在役高桩码头耐久性等级的灰色综合评估1.doc

在役高桩码头耐久性等级的灰色综合评估徐秀娟1 ,栾曙光2(1. 海岸与近海工程国家重点实验室,大连理工大学 辽宁大连116024；2.大连水产学院 土木工程学院, 辽宁大连116023；)摘 要：本文在研究高桩码头耐久性损伤特点及其结构特征的基础上,建立了包括指标层、准则层和目标层的多层次评估模型;结合专家经验和已有的工程实例研究成果,给出了各指标的评估标准及构件、结构耐久性等级划分标准;运用层次分析法原理,确定各层次的初始权重,再运用熵的性质对初始权重进行修正;最后以灰色关联度为准则对在役高桩码头构件和结构的耐久性进行综合分级评估，为工程人员鉴定、评估提供依据。并以浙江省某梁板式高桩码头为例进行实际应用分析,结果表明这种方法具有实际应用价值。关键词：耐久性；层次分析法；熵；权重；灰色关联度中图分类号：U656.1 文献标识码：A0引言目前我国港口基本建设已进入新建、维修和改造并举阶段,而高桩码头面临破损修补的高峰期1。故对在役高桩码头的耐久性进行鉴定、评估以及维修加固,已成为当务之急。 近年来,已有对工业与民用建筑、桥梁、大坝等进行鉴定评估2-4,却没有对码头进行过评定,究其原因,一是我国目前尚无码头检测、评估、维修加固方面的规程或规范可以参照,二是高桩码头结构复杂、影响因素众多,有些因素难以定量表达,因而在日常具体的维护管理过程中,难以形成制度化的维修加固有效对策。本文在研究高桩码头结构耐久性损伤的特点和原有研究成果的基础2-5上,采用灰色综合评判法对高桩码头耐久性等级进行科学划分和综合评定。1 高桩码头耐久性等级评定的指标体系 高桩码头是一复杂的结构系统,影响其耐久性的因素很多。为了科学、全面地对高桩码头的耐久性做出合理评价,根据结构的特点,可将码头结构系统划分为目标层A（整体结构）、准则层Bi（代表第i个构件）及指标层Cij（代表第i构件的第j个影响因素）三个层次,其中不同结构形式的高桩码头由不同的基本构件组成,各种构件又有各自不同的耐久性影响因素,图1给出了高桩码头耐久性综合评定指标体系。高桩码头耐久性A基 桩B1轨道梁B2横 梁B3纵 梁B4面 板B5桩 帽B6 目标层A 准则层Bi 指标层Cij钢筋截面损失率Ci1总体外观Ci2混凝土强度衰减率Ci3保护层厚度Ci4环境条件Ci5 氯离子含量Cim附属构件Bn 图1 高桩码头耐久性综合评价指标体系Fig. 1 Indexes system of pile wharf durability comprehensive evaluation 6作者简介：徐秀娟(1968-),女,辽宁大连人,工学博士生,讲师,主要研究方向为混凝土结构工程。E-mail:xuxiu_3129487163.com2 灰色单层次评判模型2.1 确定最优指标集 由图1可知,高桩码头耐久性的评定指标体系既有定性指标,又有定量指标。对定性指标,考虑人脑思维的最大分辨能力,将其优劣等级划分为很好、较好、一般、较差、很差五个等级,分别记为、II、III、,由专家调查评定给出;对定量指标,则通过仪器检测给出。并将最好值记为fj2 ,最差值记为fj1 。 2.2 指标的规范化处理 由于评定指标之间通常具有不同的量纲和数量级,需要对原始数据进行规范化处理。调第j个指标的量值变化范围为fj1,fj2。对递增型指标,即耐久性指标值fj越大,其耐久性越好的指标,如总体外观指标。其规范化后的值为 而对递减型指标,即耐久性指标值fj越小,其耐久性越好的指标,如氯离子含量、钢筋截面损失率等。规范化后的值为 显然,Cij1,Cij20,1且无量纲。2.3 确定各指标相对最优指标的关联系数以规范化处理后的最优指标集作为参考序列,以规范化处理后实际指标集作为被比较序列,利用公式(3)计算第j个实际指标与其最优指标的关联系数j。 式中, Cijk第i个构件第j个指标规范化后的值，k =1或2,对递增型指标,k取1,对递减型指标,k取2；称为分辨系数,0,1,越小,分辨率越大,一般取=0.5。2.4确定各指标的权重专家通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性,然后求解判断矩阵,确定了指标的初始权重Wj,但由于专家凭主观经验所得的判断信息未必与客观实际完全符合,应用熵的性质,由公式对指标的初始权重进行修正,得到表征各指标相对重要度的熵Ej。即： （j=1，2，3，m） ( k=1，2） 式中，Ej表示j指标相对其他耐久性指标重要性程度的熵值。Cijk见公式（1）、（2）。由公式（5）将Ej与Wj复合成j指标的实用权重j,即 （j=1，2，3，m） j满足：0j1 2.5 单层次评估计算由实用权重j和关联系数合成得到灰色关联度Ri,即 以Ri作为评判尺度,Ri越大,表示实际指标集越接近最优指标集,其耐久性越好。3 灰色多层次综合评判模型 多层次综合评判是在灰色单层次评判的基础上进行的,具体方法、步骤与单层次相同。以图1高桩码头耐久性综合评价指标体系为例:首先对指标层m个指标进行单层次评判,得到准则层,评判(B-C)结果Ri;然后应用公式(1)、(2)对Ri进行规范化处理转换成Cij1,再由公式(3)计算出j,由公式(4)和(5)算出构件的实用权重j,最后由公式(6)得出表示结构或构件耐久性的灰色关联度R。4 高桩码头耐久性评定等级划分高桩码头耐久性可根据灰色关联度划分为若干等级,每一等级代表码头耐久性好坏的不同程度。本文参照民用建筑可靠性鉴定标准 (GB502921999 )将码头的耐久性分为五个等级,相应的灰色关联度取值见表1所列。表1 高桩码头耐久性分级标准Table 1 The durability grade criteria of pile wharf耐久性等级一 级二 级三 级四 级五 级灰色关联度R0.9R10.75R0.90.6R0.750.45R0.6R0.45耐久性 很 好较 好一 般较 差很 差 5 应用实例 浙江省某6000t级煤码头, 系梁板式高桩码头结构,始建于1983年, 竣工于1985年。检测于2001年。设计高水位为+4.48,设计低水位为+0.50,平均潮位+2.50。码头平台全长261m,其中前平台宽度为14.5m,后方平台宽度5.0m。平台排架间距为7m,前方平台每榀排架设有2对叉桩和2根直桩。依据本文的高桩码头耐久性综合评价指标体系将该结构的耐久性评定系统分为三个层次,如图2所示。选取有代表性的一榀横向排架作为目标层,用以表征整个码头的耐久性;组成排架的各个构件作为准则层, 用以表征各个构件的耐久性,其中,Z1、 Z2 和Z5、 Z6分别表示位于码头前方和后方的叉桩, Z5和Z6表示位于中间的直桩,GDL1和GDL2表示两个轨道梁,HL表示横梁,ZL1和ZL2表示两个纵梁;而指标层则选取总体外观、氯离子含量、钢筋截面锈蚀率和混凝土强度衰减率作为评定指标。利用层次分析法确定各构件及各指标的初始权重,结果见图2中括号中的数字,从图中数字可以看出,对于准则层的5种构件,基桩Z1、 Z2 、Z5和 Z6的权重最大,其重要性位居第一,其次是横梁,再次是纵梁和轨道梁,各构件的初始权重之和等于1,与实际结构构件的重要性是一致的。对于指标层（影响因素）来说,钢筋截面的锈蚀率对构件的影响最大，所以其权重也最大，其次是总体外观，再次是氯离子含量和混凝土强度衰减率,这也反映了影响构件耐久性的主次因素。基桩Z3 、Z4 （0.093）横梁HL （0.058）纵梁ZL1、ZL2 （0.040）轨道梁GDL1、GDL2(0.036)高桩码头耐久性总体外观（0.186）氯离子含量（0.163）钢筋截面锈蚀率（0.556）混凝土强度衰减率（0.095）基桩Z1 、Z2、Z5、Z6（0.151）图2 梁板式高桩码头耐久性评定系统Fig.2 Durability evaluation system of pile wharf with beam-slab structure5.1 指标层综合评判该评定模型中既有定性指标(总体外观)又有定量指标(钢筋截面损失率、混凝土强度衰减率等),经专家调查评定和仪器检测,各定性指标的得分值、定量指标的检测结果及各指标的最优值见表2。表2 构件各耐久性指标值6Table 2 The durability index value of components构 件 名 称Z1GDL2Z1Z2Z3Z4Z5Z6GDL1GDL2HLZL1ZL2最优指标值总 体 外 观4.14.04.01.21.021.01.05氯离子含量0.0860.0860.0860.0860.0820.0820.0910.0910.0910.0910.0910钢筋截面损失率%4.04.80混凝土强度衰减率%222442222220各构件的总体外观属定性指标,等级划分需要人为确定。检测人员根据多年积累的经验,建立了总体外观等级划分标准7,见表3。文献8提出以钢筋锈蚀截面损失率达5%作为钢筋混凝土构件耐久性极限状态的标志,因此本文以5%作为钢筋锈蚀率的上限值；文献9 给出了海洋环境条件下混凝土强度经时变化的规律, 50年使用期混凝土强度的衰减率为20%,以此作为混凝土强度衰减率的上限值。根据文献10取海港码头混凝土结构的氯离子临界浓度(占混凝土)最低值为0.091%。表3 混凝土构件总体外观情况等级划分及其评分标准 Table 3 Grade and evaluation standard for concrete components appearance 等级评分总体外观状况描述45与原建造时差别不大，尚未发现破坏迹象或仅是混凝土表面水泥浆流失，露砂以及轻度的局部露石。II34除上述以外已出现宽度小于0.2mm的非钢筋锈蚀引起的混凝土胀裂裂缝，或仅有轻度锈斑。III23混凝土剥落，钢筋锈蚀，混凝土开裂，需要进行维修才不致造成严重后果。12混凝土严重剥落、松散、开裂，钢筋严重锈蚀，需要大修后方能继续使用。01已无修复价值。5.2 准则层综合评判利用公式（1）、（2）将表2的指标值规范化得到Cijk,再将其代入公式(3) 和(4),分别得到灰色关联系数j和指标熵值Ej,将得到的Ej与初始权重Wj代入公式(5),求得各指标的实用权重j,结果见表4。各构件Ej、wj、jZ 1Z2Z3Z4Z5Z6GDL1GDL2HLZL1ZL2总体外观E10.3380.3360.3420.3430.3410.3390.3260.3100.3520.3080.305w10.18601860.1860.1860.1860.1860.1860.1860.1860.1860.18610.1820.1800.1840.1830.1810.180.5140.790.2680.5030.405氯离子含量E20.35203530.3510.3540.3540.3500.35100000w20.1630.1630.1630.1630.1630.1630.1630.1630.1630.1630.16320.1660.1660.1650.1670.1650.16400000钢筋截面损失率E30.3470.3480.3460.3490.3540.3550.0700.2690.0720.118W30.5560.5560.5560.5560.5560.5560.5560.5560.5560.5560.55630.5580.5580.5560.5580.5620.5640.3300.6130.3510.558混凝土强度衰减率E40.3470.3480.3460.3380.3390.3390.1970.1640.3060.1760.187W40.0950.0950.0950.0950.0950.0950.0950.0950.0950.0950.09540.0950.0950.0950.0920.0920.0920.1590.2130.1190.1470.127表4 指标的初始权重和实用权重Table 4 Initial weight and modified weight of indexes从表4可看出,初始权重在修正为实用权重过程中，会随熵值的大小而做相应调整,如基桩Z1,总体外观指标的熵值E1比氯离子含量、钢筋截面损失率和混凝土强度衰减率的熵值小,其实用权重也相应变小,由原来的0.186变为0.182。所以运用熵的性质,可以客观修正指标的重要程度。利用公式(6)计算各构件的灰色关联度Ri, 由表1得出各构件的耐久性等级,结果见表5。从表5可看出，各构件耐久性能依据Ri值从大到小可排序为：表5 构件的灰色关联度和耐久等级 Table 5 The grey relation value and grade of durability evaluation for components 构件名称Z1Z2Z3Z4Z5Z6GDL1GDL2HLZL1LZL2灰色关联度R0.8290.8230.8360.820.8370.8340.4460.4790.4560.4340.421耐久等级二级二级二级二级二级二级五级四级四级五级五级Z5Z3Z6Z1Z2Z4GDL2HL GDL1ZL1 ZL2。计算结果表明,基桩的灰色关联度Ri均介于0.75与0.9之间,耐久性等级为二级,耐久性能较好,其中码头后方的基桩Z5不直接承担船舶的挤靠力和撞击力,故Ri值相对高一些；而码头前方轨道梁GDL1、纵梁ZL1和纵梁ZL2的Ri值均小于等于0.45,耐久性等级为五级，耐久性能很差,其主要原因是纵梁、横梁和轨道梁底标高依次位于+3.5m、+2.30m和+3.8m的水位变动区,构件常年受海水干湿交替影响,混凝土开裂后,钢筋极易锈蚀。轨道梁GDL2位于码头后方,周围的环境优于GDL1,耐久性等级为四级,耐久性能好于GDL1。5.3 目标层综合评判将准则层的计算结果Ri作为Cijk,重复准则层的灰色关联度的计算过程,可得到浙江省某梁板式高桩码头结构的灰色关联度为R=0.704由表1可知,当0.6 R 0.75时,其耐久性等级为三级,耐久性能一般。根据文献11,当结构的耐久性等级为三级时,应对结构采取修复或其他提高安全和适用性措施,而检测专家的判定结论是:该码头应采取修复措施提高安全和适用性。这说明评估结果与专家的结论是一致的。6 结论 (1) 根据高桩码头结构形式及其耐久性损伤特点,建立了包括结构主要受力构件的准则层和影响耐久性主要因素的指标层的高桩码头耐久性综合评价体系。（2）在运用层次分析法确定各指标和构件的初始权重后, 运用熵值对初始权重进行修正,既考虑了专家的判断能力,又考虑了多指标水平的固有信息。运用灰色关联度不仅可以对高桩码头的构件进行耐久性等级评判,而且可以对结构整体进行耐久性等级评定,为工程人员鉴定、评估和维修加固提供依据。(3) 通过实例验证了灰色综合评估法的可行性,然而高桩码头的耐久性评定问题是公认的难题,本次研究只是作了一些有益的尝试,还很不全面、系统,还有待于大量工程实践的检验,以及专家、工程技术人员的进一步完善。参考文献：1陈宝珠,刘德友等. 高桩码头结构耐久性问题的探讨及应对方法浅议J. 中国港湾建设，2002(5)：47-49.2张伟平,张誉. 现有房屋耐久性等级评估C. 工程安全及耐久性中国土木工程学会第九届会议文集,杭州,人民交通出版社,2002:68-72.3任宝双,钱稼茹等. 在用钢筋混凝土简支梁桥结构综合评估方法J. 土木工程学报,2002,35(2):97-102.4徐云修,刘柏青. 老化病害水工建筑物耐久性评估研究J. 武汉水利电力大学学报,1997,30(4):46-50.5卢木,王娴明. 结构耐久性多层次综合评定J. 工业建筑,1998,28(1):1-8.6徐秀娟.高桩码头耐久性研究D.大连:大连水产学院,2004,25-26.7浙江嘉兴发电有限责任公司码头腐蚀调查和检测报告R. 南京水利科学研究所,2001.12.8惠云玲. 钢筋锈蚀力学性能变化初探J. 工业建筑,1992,10:33-36.9邸小坛, 周燕. 混凝土结构耐久性设计方法J.建筑科学,1997,51(1):16-20.10潘德强,田俊峰等. 海工高性能混凝土抗氯离子侵蚀耐久性寿命预测J. 中国港湾建设,2002,10:1-6.11王庆霖,牛荻涛. 混凝土结构耐久性评定标准编制. 混凝土结构耐久性设计与施工土建结构工程的安全性与耐久性科技论文集G,北京,人民交通出版社,2001,1-19.GREY MULTI-HIERARCHICAL COMPREHENSIVE EVALUATION ON EXISTING PILE WHARFS DURABILITY GRADEXU Xiu-juan, LUAN Shu-guang (1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology, Dalian,116023 2.Dalian Fisheries University, Civil Engineering) Abstract: Based on the research for the damage characteristics and specific structure of