基于权重融合法的跨海桥梁部位及部件权重体系分析_夏子立.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02171-10科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-06-09;修订日期:2022-11-22基金项目:国家重点研发计划(2019YFB1600700)第一作者:夏子立(1989)，男，汉族，广东台山人，硕士，工程师。研究方向:桥梁智能化运维。E-mail:463394253 qq com。引用格式:夏子立，景强，高文博，等 基于权重融合法的跨海桥梁部位及部件权重体系分析J 科学技术与工程，2023，23(5):2171-2180Xia Zili，Jing Qiang，Gao Wenbo，et al Weight system analysis of bridge parts and components based on weight fusion methodJ ScienceTechnology and Engineering，2023，23(5):2171-2180基于权重融合法的跨海桥梁部位及部件权重体系分析夏子立1，2，景强1，高文博1，刘祖锋3，张阳3(1 港珠澳大桥管理局，珠海 519000;2 华南理工大学土木与交通学院，广州 510640;3 长安大学公路学院，西安 710064)摘要桥梁技术评定工作中存在桥梁部位、部件权重与实际状况匹配度不足的情况，采用层次分析法、专家群组分析和熵权法构建桥梁部位及部件权重综合分析体系。通过层次分析法以及专家群组分析得出桥梁部位及部件“主观权重”，采用熵权法分析桥梁结构健康监测数据得出桥梁部位及部件的“客观权重”，通过权重融合得到兼顾主、客观因素的桥梁部位及部件权重体系。以港珠澳大桥青州航道桥为分析对象，对比现行桥梁技术状况评定标准并给出权重体系，结果表明:采用群组分析法得出权重值与标准权重值基本一致。采用熵权法得出的上部结构权重值比标准权重值稍大，下部结构、桥面系的权重值基本一致。通过权重融合法得到的上部结构权重值偏大，桥面系权重值偏小，下部结构权重值基本一致。通过权重融合得到的分析结果，综合考虑了主、客观因素，更贴近工程实际情况，合理反映桥梁部位及部件权重。关键词跨海桥梁;权重体系;层次分析法;群组分析;熵权法;桥梁部位及部件;技术状况评定中图法分类号U446;文献标志码AWeight System Analysis of Bridge Parts and ComponentsBased on Weight Fusion MethodXIA Zi-li1，2，JING Qiang1，GAO Wen-bo1，LIU Zu-feng3，ZHANG Yang3(1 Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Authority，Zhuhai 519000，China;2 School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;3 Highway School，Changan University，Xian 710064，China)AbstractIn the bridge technical evaluation work，there is a lack of matching degree between the bridge parts and componentweights and the actual situation Analytic hierarchy process(AHP)，expert group analysis and entropy weight method were used tobuild a comprehensive analysis system of bridge parts and component weights The“subjective weight”of bridge parts and componentswas obtained through AHP and expert group analysis The“objective weight”of bridge parts and components was obtained by using en-tropy weight method to analyze the bridge structure health monitoring data The bridge parts and components weight system that consid-ers both subjective and objective factors is obtained through weight fusion Taking the Qingzhou Channel Bridge of Hong Kong ZhuhaiMacao Bridge as the analysis object，the weight system was given by comparing the current bridge technical status evaluation standardsThe results show that the weight value obtained by the group analysis method is basically consistent with the standard weight value Theweight value of superstructure obtained by entropy weight method is slightly larger than the standard weight value，and the weight valueof substructure and bridge deck system is basically the same The weight value of the superstructure obtained by the weight fusion meth-od is too large，the weight value of the bridge deck system is too small，and the weight value of the substructure is basically the sameThe analysis results obtained by weight fusion comprehensively consider the subjective and objective factors，which are closer to the ac-tual situation of the project and reasonably reflect the weight of bridge parts and components Keywords sea-crossing bridge;weight system;analytic hierarchy process;group analysis;entropy method;bridge parts and com-ponents;technical condition evaluation随着中国桥梁建造技术的突破以及经济快速发展的需要，越来越多跨海大桥工程得以建设实施，自 1991 年中国第一座跨海大桥建成，至 2018年 10 月港珠澳大桥建成通车，中国拟在建及建成的跨海大桥已接近百座1-2。目前中国的桥梁建设已逐步由“重建轻养”转变为“建养并重”，由于投稿网址:www stae com cn跨海桥梁具备工程规模大、结构形式复杂且所处自然环境恶劣等特点，其对于桥梁维养工作提出了更高要求。桥梁技术状况评定是桥梁维养工作开展的重要依据，对于不同技术状况等级，桥梁管养人员将做出对应的养护决策，因此准确评定桥梁的技术状况等级尤为重要。目前，中国已构建了较为完善的桥梁技术状况评定标准体系，主要依据公路桥梁技术状况评定标准(JTG/T H212011)3、城市桥梁养护技术规范(CJJ 992017)4 等标准及规范开展桥梁技术评定工作。桥梁部位及部件权重是技术状况评定的关键参数，权重的合理分配直接影响桥梁技术状况等级，贴近工程实际的技术状况评定权重体系可更准确地反映桥梁的实际服役状态，在此基础上桥梁管养人员方可开展更具针对性的维养措施。公路桥梁技术状况评定标准(JTG/T H212011)和城市桥梁养护技术规范(CJJ992017)均按照不同结构形式赋予桥梁部位及部件不同的权重，并考虑了未出现或者缺失部件的二次权重分;虽然评定体系及方法已较为完善，但在实际的评定工作中，依然存在部件权重与桥梁实际的匹配度不足的情况5-6。关于桥梁部件权重研究，国内学者采用层次分析法(analytic hierarchyprocess，AHP)对斜拉桥7、钢桁架桥8、钢管混凝土拱桥9 以及石拱桥10 等桥型的部件权重进行了分析研究，但传统的层次分析法主要采用专家打分进行指标量化，存在主观性较强、结果偏差较大等问题。公路桥梁技术状况评定标准(JTG/T H212011)指出，对于跨江、海等特大型桥梁，可针对其自身特点，遵循标准原则，构建具备针对性的评定体系。现以港珠澳大桥青州航道桥为案例，收集熟悉该桥梁设计、施工、维养以及检测等方面专家的评分数据，采用层次分析及专家群组分析等方法分析专家评分数据形成桥梁部位及部件“主观权重”，采用熵权法分析桥梁结构健康监测数据得出桥梁部位及部件的“客观权重”，通过权重融合，以期形成兼顾专家打分及监测数据的“权重体系”。1综合分析体系构建层次分析法是美国运筹学教授 T L Satty 在20 世纪 80 年代提出的一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法11，其主要的分析过程为将目标层分解为多个准则层，再细分为多个要素，根据各要素的重要程度对比计算出要素权重。单一层次分析法受专家个人经验、意见的主观影响，且受标度规则的影响较大。对此，吕跃进等12、骆正清等13 提出用群体判断方法和对该不足进行改进。熵权法是一种客观赋权的理论方法，其广泛应用于各行业的技术研究，在桥梁耐久性评价14、桥梁加固方案优选15、桥梁检测及监测16-17 等方面均得到应用;按照信息论基本原理，信息是系统有序程度的一个度量，熵是系统无序程度的一个度量，根据信息熵的定义，可用熵值来判断某个指标的离散程度，其信息熵值越小，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的影响就越大18-19。因此，可利用信息熵计算各个指标的权重，为多指标综合评价提供依据。熵权法不能反映专家的知识和经验，其仅依赖于数据本身的离散性，得出客观的权重值。层次分析法考虑了专家的知识和经验，以及决策者的意向和偏好，虽然指标权重的排序往往具有较高的合理性，但无法克服主观随意性较大的缺陷;而熵权法仅依据数据得出分析对象的客观权重，不能反映专家经验及决策者的意见。综合两种方法的优缺点，把群组层次分析法和熵权法的结果相结合，得到综合考虑主客观因素的指标权重。图 1展示了权重综合分析流程。图 1权重综合分析流程Fig.1Comprehensive weight analysis process1.1单一层次分析法分析过程1.1.1矩阵设置比较 n 个因素 y=(y1，y2，yn)对目标 z 的影响，每次取两个因素 yi和 yj，用 aij表示 yi与 yj对z 的影响程度之比，n 个被比较的元素构成一个两两比较的判断矩阵 A