全状况和缺损 程度，确定桥梁的安全等级，进而提出维修、养护或重建的方案，以及是否需限 制桥梁的使用。具体方法流程图如图2 1 所示。 韭塞銮遭去堂亟堂僮途塞置塞塞全谖俭左选筮蚯量确庭 图2 - - 1 铁路简支粱桥安全评价方法流程图 2 6 本章小结 本章对桥梁安全评价方法现状进行了分析研究，简单介绍了层次分析法和模 糊综合评判方法，根据铁路筒支梁桥安全评价方法的确定原则，结合铁路简支梁 桥安全评价的特点及需要，提出运用层次分析法和模糊综合评判方法相结合的综 合评价方法。 1 4 b 峦窑适厶鲎墅! 堂位迨塞 迭堕趋童装援壅全迸盐垣拯焦丕丛透垃丝型型i 宜 3 铁路简支梁桥安全评价指标体系及评价模型研究 3 1 评价指标体系的建立 铁路简支梁桥安全评价是对桥梁整体状况的评价，涵盖了对桥梁承载能力、 桥梁结构等的评价，是对桥梁各部分结构以及构件或整桥的材料缺陷、裂缝、变 形、位移等损伤或缺陷的严重程度进行分析评价的过程。通过检测桥梁结构的安 全性能，确定桥梁的安全等级，并根据评价分析结果进行维修和养护。 因此，针对铁路桥梁管理的特点，根据维护工作的可能性与有效性，本文在 桥梁结构安全等级评价中，将桥梁的结构整体分割成相对独立的部分，然后按各 自的指标进行分级、分类评价，分析影响桥梁安全状况的各种因素，对这些因素 进行收集、整理、分类、分级，弄清每一个影响因素与桥梁整体安全性之问的关 系，对桥梁结构及其构件各种损伤类型都确定相应的评定标准，确定结构及构件 损伤影响桥梁整体安全状况的权重。 3 1 1 评价指标体系建立的原则 对铁路筒支梁桥的安全评价主要是从桥梁结构及其构件的损伤程度确定桥梁 现有安全状况，因此，在确定铁路简支梁桥的安全评价指标体系时，指标体系的 设置应遵循以下七条原则： ( 1 ) 科学性 要根据铁路简支梁桥的实际情况和评价方法科学的选取评价指标，评价指标 要能客观反映桥梁的健康状态。 ( 2 ) 整体性 指标体系中必须包括所有对铁路简支梁桥的安全状况有实质性影响的因素， 所选的指标要全面，能通过对选用指标的评价中得到对铁路简支梁桥安全状况的 整体把握。 ( 3 ) 独立性 各指标之间应该相互独立，避免相互包容。 ( 4 ) 代表性 指标体系中的指标要能有效地反映铁路简支梁桥的安全状况，并尽可能减少 指标数量，即指标要有很好的代表性。 ( 5 ) 可操作性 通过试验测试或实际观测，指标体系中的指标值要便于获取，便于量化，具 有可操作、可评价性。 i e 塞銮通盍堂亟堂僮迨塞煞整鲍塞鬈援童全证位垣握住丕丞透盆搓型班殛 ( 6 ) 层次性 影响铁路简支梁桥安全的因素很多，但最终的评价目标是铁路简支梁桥安全 等级，所以要把诸多的指标按层次划分，并且使指标体系中各指标之间的层次关 系要明确。 ( 7 ) 可比性 同层之间的因素具有可比性，可以通过比较得到同层因素对上级因素的相对 重要性。 3 1 2 评价指标体系层次结构 影响铁路简支梁桥安全的因素很多，既包括设计、施工、材料等先天因素及 荷载作用，又包括自然环境、管理养护等后天因素。而且这些因素之间的关系错 综复杂。如果将所有的因素不作任何处理就来研究它们对桥梁安全状况的影响， 是比较困难的。因此，我们用层次分析法把影响桥梁安全状况的因素条理化、层 次化。依据上述方法的思想和相应的评价内容，本文从承载能力、主要承重结构 和附属结构三方面考虑进行评价，铁路简支梁桥安全评价指标体系层次结构如图3 一l 所示。 1 6 丝应童垣厶堂亟堂垃迨童迭蹬餐杰缒迹窒全匪丝堂拯链丕厘迁丝攫型篮枣 馨 蔓 蚕 耋： 蠢： 髹 一墨j 主粱承载力 桥墩承载力 基础承载力 主梁 墩台 斌础：， 一 。 桥上线路 前面翌一j 0 一t 砷蹿缝一j 材料 一；排水系统 附属设施r 一一 检查设施； 一。n - j _ 一 “人 f 道及避车台 一一支座 一一 f 一1 翼墙 i 。 l 一 萁老。二一一一一驴坡一矗 一一r ：一一t j l 一一丽藉一： 图3 1 铁路简支梁桥安全评价指标体系层次结构图 f i g3 - 1t h ei n d e xs y s t e mh i e r a r c h ys t r u c t u r eo f r a i l w a ys i m p l es u p p o r t e db e a mb r i d g e s ( 1 ) 承载能力 为了确保桥梁的安全畅通，对桥梁承载能力的评价尤为重要，桥梁承载能力 评价就是对已建成桥梁的使用状况及承载能力进行综合评价。通过桥梁承载能力 的评价，可以鉴定该桥是否具有原设计的结构工作性能，是否满足目前及未来交 通需要，从而为桥梁的维护和管理提供决策支持”1 。 桥梁承载能力评定涉及诸多方面因素，从桥梁的主要承重结构上来进行具体 划分可以分为对主梁承载力、桥墩承载力和基础承载力的评价。 ( 2 ) 主要承重结构 本文的主要承重结构包括主梁、墩台与基础。主梁、桥墩、桥台与基础结构 完好，功能完备是保障桥梁安全可用的必要条件。主梁混凝土裂缝、混凝土风化、 钢筋锈蚀、连接状况的好坏都与桥梁整的体质量密切相关，直接影响着桥梁的安 全状况。桥墩的损坏、均匀和不均匀沉降、意外事故的损伤，基础的沉降、冲刷 都会对铁路简支梁桥安全状况产生很大影响。 承载能力 主要承重结构 附属结构 e 复室适厶堂亟上鲎垃迨塞壁蹬筒塞丝逝鏖垒透盆堂拯鲢丕这透垃趱型盟塞 ( 3 ) 附属结构 附属结构包括桥面系、支座、附属设施和其它。其中桥面系包括桥上线路， 伸缩缝和材料；附属设施包括排水系统、检查设施和人行道及避车台；其它包 括翼墙、护坡和河堤。 桥面系的现状直接影响铁路行车安全。线路是否平顺，扣件是否完整，钢 轨与扣件表面的锈蚀度，伸缩缝是否均匀适度，材料是否耐用等都是车辆是否 可以安全顺利通过的关键因素。如不良的桥而铺装和伸缩缝会引起车辆的颠簸， 增加车辆对桥梁的冲击作用，甚至导致局部构件的损坏；如桥梁排水系统不能 及时将雨水排出桥外，则可能加剧桥梁或其他钢件的锈蚀等。支座、排水系统、 检查设施、人行道及避车台设备等附属设施的完好程度不仅影响桥梁的使用性 能，而且也会影响桥梁的安全状况。护坡的丌裂、沉陷，翼墙的下沉、断裂或 其它损坏，河堤的冲蚀，偏移沉降等都会影响桥梁的结构，使其变形，偏移或 沉降等导致影响桥梁结构的安全状况。 3 1 3 铁路简支梁桥安全等级评定标准 指标的评定标准，是用以判断事物好坏、归属或水平的依据。现行的公路 养护技术规范中将桥梁技术状况分为一类、二类、三类和四类四个等级，并按 墩台、支座、上部结构、栏杆人行道和载重能力五个项目列出了各桥梁等级的评 定标准。然而，在桥梁实际的管理和养护工作中，由于规范的评定标准不具体， 也无明确指标，给桥梁的养护管理决策造成了一些混乱甚至失误伽。本文结合桥梁 评价的特点和需要，将铁路简支粱桥安全分为五个等级，一级为完好的状况，二 级为“较好”状况，三级为“一般”状况，四级为“较差”状况，五级为“最差” 状况，详细表述了各评价指标的评定标准如表3 1 所示。 表3 - 1 铁路简支梁桥安全等级评定标准 t a b l e3 - 1a s s e s ss t a n d a r do fs a f e t ye v a l u a t i o no fr a i l w a ys i m p l es u p p o r t e db e a mb r i d e e s 状态等级 评仃淡 一级二级三级四级五级 主 完好无 局部存剥表面i 【l 现剥落，表面出现剥落，瘁 矗箭严系，钢筋人面 粱 | i i ，承载落，存少局部； ；现赢筋，筋，钢筋轻微锈积锈蚀存n ：人量受 承 能力有量蜂窝分址计衙载作用下蚀，并胄少量裂力裂缝，主要裂缝宽 载 承 能一定的 布 j 睁中挠度较人纹，设计苘找下跨度超过 兕定费求，静 力 载 富余度中挠度接近l 8 力、动力特性较羞 力 韭塞窑垣塞堂亟堂僮途塞筮整煎童塞援塞全逻俭指握馇签霆透垃搓型鲤嚣 桥 完好牢 基本完好有轻微裂纹但分局部存在集中斜裂纹开展较快，多而 墩 固、抗震 牢固，无布不集中，有少裂纹，有一定的变宽变位情况严重， 承 性能良裂纹许病害位( 沉降，位移、病害严重，直接威胁 好倾斜) ，存在一定 行车安全和建筑物 载 程度的病害的正常使用 力 基 有足够有足够承承载能力不足， 承载能力不足，出承载能力严重不足， 础 承载力，载力，但出现部分沉降，现明显的不均匀病窖情况 d ( 3 - 1 ) h 1j 印 求出判断矩阵的最大特征根4 h i x ，并找出它所对应的特征向量w ，即为同一层 各指标相对于上一层指标的相对重要性的排序权重。因对实际问题进行分析时， 不可避免带有主观性、片面性，判断矩阵不可能表现出完全的一致性，所以需要 进行一致性检验，当矩阵不满足一致性时，要对判断矩阵进行调整，直到达到满 意的一致性为止。因素集u l 的判断矩阵可以表示如表3 - 3 所示。 e 峦窑适厶堂亟坐位迨塞迭隧施童鏊援塞垒匿垃垣拯馇丕厘迁绝搓型鲤宣 表3 - 3 因素集判断矩阵 t a b l e3 - 3j u d g e m e n tm a t r i xo ff a c t o ra g g r e g a t e u l iu 1 2u 1 ， 权重 u l ilc 2c 1 3a l t u l zc 2 llc 瑚a 1 2 u 1 3c c 腮 1 a l ； 一致性检验 k 一一m 旧3 ) ，a 一字，c r c 脚l 观1 。 同理可以构造其它因素集的判断矩阵，在此不一一列举。由各因素权重组成 的对应因素集的权重集表示如下： 一级权重集：a 1 = a 1 a i = a l i ，a 1 2 ，a 1 3 二级权重集：a 2 = a 2 ，a 2 2 ，a 2 矗 a 2 ，= a 2 ，a 2 ：，a 2 矗 a 2 2 = a 2 4 ，a 2 自a 2 6 a 2 ：i = a 2 7 ，a 2 a 磊，a 2 i 。 三级权重集：a 3 = a 3 。，a 3 。，a 3 。 a 3 。= a 3 ，a a 3 。 a 3 2 = a 3 “a 3 5 ，a & ) a 3 。= a 3 t