1. 前言
受“5.12”汶川地震、“4.23”芦山地震影响,导致四川省震区土质松软,加之气候反常致使山区河流洪水发生频率增加,山区洪涝严重。洪水期间多发生特大洪水和泥石流,冲刷桥梁,同时由于河道采砂严重,河床环境不稳定,桥梁冲刷变得严重。很多既有桥梁受洪水的冲刷,导致部分桥梁发生变形,甚至垮塌。由于洪水冲刷发生垮塌的桥梁有:绵阳市江油盘江大桥(图1)、成都市彭州市川西大桥(图2)、美国密西西比州公路33桥梁(图3)和台湾地区台中县后丰大桥(图4)。因此,对桥梁进行抗洪能力评估具有重要的理论和实际意义。
在桥梁抗洪能力评估方面,美国将桥梁冲刷、车船撞击桥梁和超载认为是桥梁垮塌的三大原因。据估计,所有桥梁倒塌中约60%来自墩台基础冲刷等相关原因导致的 [1] 。美国联邦公路局FHWA制订了桥梁抗洪能力的检测依据 [2] ,该规范规定了对桥梁所在河道及桥墩桥台基础冲刷状况检测。同时“FHWA T5140.23 Evaluating Scour at Bridge” [3] 提供桥梁冲刷评估指导。中国公路桥梁抗洪能力评估目前主要依据《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004) [4] 进行评估。该规范在实际运用中操作相对简单,但具有缺乏定量分析,多依据工程经验判定,受评估人员主观影响大等不足之处,有待于在生产实践中进一步完善。
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Figure 1. The collapse of the Jiangyou Panjiang Bridge in Mianyang City, China
图1. 中国绵阳市江油盘江大桥冲毁照
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Figure 2. The ruined photo of the Chuanxi Bridge in Pengzhou, Chengdu, China
图2. 中国成都市彭州市川西大桥冲毁照
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Figure 3. The 33 bridges in the Mississippi, USA
图3. 美国密西西比州公路33桥梁冲毁照
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Figure 4. The ruined photo of the Houfeng Bridge in Taichung County, Taiwan
图4. 台湾地区台中县后丰大桥冲毁照
当前国内学者采用不同研究方法对桥梁抗洪能力进行了研究。李整等 [5] 将模糊数学理论应用于进行桥梁抗洪能力的评估中。张贵宗 [6] 在桥梁适应性评定的关键技术研究中对桥梁抗洪能力进行了研究,总结了一套完整的桥梁抗洪评定体系。彭子祥针对洪水环境下群桩基础桥梁易损性进行了深入的分析与评估 [7] 。但目前将层次分析法应用于桥梁抗洪评定的文献十分缺少,本文综合考虑了各影响指标的现实状况,结合实际调查结果,对各指标进行相应地权重分析,建立隶属函数,通过层次分析法,建立山区公路桥梁抗洪综合性评估模型。
2. 基于层次分析法的抗洪能力评估模型
2.1. 建模思路
目前桥梁综合评估常用层次分析法(AHP),模糊综合评估等方法。层次分析法采取相对权重概念,把权重的判断进行定量化。这样比专家直接打分、直接赋权等经验方法更客观、科学。AHP比较适合复杂层次结构的多指标决策,它在处理定性、定量因素中,具有简洁性、实用性、系统性等优点。因此,本文采用层次分析法,进而将影响桥梁抗洪能力各种因素条理化、层次化,把对某个状态影响程度相近或比较紧密的因素放在一起,形成一个层,从而建立多层次的指标体系,解决了桥梁抗洪评估影响因素众多,难以定量分析等问题。同时,通过判断矩阵的建立方法以及互反矩阵的一致性判断方法,利用层次分析法,可以正确地评定其对应的功能性工作状态等级。
2.2. 基本模型的建立
2.2.1. 评估层次的建立
建立评估层次应首先将所研究的复杂问题对应的分解成为若干组成部分,并称其为元素,再将各元素按不同的共有属性划分成为不同的属性组别,从而形成不同的层次。而同一层元素受到对应的上层元的制约,同时也对对应的下层元素可以起到支配作用。这种逐层支配关系即形成了所谓的递阶层次结构。处于最上面的层次往往只有一个元素,则该元素一般是分析的最终目标。因此,能否合理划分层次结构将直接影响最终的评判结果的正确性与有效性。
2.2.2. 判断矩阵的构造
建立评估层次后,上下层元素间的相互关系就可以被确定下来。以上一层次的元素B作为准则。其对下一层次
起到相应的支配作用,层次分析法是采用两两比较的方法来得到准则B,下各元素的权重,即比较的影响程。本文中按照3标度法对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较,构造比较矩阵B。其中,
(
;
)表示评价因素i和因素j相对于目标的重要性,并满足
,
。
2.2.3. 评估指标权重的确定
在进行多指标综合评价时,权重会直接影响评价结果的准确性。本文将根据评价指标
对于V的判断矩阵A,求出它们对于指标
的权重
。对于
通过两两比较得到判断矩阵A,解特征根问题
,得到的
经归一化就可以作为指标
对于指标
的权重向量写成向量形式为
。这种方法为排序向量计算的特征根法。
和
的计算一般采用幂法,其步骤为:
1) 任取初始向量
,先取
,计算得到
,
;
2) 迭代计算
,
,
;
3)
或
时做步骤4),否则令
,转换步骤2);
4) 将
归一化,即:
(1)
2.2.4. 计算CI,进行一致性检验
通常,在确定两两比较判断矩阵元素时,由于客观事物的复杂性以及人类判断能力的差别,决定了人们所构造的判断矩阵难以达到完全一致,即不能保证公式成立。因此,一致性偏离过大时,将特征向量作为权重进行判断时,将会导致判断失误。因此通过计算出判断基桩最大特征根对应的特征向量后,对判断基桩进行一致性检验。计算一致性比例C.R.。当C.R. < 0.10时,则认为该判断矩阵的一致性是可以接受的。即将特征向量作为因素原始向量。否则应对其进行调整。根据权重计算结果,针对中间层计算对应的一致性指标C.R.。
(2)
2.3. 抗洪评估模型的评定
2.3.1. 桥梁抗洪评估体系的确定
在役山区公路桥梁的抗洪性能评定是一个非常复杂的问题,影响桥梁抗洪能力的因素较多,而且各因素之间相互作用,关系复杂。因此,桥梁抗洪能力评估指标体系建立的科学性直接影响评估结果的准确性。本文从桥梁环境影响程度指标及桥梁抗洪能力影响指标两方面出发,对影响因素进行了深层次的划分,完成桥梁抗洪能力评估目标及层级架构。具体上讲,对于山区桥梁抗洪能力评估研究中将影响桥梁抗洪能力的因素划分为两类:一类是河道造成的冲刷影响因素;二类是桥梁构造的抗洪影响因素。各项目加分汇总即是桥梁的抗洪能力,分数越高表示桥梁抗洪能力越差。
桥梁环境影响程度指标和桥梁抗洪能力影响指标分别见图5和图6。利用层次分析法对各个项目指标确定权重,权重确定后通过与指标项目内容评定分数相乘,得到各个指标分数。
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Figure 5. Evaluation index of bridge environmental impact degree
图5. 桥梁环境影响程度评估指标图
2.3.2. 桥梁抗洪状态评估
本文参照《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004),将桥梁抗洪能力等级划分为1类、2类、3类、4类和5类等5个等级进行评估,见表1。
3. 工程实例
青莲大桥位于四川省省道S205线江油市境内K266 + 270处,跨越湔江,于1993年6月建成并投入使用。桥梁全长216.2 m,全宽23.0 m,净宽20.0 m。桥梁设计洪水频率1/100。该桥上部结构:3 × 61.8 m的钢筋混凝土箱型拱肋。桥梁下部结构:U型重力式桥台及扩大基础。桥梁立面照片见图7和桥梁桥址情况见图8 [8] 。
该桥抗洪能力评定采用本文提出的层次分析法对抗洪能力进行评定。青莲大桥根据2013年河床断面测量资料并绘制河床断面图,如图9所示,由河床测量资料分析可知该桥墩裸露高度为7.1 m最为严重,故选取1。桥墩作为本次评估桥墩。根据青莲大桥2013年河床断面图同1993年该桥竣工的河床断面图比较,河床变化整体为发生变化,故主河道变化为轻微变迁;河床高程及主深槽位置均明显变化,经现场勘查和实地调查该桥在本世纪初存在采砂情况;桥梁基础未设置保护措施;上、下游侧经过现场勘查均未设置拦河堰。将青莲大桥环境影响程度情况进行分析,得到桥梁环境程度指标分数为65.5,计算数
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Figure 6. Hazard index chart for evaluating flood resistance capacity of bridges
图6. 桥梁抗洪能力评估危害指标图
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Table 1. Classification of bridge flood resistance rating
表1. 桥梁抗洪能力评定等级划分
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Figure 7. Elevation of bridge of Qing Lian Bridge
图7. 青莲大桥桥梁立面照
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Figure 8. Riverbed location map of Qing Lian Bridge Site
图8. 青莲大桥址河床位置图
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Figure 9. Section of riverbed of Qing Lian Bridge
图9. 青莲大桥河床断面图
据详见表2。该桥抗洪能力危害指标,将依据桥梁竣工图纸、河床断面图和现场桥梁冲刷检测等资料进行计算,故选取1。桥墩为扩大基础设计,基础埋置深度为8 m,裸露高度为7.1 m,桥墩与水流夹角为0度,阻水面积比相计算为5.5%。桥梁抗洪能力危害度指标分数为46,计算数据详见表3。按照桥梁抗洪能力评定计算,青莲大桥抗洪能力等级为3类,桥梁抗洪能力一般,风险性为中等。
4. 结语
通过工程实例可以发现,如果仅单纯地采用既有的抗洪能力去评估山区桥梁,存在多定性依靠经验判定,而缺乏定量分析,而导致无法对桥梁抗洪能力准确判定。本文采用基于层次分析法的桥梁抗洪能力评估方法,将桥梁抗洪能力划分为河道造成的冲刷影响因素和桥梁构造的抗洪影响因素两方面进行定
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Table 2. Calculation of environmental impact assessment index for Bridges
表2. 桥梁环境影响程度评估指标计算
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Table 3. Calculation of hazard index for bridge flood resistance assessment
表3. 桥梁抗洪能力评估危害指标计算
量判断,有助于提高桥梁抗洪能力评估的准确性。
NOTES
*通讯作者。