基于AHP-TFN的混凝土梁桥技术状况评估.pdf

第40 卷第2 期2023年6 月长江工程职业技术学院学报Journal of Changjiang Institute of TechnologyVol.40 No.2Jun.2 0 2 3基于AHP-TFN的混凝土梁桥技术状况评估王均明1,邬晓光1，陈双赢,秦海莲，张彦飞3（1.长安大学公路学院，西安7 10 0 6 4;2.山西省公路局长治分局，山西长治0 46 0 0 0；3.山西省公路局，太原0 30 0 0 6)摘要：为了科学客观地评估在役混凝土梁桥技术状况，引入三角模糊数（TFN），提出一种基于层次分析法（AHP）的桥梁技术状况模糊综合评估方法。依据公路桥梁技术状况评定标准（JTG/TH21-2011），选取混凝土梁桥上部结构、下部结构、桥面系作为准则层，上部承重构件、上部一般构件、支座等16 项作为指标层；运用TFN-AHP模糊综合评估方法，同时采用0.1-0.9 标度法替代传统的1-9 标度法，以此来构造三角模糊判断矩阵，对准则层以及指标层里各因素进行权重计算；最后结合山西省G208线某在役混凝土梁桥进行了工程实例分析，结果表明，直接利用现行规范会高估桥梁等级，TFN-AHP模糊综合评估方法具有可行性和合理性。关键词：混凝土梁桥；层次分析法；三角模糊数；0.1-0.9标度法；技术状况评估中图分类号：U448.34DOI:10.14079/42-1745/tv.2023.02.002文献标识码：A文章编号：16 7 3-0 49 6(2 0 2 3)0 2-0 0 0 9-0 5山西省G208线在役桥梁的服役年限已有10-30年之久，在长期运营过程中，许多在役桥梁已经不能满足日常的使用要求，因此需要一个能够正确评定桥梁实际技术状态的评价体系。目前国内外关于桥梁技术状况评估的理论有很多，主要包括：可靠度理论、层次分析法、变权综合评定法、模糊神经网络法以及遗传算法等 门。我国目前常用的城市桥梁养护与技术规范（CJJ99-2003）、公路桥梁技术状况评定标准JTG/TH21-2011）和公路桥涵养护规范（JTGH11-2004)，均是根据上述评估理论修订的 2-4。通过比较分析上述三种规范，就可以发现它们在技术状况评估过程中对主要构件结构的权重不统一，说明权重分配受个人主观因素较大，即便是制定规范的人员，都会出现不一致现象，为了能够更加客观严谨地对山西在役混凝土梁桥技术状况进行评估，本文以山西省某在役混凝土梁桥为工程背景，建立基于层次分析法（AHP)的混凝土梁桥分层分级评估体系模型，并引人三角模糊数（TFN)对层次分析法进行改进，采用0.1-0.9 标度法构造三角模糊数判断矩阵，进而计算出评价指标集的权重向量，最终计算得到该桥最终的状态评估值。收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 6基金项目：山西省交通运输厅科技项目“公路改扩建项目既有桥梁下部结构原位利用与性能提升技术研究”（项目编号：2 0 2 2-10 3）作者简介：王均民（1996-），男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：桥梁检测与加固。1确定混凝土梁桥技术状况评估指标体系通过调研山西省G208线公路改扩建公路项目中的桥梁不同部位的病害状况，结合我国现行规范公路桥梁技术状况评定标准（JTG/TH21-2011)中的相关规定，,利用层次分析法的原理，将G208线在役混凝土梁桥分解成若干层次，标出上下层次之间的关系，形成一个多层次技术状况评估指标体系。一级指标为上部结构、下部结构和桥面系三部分；二级指标是在一级指标的基础上进一步分解，形成的评估指标体系如图1所示 4。2TFN-AHP 确定权重在前述三层评估指标体系基础上，通过TFN-AHP方法确定每层评估指标的权重。传统AHP采用1-9 标度法进行指标间重要程度比较，专家评分往往具有一定的不确定性和模糊性，且进行一致性检验较复杂，实用性不强。为克服这些缺陷，在传统的AHP算法中通过引人三角模糊数将人的判断转化为一个范围，消除了主观判断的模糊性，使得构造的判断矩阵更加合理，同时使用0.1-0.9 标度法代替传统的1-9标度法,也避免了一致性检验的繁琐 5.6。2.1初始判断矩阵要准确无误地处理复杂繁乱的决策问题，对于大多数人来说都是一个难题，由于人们在进行选择一9-王均明，等基于AHP-TFN的混凝土梁桥技术状况评估混凝土梁桥技术状况评估0上部结构C，下部结构C,桥面系C，上部承重构件C.和判断时都会不自觉地使用模糊判断，而三角模糊数模型考虑到这一特点，利用三个元素来表示一项判断的准确性。即设有因素X=(Xi,X2，.X）,其中的因素X,与因素X,进行重要程度对比，通过表1的0.1-0.9标度法取值就构造出了三角模糊数a;=（l i,mj，p i），其中l、p分别表示该模糊数的上、下边界，表示两个因素相对重要性的判断尺度。在初始判断矩阵I=(aj）n x n 中满足：l,+p=1,mj+m;=1,p,+lj；=1，所以在进行两两判断重要程度，专家只要给出上三角或者下三角矩阵，再根据和；互补关系，即可得到完整初始判断矩阵 I7.81。表1判断矩阵0.1-0.9标度法标度赋值（a;）0.1定义（i比i）极极端重要强烈重要比较重要稍微重要同等重要(1-a;)的含义i与i相比的重要程度设 S;=（l i mi,p i),S=（l k,mk p k）均为三角模糊数，则S，大于Sk的概率为：(1,m;mk0,m;mk且lkpiV(SSt)=L-p;(l-p;+(m;-mk)式(1)中：S,=(2a i)(2 2 a i)1Zmi2.2构建可能度矩阵B建立可能度矩阵B=（b;)n x ，其中bi；=V(S,S,），表示因素i比因素i重要的可能性程度,算法见公式(1)；且规定S;表示第i项因素相对一10上部一般构件墩台基支座墙锥坡CC.C.4墙坡CC2图1混凝土梁桥技术状况评估指标体系于其他(n-1)项因素的模糊综合程度 9.10)。2.3权重计算根据可能度矩阵B可知，对上层目标而言，第i项因素相对于其他(n1)因素的综合重要度为：d(S,)=min bijj=1,2.n权向量W=(d(St),d(S2),.,d(S,),归一化处理后得第i项因素的权重为：d(S:)将三角模糊数和AHP方法融合，减少了标度的工作量，不必进行一致性的检验，计算量减少 110.20.3调治构造物础0.40.5(1)，其他(2)桥面铺装31工程实例分析3.1技术状况评估指标体系确定选取山西省G208线某混凝土梁桥为依托工程,该混凝土梁桥上部结构形式为7-16 m的预制预应力混凝土空心板梁，横向布置12 片，桥梁全长116.32m，桥面总宽12.5 m；下部结构为轻型桥台、桩（柱)式墩；桥面铺装为沥青混凝土桥面铺装。通过实地调查发现该桥没有河床C26和人行道C33，因此确定其技术状况评估指标体系如图2 所示。3.2一级指标因素权重计算邀请经验丰富的教授以及专业人员，按照上面已建立的混凝土梁桥技术状况评估指标体系，采用基于0.1-0.9新标度的三角模糊数，结合山西省当地混凝土梁桥实际情况进行重要标度打分，得到相应的初始判断矩阵（见表2），再根据相应的公式计算得到它们的权重。伸缩缝装置人行道C.3护排水系统杆C.C34照明标志(3)(4)2023年6 月长江工程职业技术学院学报第40 卷第2 期混凝土梁桥技术状况评估0上部结构C,下部结构C,桥面系C,上部承重构件上部一般构件锥坡、护坡翼座墙C.1格台墩台基础C25调治构造物桥面铺装伸缩缝装置C护排水系统杆照明标志C图2山西省某混凝土梁桥技术状况评估指标体系表2 一级指标C相对于目标层O的判断矩阵上部结构C,1下部结构 C2桥面系C3上部结构C（0.5,0.5,0.5)(0.4,0.5,0.6)(0.5,0.6,0.7)下部结构C2(0.4,0.5,0.6)(0.5,0.5,0.5)(0.6,0.7,0.8)桥面系C(0.3,0.4,0.5)(0.2,0.3,0.4)(0.5,0.5,0.5)由式(2)计算可得：S1=(0.274.5,0.355 6,0.4615)S2=(0.2941,0.3778,0.4872)S3=(0.1961,0.2667,0.3590)再根据式(1)计算可得：V(S2 Si)=V(S S:)=V(Si S:)=1V(St S2)0.294 1-0.461 50.29410.4615+0.3556-0.3778=0.8829V(S:S2)0.29410.359 00.2941-0.3590+0.2667-0.3778=0.368 8V(S:Si)0.274 5-0.359 00.2745-0.3590+0.2667-0.3556=0.487 3故根据式(3)得可能度矩阵如下：可能度矩阵d(S:)C1C21C:0.487 30.368810.368 8权向量W：(d(Si),d(S2),d(Ss)=（0.8 8 2 9，1，0.36 8 8），通过公式（4）处理后得到一级指标相应权重为：d(Ci)=0.39d(C2)=0.45 d(Cs)=0.16即相对于目标层O，一级指标上部结构权重为0.39，下部结构权重为0.45，桥面系权重为0.16。与城市桥梁养护技术规范（CJJ99-2003)权重赋值(见表3)和公路桥梁技术状况评定标准(JTG/TH21-2011)中权重赋值(见表4)基本一致，符合实际。表3城市桥梁养护技术规范(CJJ99-2003)权重赋值桥梁部位上部结构下部结构桥面系表4公路桥梁技术状况评定标准(JTG/T H21-2011)权重赋值桥梁部位上部结构下部结构桥面系3.3二级指标因素权重计算因篇幅原因，过程不再赘述，判断矩阵构造结果见表5,表6,表 7。计算结果如下：d(Cn)=0.64,d(C12)=0.26,d(Ci3)=0.100.882 9170.882911权重0.400.450.15权重0.400.400.20d(C21)=0.03,d(C22)=0.01,d(C23)=0.341d(C24）=0.32,d(C2 5）=0.2 7，d(C2 7）=0.0 3d(Cs1)=0.42,d(Cs2)=0.29,d(C34)=0.14d(Css)=0.14,d(C36)=0.01即该混凝土梁桥二级指标各自相对于一级指标C1、C2、C3的权重为：上部承重构件0.6 4，上部一般11王均明，等基于AHP-TFN的混凝土梁桥技术状况评估构件0.2 6，支座0.10；翼墙、耳墙0.0 3，锥坡、护坡0.01，桥墩0.34，桥台0.32，墩台基础0.2 7，调治构造物0.0 3；桥面铺装0.42，伸缩缝装置0.2 9，栏杆护栏0.14，排水系统0.14，照明标志0.0 1。CC21C21(0.5,0.5,0.5)C22(0.3,0.4,0.5)C23(0.7,0.8,0.9)C24(0.7,0.8,0.9)C25(0.6,0.7,0.8)C27(0.4,0.5,0.6)CC31C31(0.5,0.5,0.5)C32(0.3,0.4,0.5)C34(0.2,0.3,0.4)C35(0.2,0.3,0.4)C36(0.1,0.2,0.3)3.4技术状况评估依据公路桥梁技术状况评定标准（JTG/TH21-2011)中划分的定量评定标准，对该混凝土梁桥进行病害评分，同时按TEN-APH进行技术状况评分，结果见表8、表9、表10 和表11。表8 上部结构评分结果对比上部承重构件上部一般构件支座部件评分88.24JTG/T H21-20110.70权重技术状况评分(JTG/T H21-2011)TFN-APH权重技术状况评分(TFN-APH)表9下部结构评分结果对比翼墙、锥坡、桥墩桥台耳墙护坡部件评分85.290.5275.41 68.52 84.24JTG/T H21-20110.02权重技术状况评分(JTG/T H21-2011)TFN-APH权重上部结构评分(TFN-APH)12表5二级指标Ci相对于一级指标Ci的判断矩阵CCilC(0.5,0.5,0.5)Ci2(