■蘇 南

（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司， 福州 350031）

公路橋梁支座是公路橋梁上、下結(jié)構(gòu)部分的連接結(jié)構(gòu)，對于公路橋梁的安全穩(wěn)定工作起到至關(guān)重要的作用。 公路橋梁支座的作用[1]主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）將公路橋梁上部分結(jié)構(gòu)由于荷載作用而產(chǎn)生的作用力可靠、安全地傳遞給公路橋梁墩臺；（2）適應(yīng)公路橋梁上部分結(jié)構(gòu)由于荷載作用而產(chǎn)生的變形、由于溫度變化而產(chǎn)生的變形、由于濕度變化而產(chǎn)生的變形以及由于混凝土收縮等而產(chǎn)生的變形；（3）防止由于風(fēng)力、地震波等使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移逐漸增多，剛性支座在公路橋梁應(yīng)用中的占比逐漸減少，橡膠支座已基本替換剛性支座而在公路橋梁中廣泛應(yīng)用。 橡膠支座由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉以及可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)對載荷作用導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生的形變、轉(zhuǎn)角以及位移等不良狀態(tài)。 近些年，隨著我國工業(yè)技術(shù)的提高，橡膠支座在公路橋梁應(yīng)用中的占比逐增加，但其本身質(zhì)量情況以及由于載荷作用產(chǎn)生的不良狀態(tài)都會對其使用壽命產(chǎn)生影響，因此研究公路橋梁橡膠支座應(yīng)用以及公路橋梁橡膠支座常見病害具有重要意義。

1 橡膠支座常見病害及原因分析

公路橡膠支座大致可分為以下幾類：板式橡膠支座、盆式橡膠支座、球形橡膠支座、四氟乙烯滑板橡膠支座和鉛芯橡膠支座。 板式橡膠支座安裝便捷、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在我國公路橋梁中應(yīng)用廣泛，尤其是在中小跨徑公路橋梁領(lǐng)域， 其一般跨度小于20 m； 盆式橡膠支座由橡膠塊和凹形鋼金屬盆組成，橡膠塊放置在凹形鋼金屬盆內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)簡單、承載力大的優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于大跨度公路橋梁領(lǐng)域；球型橡膠支座是在盆型橡膠支座的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，適用于大角度公路橋梁，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格適中等特性。

1.1 支座不密貼、支座脫空

支座不密貼、支座脫空這種現(xiàn)象主要表現(xiàn)為公路橡膠支座與橋梁下部結(jié)構(gòu)接觸面存在虛接觸，導(dǎo)致整個橋梁處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 整個檢查過程中，有些橋梁的橡膠支座存在這種虛接觸的情況，如圖1、2所示。 造成此類病害的原因大多是由于未按圖紙加工以及施工不規(guī)范，如安裝時(shí)所選用的墊石存在較大的高度差， 導(dǎo)致橡膠支座不處在同一水平面上，最終導(dǎo)致虛接觸的情況出現(xiàn)。 常見的解決方法是規(guī)范施工過程，對于所選用的墊石結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量保證處在同一高度。

圖1 支座與下鋼板不密貼

圖2 支座橡膠體脫空

1.2 支座開裂

支座由于長期處于擠壓、腐蝕、風(fēng)化、日照等惡劣條件下，其表面容易產(chǎn)生裂紋[2]。 當(dāng)裂紋惡化到一定程度時(shí)，整個橡膠層會產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響橡膠支座壽命。 典型病害如圖3、4 所示。 這種支座開裂的情況主要是由于支座性能不達(dá)標(biāo)，或安裝過程不規(guī)范導(dǎo)致的， 使個別支座處于較大的受力狀態(tài)，最終導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。 而且由于公路橋梁不經(jīng)常維護(hù)，其墩臺頂存在的垃圾也會進(jìn)一步促使裂縫產(chǎn)生。 針對此類病害，常用的解決方法是更換橡膠支座[3]。

圖3 支座橡膠體水平裂縫

圖4 支座橡膠體斜裂縫

1.3 其他病害

除上述常見病害外， 還存在支座選用不合理、銹蝕、混凝土墊石、上下鋼板錯位、安裝偏差、支座建筑垃圾堆積等病害情況[4]，典型的其他病害情況如圖5、6 所示。

圖5 支座偏壓

圖6 支座縱橫方向放反

上述公路橋梁橡膠支座病害的主要原因包括：（1）墊層石損壞是由于砂漿填充不密實(shí)，砂漿強(qiáng)度不夠，施工中發(fā)生碰撞；（2）造成軸承偏斜主要是因?yàn)槎ㄎ徊粶?zhǔn)；（3）施工疏忽是支撐限位鋼筋未拆除、防塵罩缺失、鋼板錯位的主要原因；（4）日常維護(hù)的疏忽，造成了支架處雜物堆積、支架螺母松動等多種病害。 針對上述公路橋梁橡膠支座存在的病害情況，可以從以下幾方面進(jìn)行整改：（1）修補(bǔ)墊石損壞處；（2）重新調(diào)整錯位的鋼板和嚴(yán)重偏位的支架；（3）清除支架處雜物；（4）重新擰緊松動螺母，及時(shí)拆除限位鋼筋；（5）修補(bǔ)缺失的防塵罩。

2 橡膠支座評價(jià)指標(biāo)體系建立

影響橡膠支座安全穩(wěn)定工作的因素有很多，為了保證公路橋梁橡膠支座安全穩(wěn)定工作，建立橡膠支座評價(jià)指標(biāo)體系至關(guān)重要[5]。 根據(jù)各影響因素對橡膠支座運(yùn)行可靠性影響的大小，考慮到現(xiàn)有技術(shù)條件下易于測量和便于實(shí)際應(yīng)用， 結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，本文選擇以下3 項(xiàng)主要因素作為評價(jià)橡膠支座運(yùn)行可靠性的指標(biāo)：（1）外觀情況；（2）試驗(yàn)特性；（3）穩(wěn)定特性，并建立如圖7 所示的公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)層次圖。

圖7 公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)層次

本文所建立的橡膠支座型檢評價(jià)層次包括3 層，其中“公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)結(jié)果”是整個公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)的預(yù)定目標(biāo)，是本評價(jià)模型的一級指標(biāo)。 公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)結(jié)果取決于橡膠支座的外觀情況 （用C1表示）、試驗(yàn)特性（C2）和穩(wěn)定特性（C3）3 個主要影響因素，也是本評價(jià)模型的二級指標(biāo)，不同因素之間相互制約或隸屬。 本模型所列舉的3 個二級指標(biāo)又包含多個三級指標(biāo)，其中二級指標(biāo)外觀情況下包含4 個三級指標(biāo)，分別為裂縫條數(shù)（C11）、最大裂縫長度（C12）、最大裂縫寬度（C13），剪切變形程度（C14）；二級指標(biāo)試驗(yàn)特性下包含4 個三級指標(biāo)，分別為抗壓彈性模量（C21）、抗剪彈性模量（C22）、四氟板與不銹鋼板表面摩擦系數(shù)（C23）、極限抗壓強(qiáng)度（C24）；二級指標(biāo)穩(wěn)定特性下包含2 個三級指標(biāo)，分別為投入1 年內(nèi)裂縫條數(shù)（C31）、投入1 年內(nèi)最大裂縫長度（C32）。 本文所列舉的9 個三級指標(biāo)是整個公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)模型的基礎(chǔ)，對公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。

針對上述指標(biāo)，將進(jìn)行歸一化及指標(biāo)定量化處理，本文以優(yōu)劣度H 來表征公路橋梁橡膠支座每個指標(biāo)的優(yōu)劣程度，優(yōu)劣度都是由各個指標(biāo)轉(zhuǎn)化過來的無量綱數(shù)值，數(shù)值均在[0，1]之間，優(yōu)劣度H 的值越大即越接近1，代表裝置的性能越好。 反之，優(yōu)劣度值H 越趨近于0，則代表性能越差。 優(yōu)劣度H 的轉(zhuǎn)化式如式（1）所示。

3 基于多級可拓的橡膠支座評價(jià)方法

3.1 多級可拓概念

多級可拓評價(jià)[6]的應(yīng)用是可拓工程的重要應(yīng)用之一。 該方法利用關(guān)聯(lián)度函數(shù)計(jì)算評價(jià)對象與其等級的關(guān)聯(lián)度，從而確定其等級。 傳統(tǒng)的可擴(kuò)展評價(jià)方法采用單一因素進(jìn)行評價(jià)，使評價(jià)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性較差。 本文采用多級可擴(kuò)展方法研究橡膠支座的性能評價(jià)方法。 多級可擴(kuò)展改進(jìn)了傳統(tǒng)的可擴(kuò)展方法，將指標(biāo)權(quán)重與相關(guān)性相結(jié)合，獲得了每個指標(biāo)與上一個指標(biāo)的相關(guān)性。 最后，根據(jù)最大隸屬原則確定最終評價(jià)對象。 多級可拓評價(jià)的邏輯流程如圖8 所示。

圖8 多級可拓評價(jià)邏輯流程

3.2 基于層次分析法的權(quán)重確定方法

為了更好地確定各個指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，采用層次分析法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，層次分析法[7]是用一定的主觀判斷量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，通過建立相同的指標(biāo)兩兩對比的判斷矩陣來求解指標(biāo)的權(quán)值。 首先，根據(jù)長期從事公路橋梁支座可靠性評估的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，由設(shè)計(jì)專家根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對各項(xiàng)指標(biāo)的重要性進(jìn)行分級。 由于專家的經(jīng)驗(yàn)不同，可能對具體指標(biāo)的重要性有不同的看法，因此可以通過大量的研究降低專家評分方法的主觀影響，從而獲得公路橋梁支座可靠性評估的主觀偏好得分，客觀地反映各項(xiàng)指標(biāo)的準(zhǔn)確性和正確性。

一般層次分析法步驟如下：（1）根據(jù)實(shí)際工程問題，建立符合客觀實(shí)際的層次分析法模型。 根據(jù)所評價(jià)對象的實(shí)際影響因素，確定各影響因素間的關(guān)聯(lián)性與層次性，建立層次分析法模型。 （2）構(gòu)建指標(biāo)元素的判斷矩陣。 根據(jù)所有評價(jià)對象的評價(jià)集合X（xi∈X，i=1，2，3…），構(gòu)建同一層次下不同評價(jià)指標(biāo)之間的相對重要度， 并根據(jù)Saaty 等建議引用數(shù)字1～9 及其倒數(shù)作為標(biāo)度（即九標(biāo)度法）確定xij的值（表1），從而得到相關(guān)指標(biāo)集對應(yīng)的判斷矩陣A，公式如下所示。

表1 九標(biāo)度法

（3）權(quán)重計(jì)算。 層次結(jié)構(gòu)反映了因素之間的關(guān)系，但各標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)層中所占的比例不同。 對判斷矩陣A 的最大特征根對應(yīng)的特征向量進(jìn)行求解和歸一化，得到各評價(jià)指標(biāo)的相對重要性參數(shù)。 （4）一致性檢驗(yàn)。 由于判斷矩陣是通過對比同行評價(jià)指標(biāo)得到的，這就涉及到判斷是否一致的問題，因此需要計(jì)算C.I.的一致性指標(biāo)。 當(dāng)C.I.＜0.1 時(shí)，基體一致性試驗(yàn)合格。

式（3）（4）中λmax為最大特征根，n 為矩陣階數(shù)，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.可以查表得到。

3.3 多級可拓評價(jià)流程

3.3.1 確定評價(jià)物元

假定待評估對象擁有指標(biāo)數(shù)量為n， 即C1，C2，C3，...，Cn，根據(jù)物元可擴(kuò)展性的定義，被評估對象的物元模型設(shè)置如下：

其中U 表示被評價(jià)對象所屬的評價(jià)等級；vn為指標(biāo)所允許的取值范圍。

3.3.2 確定經(jīng)典域

對待評價(jià)對象進(jìn)行了j 個等級的劃分（j=1，2，3，…，m），物元的經(jīng)典域公式為：

式中Rj表示相應(yīng)物元矩陣；Uj表示對應(yīng)評價(jià)效果；vk=＜ajn，bj＞該范圍下的取值。

3.3.3 確定節(jié)域

根據(jù)節(jié)域的定義，評價(jià)物元模型，物元的節(jié)域公式為：

式（7）中：Rp表示待評價(jià)節(jié)域；Up為所設(shè)定的全部評價(jià)等級；vpk為所對應(yīng)物元模型下的指標(biāo)取值。

3.3.4 建立關(guān)聯(lián)度函數(shù)，計(jì)算關(guān)聯(lián)度

建立基于多級可拓評價(jià)模型的關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算評價(jià)對象與物元之間的關(guān)聯(lián)度，同時(shí)考慮了主觀情緒對判斷結(jié)果的影響。 建立的避免主觀情感的關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如式（8）所示。

式（8）中ρ 表示2 個指標(biāo)接近程度，若ρ≥0，則vk不在vpk區(qū)間內(nèi)；若ρ≤0，則vk在vpk區(qū)間內(nèi)，值越大越靠近該區(qū)域。

評價(jià)物元的第k 個指標(biāo)Ck關(guān)于第j 等級的關(guān)聯(lián)度表示如下：

3.3.5 多級可拓評價(jià)

4 橡膠支座性能評價(jià)應(yīng)用

為了驗(yàn)證基于多級可拓工程的公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)方法的可行性，本文對福建某高速某一橋梁GBZJ300×400×99（CR）型橡膠支座作為實(shí)例進(jìn)行考核研究，驗(yàn)證所建立基于多級可拓工程的公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)方法的科學(xué)性和合理性。 由于目前沒有統(tǒng)一地對公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)的優(yōu)劣分級，為了對公路橋梁橡膠支座可靠性進(jìn)行評價(jià)， 將公路橋梁橡膠支座可靠性分為1～4 級，分別對應(yīng)U1、U2、U3、U4，這4 個等級分別表示公路橋梁橡膠支座可靠性的好壞。 具體性能等級分級如表2 所示。

表2 公路橋梁橡膠支座可靠性分級

定量指標(biāo)根據(jù)實(shí)際值轉(zhuǎn)化為優(yōu)劣，專家對定性指標(biāo)的考核結(jié)果進(jìn)行評分（本次測試有3 位專家）。評分分正、負(fù)兩種形式（分值為0～1，即0～100%），以專家評價(jià)得分作為本指標(biāo)的考核結(jié)果。 本文將所選取的福建某高速某一橋梁GBZJ300×400×99（CR）型橡膠支座按照本文所建立的公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)層次模型中的指標(biāo)體系中各個指標(biāo)相對應(yīng)的考核試驗(yàn)進(jìn)行一一測試， 指標(biāo)的測試值、權(quán)重值與轉(zhuǎn)換的優(yōu)劣度值如表3 所示：

表3 橡膠支座指標(biāo)考核測試值

本文將評價(jià)等級分為四類。 由于指標(biāo)的特征量是由優(yōu)劣統(tǒng)一的， 所以指標(biāo)的表現(xiàn)也可以按照這四個等級來劃分。 本文建立的指標(biāo)體系的所有指標(biāo)的特征值都是按優(yōu)劣分類，為了便于計(jì)算，將每個指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)點(diǎn)域設(shè)置為一致，實(shí)際中可能會有所不同。 C1 的經(jīng)典域與節(jié)域取值表（其他指標(biāo)與C1 相同）如表4 所示。

表4 經(jīng)典域與節(jié)域取值示例

根據(jù)多級可拓的評價(jià)模型，表2 中確定的數(shù)據(jù)值可以計(jì)算出二級指標(biāo)以及三級指標(biāo)的相關(guān)性。 通過建立相關(guān)函數(shù)，計(jì)算被評估對象與評價(jià)等級的隸屬情況，而不需要依賴于主觀判斷或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。表5顯示了可行的評價(jià)結(jié)果及相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 表6 為二次指標(biāo)和總體評價(jià)的多尺度評價(jià)結(jié)果。

表5 三級指標(biāo)可拓評價(jià)結(jié)果及相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表6 二級指標(biāo)與總體評價(jià)多級可拓評價(jià)結(jié)果

利用多級可拓評價(jià)法對公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)的各個性能進(jìn)行評價(jià)計(jì)算結(jié)果可知，通過最大隸屬原則將C1～C3 指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，從表6可以看出，每個二級性能均較為良好，該支座總體性能按照本文的優(yōu)劣等級劃分，其等級為2 級。 多級可拓法有效地解決了多指標(biāo)中出現(xiàn)評價(jià)不準(zhǔn)確以及相互干擾影響評價(jià)不可靠等問題。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了較為全面的公路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)體系，不僅給出了各種評價(jià)指標(biāo)和相關(guān)依據(jù)，還使本文所建立的路橋梁橡膠支座可靠性評價(jià)指標(biāo)體系更加貼合工程實(shí)際。 針對傳統(tǒng)分析法在指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方面存在客觀上主觀性較強(qiáng)的影響，為避免單一因素評價(jià)造成評價(jià)準(zhǔn)確性降低，建立了基于多級可拓工程的公路橋梁支座可靠性評價(jià)方法，使評價(jià)結(jié)果更加客觀合理， 并結(jié)合工程實(shí)際計(jì)算，驗(yàn)證了該方法的有效性與可行性。