因地制宜，选择最佳桥型——基于适应性评价的公路桥梁选型研究

　　文/刘士林 姚晓飞 牛宏
　　        改革开放30年来，伴随着我国交通事业的飞速发展，桥梁建设取得了举世瞩目的成就。但是，在桥梁建设快速发展的同时，公路桥梁在桥型选择方面还存在以下突出问题。
　　      一是桥梁选型方法大多是根据调查分析与估算, 列出待选方案的技术、经济等指标， 为管理部门或业主提供取舍的参考。此法主观因素较大；
　　      二是桥型选择过分追求长、大、新、奇、特，桥梁建设经济性原则越来越被忽视;
　　      三是特殊地理、特殊环境条件下桥型适应性不足，导致耐久性较差；
　　       四是桥型对极端或突发情况（堵车、交通事故）适应性不足，导致存在安全隐患。
　　       桥型选择涉及桥梁结构的安全性能、适用性能、经济性能、耐久性能、美观性能和环保性能等，对能否达到预期目标和投资控制都有较大影响，其重要性是不言而喻的。因此，开展公路桥梁适应性桥型及选择研究十分必要。

　　
　　国内外研究桥型适应性概览及局限
　　
　　       目前对公路既有桥梁的后评价主要集中在可靠性（安全性、适用性和耐久性）等力学性能和质量状况方面，对既有桥型进行适应性评价（后评价）的研究几乎没有。
　　       在适应性桥型选择研究方面，陈爱萍[1]通过对我国小城镇桥梁的桥型研究、选型因素分析、病害分析等，提出适合我国小城镇的典型桥梁，以达到减少当前中小跨径桥梁常见的一些病害，提高小城镇桥梁设计质量等方面的目的。研究中提出的桥型适应性受到地域差异、经济、功能、安全、景观和环保等因素的影响，可为桥型选择提供可靠依据，是相对养护规范中更为广义的桥型适应性。
　　        川藏南线海竹段公路指挥部结合318国道改造项目进行了“西部山区公路适用性中小桥型研究”[2]，针对山区地方材料和地质水文资料以及离城镇比较远的具体情况，研究确定中小桥的桥型，选择最佳施工方案，合理地将地方材料利用到中小桥上，降低工程投资。
　　       国外，日本建立了基于经济性、行车舒适性以及景观美学的桥型选择系统，由环境条件及建设条件输入，系统生成桥型，再对生成的桥型进行评价比较，从而获得桥型方案。在此桥型选择系统的基础上，Yoshito Itoh教授引入环境影响因素，对桥型选择进行研究。国外其他机构也做了相关研究工作，但大部分工作都基于对某一座特定桥梁的桥型方案选择的研究，具有一定的局限性。
　　       在桥型选择技术研究方面，孙吉书、王宇亮、王会利多位学者[3,4,5]采用模糊数学理论，建立模糊综合评判模型，将桥梁美学、施工难度等定性指标用隶属度和权重来合理定量化，实现定量化的综合分析，最终得到最佳桥型方案。陈英等[6]提出用综合评价法进行桥型选择，其实质是按重要性加权评分法，分为确定项目、确定项目的相对重要性值、确定项目效果值标准、综合评价等四个步骤。马士宾等[7]引入突变优选理论在选择桥型方案中的应用，根据突变理论，建立桥型方案突变模型，通过对评价目标进行多层次分解，根据突变论归一公式进行量化递归运算，分别计算出不同桥型方案总突变隶属函数值，从而实现对桥型方案的分析与评判。姜忻良等[8]建立了公路桥型选择综合评价指标体系模型，根据桥梁性质及使用要求来确定综合评价各指标的权重，结合专家打分评价方法，得出各个备选方案比较合理的分值，最终确定合理的桥梁结构型式。黎立新等[9]以经济技术指标为主要依据，分别对不同上部结构型式、不同标准跨径的桥型方案进行比选。此外，白小、陈良江、余凤翔、廖新辉[10-13]等对高速铁路中小跨径桥梁、城市高架桥、高速跨线桥的选型进行了探讨或研究。
　　       总之，国内外研究机构和学者做了很多的工作，但大部分工作都集中在某一特定型式前期概念设计、具体设计原则和数学模型的建立上，数学模型中的各种权重、参数也没有明确的界定或者实际数据支撑。在桥型选择方面，没有全国范围内具有普遍意义的研究成果；对影响桥型适应性因素研究不够深入，缺乏系统性评价方法，主观性较强，难以准确地评价桥型的适应性。

拓宽思路 创建体系

0 ]  j: p& x5 c' B( I( o建立桥梁选型综合评价体系

) k/ P' }3 Z: `0 q( g,        针对目前存在的问题和研究现状，研究基于适应性评价（后评价）的桥型选择方法，建立桥梁选型综合评价体系可能是一种比较理想的思路。项海帆院士指出21世纪的桥梁应当满足“安全、适用、经济、美观、耐久和环保”6项基本原则[14]，本文基于此6项原则采用层次分析法建立桥梁选型综合评价体系。为了确定各个准则层、指标层和参数的合理性和可行性，并且使其具有代表性，制定了详细的调研大纲。根据全国环境分类，选择了福建、浙江、四川、云南、新疆、辽宁等地区进行了公路桥梁适应性桥型调研。以专家问卷调查的方式对提出的桥梁选型综合评价体系准则层的建立、各个准则层之间的重要性按照层次分析法进行了选取、优化和排序。同时，对各种桥型的合理跨径、推荐施工方法、特殊地质地形适宜桥型、后期养管、耐久状况、抗震性能及改进措施等进行了专家调查，然后作为后续桥型选择参考依据。如图1所示
         在图1综合评价指标体系中，B级和C级为一二级准则层，一级准则层6项，二级准则层15项。D级为三级指标层，共37项。各个准则层和指标层的含义如下：
        （1）安全性
8 I1 X: `  e3 {/ P/ [* W" l        ①受力安全性，主要指桥型跨越能力的合理性、体系内部构件传力的明确性、体系刚度搭配的均衡性以及合理的技术难度。
# }; w7 l: h% ]) |0 O. k- F        具体表现在：
. e9 ~" E9 ~# r2 |* e        梁桥跨径、边中跨比、构件形式、墩梁连接形式、梁高与中跨比、墩高和中跨比、墩梁刚度比等结构参数的合理性；
拱桥跨径、矢跨比、拱轴系数、构件形式、边界约束、拱自身连接条件、拱梁连接形式、拱肋（圈）高跨比、拱肋（圈）宽跨比、吊杆或立柱间距、拱梁刚度分配等结构参数的合理性；
4 b7 ~" v6 `" {) |) M# `' C        斜拉桥跨径、边中跨比、塔高与中跨比、梁高与中跨比、拉索倾角、宽跨比、索距、构件形式、边界约束、塔梁墩连接形式、塔梁刚度分配等结构参数的合理性；
( y. e( Z( T; B1 i1 ?% |       悬索桥跨径、主缆矢跨比、边中跨比、塔高与中跨比、梁高与中跨比、梁宽与中跨比、吊杆间距、构件形式、主缆锚固、塔梁墩连接形式、主塔刚度等结构参数的合理性。
, e* ?& v1 s7 y& |       新、奇、特桥型尤其应具有合理的跨越能力、明确的体系内部构件传力以及均衡的体系刚度搭配，同时采用的新理论、新方法、新材料等应具有合理的技术难度。
        ②抗风险能力，主要指桥型应具有抵御一般自然灾害（风、地震）、人为灾害（船或车辆撞击、火灾等），以及其他偶发或极端灾害（洪水、泥石流、滑坡等）的能力。
        ③施工安全性，主要指桥型带来的施工技术难度和施工风险应具有合理性，确保桥梁施工安全，避免结构和构件损伤或倒塌。- v. j/ }- Z& N( ]
        （2）适用性;
          ①自然环境适用，主要指桥位布置、分孔布局和结构型式以及所采用的施工方法，应该满足桥位条件，包括地质、地形、水文以及气候等周围环境因素的要求和限制。
          ②使用功能适用，主要指是否满足桥面交通、桥下通航、航空界限以及行车舒适，振动小等要求。
2 W' s/ D% u# i5 N        （3）经济性
          ①建设费用指桥梁建设工程量及总造价，主要通过单位材料用量进行比较或评判。
, y1 }: J: Y, M, j* z         ②后期养护费用指各类桥型日常维护、检测和加固等的费用，主要根据各桥型维修养护频率和各省养护维修加固定额进行比较或评判。
$ ~3 Z1 N' r8 v! T. w        （4）耐久性
          ①材料耐久指混凝土、钢等主要材料本身应具有良好的耐久能力，满足外部环境要求。一般通过统计分析桥址区混凝土耐久性指标优劣和钢结构锈蚀状况来进行比较或评判。
          ②构件耐久性，主要指构件的易损性和其重要程度。一般通过调查分析主梁、支座、伸缩缝、横向连接、吊杆、桥面铺装等的损伤程度、更换、维修频率进行比较或评判。
: m5 t, @1 O/ J: C5 D0 R         ③体系耐久主要指结构方案是否具有良好的整体性、冗余性。
4 r3 z4 [* H3 q9 F! O& d/ h" q         ④可检修可更换性，主要指损伤构件尤其是重要的易损构件是否能够及时检查，及时维修、加固、更换。
         （5）美观性
. a. I( K$ N/ A1 Q         ①桥梁本身外形是指桥梁各个构件体量平衡、比例协调、造型美观
          ②与周围环境的协调程度指桥梁与周围景观包括线形、颜色、高度、比例的协调。
        （6）环保性
* s0 V. p% M4 k) m. p         ①材料环保，主要指建设期材料的生产、加工是否能最大减少碳排放，节约能源，服役结束后的拆除，材料的处理是否环保，是否可再利用。
          ②环境扰动最小，主要指所采取的施工方法、施工工期，特别是下部结构类型和施工工艺，尽可能地减少环境扰动

桥型选择方法

        在此模型的基础上，公路桥梁的选型包含两部分内容：
) h1 h3 Y1 j# s       首先，对桥梁所在地的既有桥梁按照模型进行适应性评价。经过认真的调查分析，收集资料，确定各种既有桥型准则层和指标的好坏、大小，明确各种典型桥型的优劣，尤其是典型区域气候、环境湿度、温度、海洋、腐蚀性、特殊地质地形等，对各主要桥型结构安全性、适用性、耐久性、后期养管的影响程度，以及对不同桥型影响程度的差异性。
        其次，参照既有桥型评价结果，对即将建设的桥型进行适应性选择。首先明确新建桥梁的建设环境要求，根据实际情况确定一级准则层的权重，修正三级指标层的指标内容，然后按照权重和指标层的优劣，对桥型的安全性、经济性、耐久性、适用性、环保性以及美观性等，从三级指标开始进行分级评价、打分，然后逐层递推，综合得出桥型选择结果。
        在对桥位区既有桥梁进行适应性评价时，部分指标如C3施工安全并不需要参与评价；部分指标如C6建设费用已确定，但通过C7后期养护费用的调查统计及评价，可以明确C6建设费用中是否考虑可检查、可养护等，对后期养护的影响程度，供新桥梁选型评价时参考。 v3 U- A3 ~  f) D" d* P7 h6 j# d
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体系中权重的确定和指标量化

         准则层和指标层按照层次分析法由专家根据相互重要度进行排序然后归一化处理，获得相应权重。当一级准则层的某项如环保、美观等要求较高时，可适当调整相应权重。二级准则层的权重比较固定，不随环境、使用要求等改变。因为三级指标中一些指标可能在具体的环境中并不存在，如D4抗风、D6防车船撞、D10水文、D14桥下通航、D15航空界限等，三级指标层的权重有些需要根据实际情况进行增删调整，然后进行排序和归一化处理。因此，此选型评价综合体系是开放的，可根据实际情况动态变化。
         指标层各项指标一般分为优、良、好、一般、差或者大、较大、一般、小、较小等五级。然后采用模糊数学等数学方法，参考专家调查结果，将定性结果进行量化，使不同桥型之间具有可比性。层次分析法和模糊数学的计算和量化过程可参考文献[8。
         针对公路桥梁桥型和选型现状，建立基于适应性评价（后评价）的公路桥梁桥型选择综合评价指标体系, 对公路桥梁方案优选工作具有指导意义，特别是将环境作用、荷载作用、后期养管对既有桥型的影响作为后来桥型选择的参考指标，能够有效降低主观臆断产生误差, 增强桥梁选型决策的科学性和合理性。但是，桥梁选型综合指标体系权重的确定和指标评判以及数学方法的可操作性，是否容易被广大桥梁设计人员理解和接受，仍然值得进一步研究。
参考文献：
[1] 陈爱萍. 小城镇适应性典型桥型研究[D]长安大学，2006.
- x- w8 x8 F4 R/ e/ N3 o: }* G" U[2] 西部山区公路适用性中小桥型研究[R]地方交通科技项目,2006.9
[3] 孙吉书,杨春风,艾忠华. 模糊综合评价方法在桥型多方案选择中的应用[J]河北工业大学学报2009（4）：99-102.  
[4] 王宇亮,刘智慧. 基于模糊数学理论的桥型方案比选模型[J]工程设计与建设, 37(1).
, T& o- E7 M; {! ?! n" c8 |& \[5] 王会利,李海滨,黄才良,石磊.两级模糊优选模型及非结构性模糊决策理论在桥梁方案比选中应用[J]公路交通科技，2004年7月.
( S/ s* L) Y8 L  k[6] 陈英,李治龙,田丽荣. 用综合评价法进行桥梁选型[J] 黑龙江交通科技,2000(6):42-43。
[7] 马士宾,王选仓,魏连雨,崔洪军. 突变优选理论在选择桥型方案中的应用[J]公路交通科技2007（10）：68-71.
[8] 姜忻良,王丙兴,窦远明,孙立山. 综合评价指标体系在桥梁选型中的应用研究[J]土木工程学报2009（7）：65-68.
) J8 w) I7 S8 p: Y; d[9] 黎立新,何智勇,尚峰.山区高速公路常规桥梁选型设计[J]公路，2005（8）.
[10] 白小.京沪高速铁路中小跨度桥梁结构选型探讨[J]桥梁，2002（3）.
. ^' r& F4 K7 e- u, n1 m& q; h[11] 陈良江.京沪高速铁路常用跨度桥梁的技术特征及选型探讨[J]桥梁，2003（8）:15-18.
[12] 余凤翔.城市轨道交通高架桥的选型[J]桥梁建设，2001（2）：41-44.
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[14] 项海帆等.桥梁概念设计[M]人民交通出版社，2011.
　

啥玩意啊 也往上整！真没羞没臊！

斜拉桥的主塔不宜太高，连续梁又失新颖，建议做部分斜拉桥