梁 鑫,李俊松

(1.廣西工學(xué)院土木建筑工程系,廣西柳州 545006；2.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中最重要的建筑材料應(yīng)屬鋼筋，在橋梁結(jié)構(gòu)的受力承載中起著舉足輕重的作用。但由于設(shè)計(jì)、施工以及后期運(yùn)營(yíng)中的一些因素，會(huì)使得結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土出現(xiàn)裂縫或空隙，當(dāng)受到外界環(huán)境侵蝕時(shí)就會(huì)引起鋼筋的銹蝕，從而降低其力學(xué)性能，導(dǎo)致整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性降低。國(guó)內(nèi)外由于鋼材銹蝕導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)喪失承載能力的案例比比皆是，造成的經(jīng)濟(jì)損失十分驚人[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋的防銹技術(shù)進(jìn)行了深入研究，如耿春雷[2]介紹了混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理，討論了各類防銹技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。王廷臣[3]闡述了環(huán)氧樹脂涂層對(duì)橋梁鋼筋防銹的作用，介紹了其制作工藝和技術(shù)要求，指出了適用范圍和注意事項(xiàng)；孫慧玲[4]等結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼筋阻銹劑在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；楊水彬[5]通過一系列實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了HP阻銹劑的阻銹效果，并討論了其耐蝕性。鋼筋防銹技術(shù)已較為成熟，但如何正確選擇防銹策略卻少有研究，防銹策略的選取不當(dāng)也會(huì)造成防銹性能不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土的耐久性和安全性不足，國(guó)內(nèi)外此類問題也時(shí)有發(fā)生，故有必要對(duì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略的優(yōu)選進(jìn)行深入研究。

管理學(xué)大多數(shù)方法應(yīng)用的基礎(chǔ)是專家評(píng)價(jià)，由于專家評(píng)價(jià)會(huì)受到信息完備性、評(píng)價(jià)時(shí)效性、主觀偏好和認(rèn)識(shí)程度等因素的影響，使得評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的不確定性，而熵則是對(duì)不確定性的最佳度量。故本文在建立了適用于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略優(yōu)選分析的指標(biāo)體系之后，引入管理學(xué)中較為成熟的熵度量法[6-9]，對(duì)其防銹策略的優(yōu)選方法進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于具體工程中。實(shí)踐證明，該體系、方法、理論可為鐵路橋梁鋼筋防銹策略的選擇提供有效的理論依據(jù)，最大程度降低鋼筋銹蝕對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，減少經(jīng)濟(jì)損失，提高橋梁整體安全性。

2 熵度量法基礎(chǔ)理論

Shannon[10]于1948年提出了熵的概念，其意義為對(duì)“不確定性”的衡量，之后，Jaynes[11]于1957年提出了極大熵原理，一種用于計(jì)算不確定性的數(shù)學(xué)方法。從此，熵和極大熵原理被逐步運(yùn)用于處理信息的問題中[12-15]。本文主要介紹熵度量法在鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略優(yōu)選分析中的運(yùn)用。

2.1 評(píng)語隸屬關(guān)系矩陣的構(gòu)建及處理

對(duì)于包含m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)、每個(gè)指標(biāo)有n個(gè)評(píng)語的問題(以下簡(jiǎn)稱(m，n)評(píng)價(jià)問題)，可構(gòu)成m×n的評(píng)語隸屬關(guān)系矩陣X′，如下所示

對(duì)X′做標(biāo)準(zhǔn)化處理得到X

式中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；xij為第j個(gè)專家對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)語值，計(jì)算方式如下

(1)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)熵及熵權(quán)的計(jì)算

針對(duì)(m，n)評(píng)價(jià)問題，結(jié)合熵度量相關(guān)理念可推導(dǎo)出第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵Hi的定義為

(2)

式中，fij、k為計(jì)算參數(shù)，并假定當(dāng)fij=0時(shí)，fijlnfij=0。其計(jì)算方式分別如式(3)、式(4)所示

(3)

k=1/lnn

(4)

同時(shí)，基于熵度量概念可得到(m，n)評(píng)價(jià)問題中，第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)ωi的定義為

(5)

2.3 基于熵度量法的失效度計(jì)算

在(m，n)評(píng)價(jià)問題中，根據(jù)熵度量法基本原理可知，防銹策略失效度的計(jì)算表達(dá)式應(yīng)為

(6)

(7)

3 鐵路橋梁鋼筋防銹策略優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于熵度量法的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)需建立合理有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文在廣泛調(diào)研和大量事故分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合問卷調(diào)查方式對(duì)優(yōu)選指標(biāo)體系構(gòu)成因素進(jìn)行了識(shí)別，從而建立了適用于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略優(yōu)選分析的指標(biāo)體系。調(diào)查問卷采用Likert5級(jí)分量表的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，見表1。

表1 Likert5級(jí)分量

調(diào)查問卷的對(duì)象主要為我國(guó)橋梁行業(yè)的專家、學(xué)者和設(shè)計(jì)施工技術(shù)人員，調(diào)查單位主要包括中鐵一院、中鐵二院、中鐵四院、中鐵大橋局、中鐵二局、北方交通大學(xué)和西南交通大學(xué)等。通過對(duì)調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析(刪除相關(guān)程度平均值小于3的因素)，最后得到4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，18個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如表2所示。

表2 鐵路橋梁鋼筋防銹策略優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4 實(shí)例分析

以成都至貴陽高速鐵路某特大型橋梁為工程依托，運(yùn)用該體系及方法對(duì)鐵路橋梁鋼筋防銹策略進(jìn)行了優(yōu)選分析。

4.1 工程概況

該特大型橋梁位于成都至貴陽高速鐵路線上，主跨形式為中等跨徑、高墩多跨、連續(xù)剛構(gòu)，主梁的截面形式為箱形截面，其梁高和底板厚度的變化均為二次拋物線，受力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度最小為3 cm。箱梁頂板的寬度為1 200 cm，厚度為28 cm，其鋼筋最小保護(hù)層厚度為2 cm。箱梁底板寬度為650 cm，厚度為29～70 cm，以二次拋物線變化，其鋼筋最小保護(hù)層厚度為3 cm。

箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力，其縱向預(yù)應(yīng)力束包括前期頂板束、前期下彎束和后期頂?shù)装迨?。前期頂板束包?6φS15.2 mm鋼絞線和12φS15.2 mm鋼絞線兩種形式，前期下彎束采用12φS15.2 mm鋼絞線，后期頂?shù)装迨饕捎?2φS15.2 mm鋼絞線和9φS15.2 mm鋼絞線。施工期間均采用兩端張拉方式施加縱向預(yù)應(yīng)力，其控制應(yīng)力應(yīng)保證在0.75fpk。

本工程中備選的橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略主要包括阻銹劑法、機(jī)械除銹法、環(huán)氧涂層鋼筋法和陰極保護(hù)法。下面就結(jié)合建立的指標(biāo)體系，利用熵度量法對(duì)這些策略進(jìn)行優(yōu)選分析，以期為決策提供有效的理論依據(jù)。

4.2 構(gòu)建優(yōu)選評(píng)價(jià)因素集

首先，針對(duì)建立的鐵路橋梁鋼筋防銹策略優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建出一級(jí)指標(biāo)因素集U={u1,u2,u3,u4}T={經(jīng)濟(jì)可行性，施作便捷性，工藝成熟度，防銹效果}T；然后，再構(gòu)建出各個(gè)二級(jí)指標(biāo)因素集，如u1={u11,u12,u13,u14,u15}T={材料成本，工藝成本，設(shè)備成本，后期投入，雜項(xiàng)成本}T，同理可得u2、u3和u4。

4.3 建立評(píng)語等級(jí)集合

利用熵度量法對(duì)優(yōu)選指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)的前提是建立評(píng)語等級(jí)集合，該集合的作用是建立定性描述與定量評(píng)價(jià)之間的聯(lián)系。本工程中，考慮到各指標(biāo)的實(shí)際情況，最終將評(píng)語等級(jí)定為4級(jí)，其表達(dá)式為V={優(yōu)，良，中，差}={4，3，2，1}。

4.4 構(gòu)建評(píng)語隸屬關(guān)系矩陣并標(biāo)準(zhǔn)化

為使得到的結(jié)果更符合實(shí)際情況，針對(duì)本工程，組織了對(duì)該工程項(xiàng)目非常熟悉的建設(shè)各方的專家和技術(shù)人員共10人組成評(píng)審組，分別以阻銹劑法、機(jī)械除銹法、環(huán)氧涂層鋼筋法和陰極保護(hù)法為評(píng)價(jià)對(duì)象，針對(duì)指標(biāo)體系中的18個(gè)二級(jí)指標(biāo)，按照4級(jí)評(píng)語進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，最終判定最優(yōu)方法。

X1=

同理可得到X2、X3和X4。

4.5 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵及熵權(quán)

同時(shí)，根據(jù)式(4)可計(jì)算出k1=0.434，故根據(jù)式(2)即可計(jì)算得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵

再結(jié)合式(5)可計(jì)算出熵權(quán)ω1

同理可計(jì)算出H2、H3和H4，以及ω2、ω3和ω4。

4.6 計(jì)算各類方法的失效度

由評(píng)價(jià)結(jié)果可知本工程采用阻銹劑法的失效度最低，即表明其安全可靠性最高，故本工程最終采用阻銹劑法作為鋼筋防銹的策略。

4.7 實(shí)際工程措施

實(shí)際工程中，混凝土中摻和料使用的是山東某公司生產(chǎn)的礦渣粉，其比表面積為358 m2/kg，養(yǎng)護(hù)28 d的活性指數(shù)為103。外加劑使用的是北京某公司生產(chǎn)的FAC聚羧酸高性能減水劑，以及FAC-13型鋼筋阻銹劑。

施工過程中對(duì)該鋼筋混凝土各方面性能進(jìn)行了抽樣試驗(yàn)，結(jié)果表明添加阻銹劑的混凝土試塊7、28 d抗壓強(qiáng)度比均為106，其氯離子的抗?jié)B性能不降反增，混凝土鋼筋在陽極極化試驗(yàn)中未發(fā)生銹蝕。

實(shí)際工程中加入阻銹劑時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)嚴(yán)控鋼筋阻銹劑摻入量。由于其摻量小且為粉末狀，導(dǎo)致自動(dòng)稱量精度難以達(dá)到要求，故應(yīng)事前稱量好每次攪拌混凝土所需阻銹劑并分袋放置。

(2)嚴(yán)控混凝土攪拌時(shí)間。充足的攪拌時(shí)間決定了鋼筋阻銹劑在混凝土中分布的均勻性，使其充分發(fā)揮阻銹效果，建議攪拌時(shí)間為3 min。

(3)嚴(yán)控混凝土澆筑工藝。澆筑工藝的合理性決定了混凝土工作性能的優(yōu)良，也決定了鋼筋阻銹劑的實(shí)用效果，混凝土澆筑后應(yīng)保證其表面無蜂窩、麻面等現(xiàn)象，保證其內(nèi)部密實(shí)無空洞。

5 結(jié)論

在廣泛調(diào)研、事故統(tǒng)計(jì)分析和研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，建立了適用于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略優(yōu)選分析的指標(biāo)體系，引入熵度量法作為對(duì)防銹策略進(jìn)行優(yōu)選分析的方法，并將該體系、方法運(yùn)用于某橋梁工程，取得了一定成效，結(jié)論如下：

(1)建立的用于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略優(yōu)選分析的指標(biāo)體系具有科學(xué)性、客觀性和可操作性，能客觀實(shí)際地反映出各類防銹策略的主要特性，為后期評(píng)價(jià)、決策奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；

(2)引入的熵度量法建立在管理學(xué)成熟決策理論基礎(chǔ)上，將定性評(píng)判與定量評(píng)價(jià)有機(jī)地結(jié)合起來，可合理、有效地評(píng)定出每一種待評(píng)策略的失效度，為最優(yōu)策略的選取提供了理論依據(jù)；

(3)實(shí)踐證明，該套指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法切實(shí)有效地實(shí)現(xiàn)了防銹策略的優(yōu)化，最大程度降低了鋼筋銹蝕對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，減少了經(jīng)濟(jì)損失。期望能為進(jìn)一步提高我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋防銹策略決策水平作出貢獻(xiàn)。

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