《基于不确定层次分析法的钢管混凝土拱桥状态评估及其软件开发》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于不确定层次分析法的钢管混凝土拱桥状态评估及其软件开发（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 七 届 全 国 土 木 工 程 研 究 生 学 术 论 坛 东 南 大 学 2009第 七 届 全 国 土 木 工 程 研 究 生 学 术 论 坛 东 南 大 学 2009 本文为国家自然科学基金（10672038）及国家教育部博士点基金（200802861012）资助。作者简介：隋良平(1982)，男，辽宁大连人，硕士研究生，从事 工程力学研究 (E-mail:yichen21c )；王浩(1980)，男，江西鹰潭人，讲师，博士，从事桥梁抗风抗震与健康监测研究 (E-mail: whzjn )。 基于不确定层次分析法的钢管混凝土拱桥状态评估及其软件开发 隋良平，王 浩 （东南大学土木工程
2、学院，江苏 南京 210096） 摘 要：本文介绍了桥梁健康监测系统及桥梁状态评估方法中的不确定层次分析法。以洛阳瀛洲大桥为工程背景，应用不确定层 次分析理论，将影响钢管混凝土拱桥工作状态的各种因素层次化，确定各层各因素的权向量，结合已有的资料及相关规范，得出 钢管混凝土拱桥状态等级，从而建立适用于钢管混凝土拱桥的结构状态评估体系。以 NI LabView 8.6 为开发平台，编程建立了一 套运用上述原理的瀛洲大桥状态评估软件。 关键词：健康监测；状态评估；不确定层次分析法；钢管混凝土拱桥；软件 State Assessment and its Software Development for
3、 Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge Based on Uncertain AHP SUI Liangping , WANG Hao (Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract: The health monitoring system for bridges and the uncertain analytic hierarchy process among state assessment methods for bridges are introduced in this pape
4、r. The corresponding program of uncertain AHP is implemented in the Ying Zhou Bridge. By uncertain AHP theory, various factors influencing the working state of concrete-filled steel tube arch bridges are hierarchical and the weight vectors of factors at all levels are determined. According to the da
5、tum in existence and interrelated norms, the state grades of concrete-filled steel tube arch bridges are confirmed, and then the state assessment system of Ying Zhou Bridge is established. Based on the above principle, the software for the state assessment system of Ying Zhou Bridge is programmed on
6、 the basis of the software NI LabView 8.6. Key words: health monitoring; state assessment; uncertain AHP; concrete-filled steel tube arch bridge; software 引 言 随着桥梁结构分析理论、建筑材料和施工技术的 发展，钢管混凝土拱桥的跨度越来越大，造型也越来 越新颖独特。考虑到结构的自然老化、长期承受动力 荷载和养护维修的欠缺等不利因素，合理有效的评估 其在服役期间的安全状态就显得格外重要。桥梁结构 状态评估的诸多理论中，不确定层次分析法能充分考
7、 虑评价中的不确定性和模糊性，减少评价中的人为因 素，保证评价结果的客观性1。应用上述评估方法， 针对钢管混凝土拱桥的特点开发洛阳瀛洲大桥状态评 估软件， 将使得对实际桥梁工程的状态评估更加方便、 评价结果更加直观。 1 桥梁健康监测与状态评估概述 大型桥梁健康监测系统是运用现代化传感设备与 光电通信技术及计算机技术，实时监测桥梁在各种环 境中、条件下的结构响应和行为。系统一般包括四部 分内容2：传感系统、信号采集与处理系统、通信系 统、监控中心。传感器监测到的实时信号，经过采集 与处理， 由通信系统传送到监控中心进行分析和判断， 从而对结构的健康状况做出评估。 一般大型桥梁健康监测系统对以下
8、几个方面进行 监控3：结构的固定模态及其系对应的结构阻尼； 桥梁在正常车辆荷载及风荷载作用下的结构响应和 力学状态；桥梁在突发事件（如强烈地震、意外大 风或其它严重事故等）之后的损伤情况；桥梁结构 构件的真实疲劳状况；桥梁重要非结构构件（如支 座）和附属设施（如斜拉桥振动控制装置）的工作状 态；大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运 动等。 结构状态评估，是指通过各种可能的、结构允许 的测试手段，测试出能够反应其当前的工作状态的内 部信息，在此基础上运用某种状态评估理论，对构件 以及结构整体的施工、运营等工作状态进行评估，以 确定结构的安全性和耐久性4。因此，桥梁结构的状 态评估包括了结构安
9、全性和耐久性两方面的含义。 目前，桥梁结构安全性评估方法所采用的理论主 要集中在可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经 网络以及专家系统等；桥梁结构耐久性评估主要有基 于概率统计的构件疲劳评估以及模糊综合评估等5。 2 不确定层次分析法 2.1 层析分析法简介 层次分析法 （AHP） 是多指标综合评价的一种定量 方法， 它把一个复杂问题表示为有序的递阶层次结构， 通过确定同一层次中各评估指标的初始权重，将定性 因素定量化，在一定程度上减少了主观的影响，使评 价更趋于科学化6。权重的计算方法可采用乘积方根 法与求和平均法。运用 AHP 解决问题，大体可以分为 第 七 届 全 国 土 木 工 程
10、研 究 生 学 术 论 坛 东 南 大 学 2009第 七 届 全 国 土 木 工 程 研 究 生 学 术 论 坛 东 南 大 学 2009 六个步骤：一、把问题分解组合，建立递阶层次结构； 二、构造各层次两两比较判断矩阵；三、检验判断矩 阵的一致性；四、由判断矩阵计算被比较元素对于该 准则的相对权重；五、确定评估等级标准；六、确定 底层评估指标评分。 层次分析法在桥梁结构评估中得到了广泛的应用 7。在桥梁评估中，可以将诸多监测因素指标条理化、 层次化，把对某个状态影响程度相近或者联系比较紧 密的因素指标放在一起，形成一层，建立起桥梁状态 的层次型评估体系结构，然后利用层次分析法，最终 获得桥
11、梁的状态评估值。 2.2 不确定层次分析法 层次分析法应用的关键是构造两两比较判断矩 阵。若在比较矩阵中，以区间数代替确定值对两因素 的相对重要性做出判断，这时的判断矩阵称为不确定 判断矩阵， 相应的分析方法称为不确定层次分析法1。 求解区间判断矩阵权重的方法目前主要有以下几 种：运用梯度特征向量求解权重的方法，利用判断矩 阵的一致性逼近与误差理论计算权重，利用区间数的 运算法则计算权重等方法。其中最为合理、应用最广 泛的方法是利用判断矩阵的一致性逼近与误差理论计 算权重。 区间数判断矩阵一致性逼近的计算理论为8： 设区间数判断矩阵() ijn n AA =，其中 , ijijij Aa b=
12、 ， 1 9 9 ijij ab； 1 ij ji A A =， 1 ji ij a b =， 1 ji ij b a =； 1,1 ii A =，1,2,in=。取 1 2 1 n n ikik ij k jkjk a b m a b = = (1) 则() ij n n Mm =为满足互反性的一致性数字矩阵，令 M的权重向量为： () 12 , n WW WW=，其中 1 2 1 1 2 1 1 ,1,2, n n jkjk k j n n n ikik k j a b Wjn a b = = = = (2) 应用误差传递公式9： ()() 2 2 4 1 1 1 ,1,2 n kjkij
13、 n j ij i Wmk m = = = (3) 可进行区间数判断矩阵的权向量分析计算。 由极差矩阵定义知： () 1ijijij mma=，() 2ijijij mbm= (4) 由此可得区间数判断矩阵A的权重为： () 12 , n WW WW=，其中 () 12 , jjjjj WWW WW=+ (5) 通过以上方法得到权重的区间值，再运用集值统 计等概率统计原理可得各指标的最终权重10。 3 瀛洲大桥状态评估 瀛洲大桥位于洛河市区段上游的瀛洲路上，是一 座飞鸟式倒三角形抛物线拱桥， 设计总长 1543 米， 其 中，跨河主桥长 610 米，由边跨 8 个上承式钢筋混凝 土连续拱和 1
14、 个中跨长 120 米的月亮形中承式钢管混 凝土系杆拱组合而成，如图 1 所示。将上述评估理论 应用于洛阳瀛洲大桥，具体评估步骤如下： 图 1 瀛洲大桥主桥中跨立面图 首先建立瀛洲大桥状态评估体系的递阶层次模 型，然后通过专家调查的方法，构造各层次两两比较 判断矩阵， 再通过一系列数学运算求出各指标的权重。 状态评估体系的递阶层次模型及各指标权重分布如图 2 所示。 参考公路养护技术规范11和公路桥涵养护 规范12,采用的分级鉴定方法，将瀛洲大桥状态等 级分为优、良、中、差、劣五级：优级表示符合国家 第 七 届 全 国 土 木 工 程 研 究 生 学 术 论 坛 东 南 大 学 2009第 七
15、 届 全 国 土 木 工 程 研 究 生 学 术 论 坛 东 南 大 学 2009 现行规范要求；良级表示略低于国家现行规范要求； 中级表示已中度影响安全或正常使用；差级表示较严 重不符合国家现行规范要求，已严重影响安全或正常 使用；劣级表示严重不符合国家现行规范要求，已危 及安全或不能正常使用，必须立即采取措施。与状态 等级对应的指标分值表达如表 1 所示。确定底层各指 标分值之后，逐层综合，便可得出桥梁状态的分值， 进而确定整座桥梁的状态等级。 表 1 状态等级及指标对应分值表达 等级 优 良 中 差 劣 分值 90100 8089 6079 4059 039 图 2 瀛洲大桥状态评估体系
16、递阶层次模型及各指标权重分布 4 状态评估软件开发 进行桥梁结构状态评估需要收集大量现场数据， 运用这些数据进行评估要经过繁复的计算。应用上述 层次分析理论开发钢管混凝土拱桥状态评估软件，可 以将数据采集和计算评估工作交与计算机来完成，高 效方便。 本软件可实现对钢管混凝土拱桥运营状态的评 价。通过对监测数据、人工检查信息的分析，本软件 最终可给出钢管混凝土拱桥的整体状态的评价及各主 要构件状态的评价，并根据得出的评价结果给出桥梁 维修或维护的建议；所有参与评估的数据及评估结果 都进行数据库管理，可随时调用查看；评估结果可自 第 七 届 全 国 土 木 工 程 研 究 生 学 术 论 坛 东 南 大 学 2009第 七 届 全 国 土 木
