赋予拱桥新生——拱桥原桥位拆除重建判定模型研究与关键技术

20世纪60～90年代，国内建造了数量众多的双曲拱桥和桁式组合拱桥，基于当时的技术经济条件，按照经济、尽量使用地材的设计原则而建。时至今日，桥梁设计的荷载标准更新了两个版本，交通量也突飞猛进地增长，大量的桥梁，尤其是2000年以前建设的桥梁，即使是通过适当的加固和改造，也难以满足正常运营要求。同时国省干道提级改造的需求，使得桥址资源日趋紧张；面对数量增多的危桥，需要综合考虑技术、经济、社会等方面的需求或因素，但现行技术标准，针对混凝土拱桥加固或拆除决策主要基于桥梁技术状况和专家评定，决策因素相对单一，如何科学地决策，需要开展相关的研究。

层次分析法和模糊理论在资源分配、生产决策、信息系统、环境评价等方面得到广泛应用，但存在指标权重求解过程繁琐，无法对指标体系中的各指标进行定权和变权的问题。当前，粗糙集理论在信息获取、人工智能、安全评价、决策分析等领域应用广泛，是解决模糊关系和不确定性问题的数学工具。本文基于粗糙集理论，建立混凝土拱桥加固或拆除方案综合判定模型，将其应用于贵州省花鱼洞大桥的加固或拆除方案评定中，验证了综合判定模型的可行性。

灰色系统理论：具有所需样本数据少、不需要计算统计特征量等优点，但其预测公式存在缺陷，会产生理论误差，使预测变得繁杂而不可靠。

模糊理论：能妥善处理难以量化的模糊问题，解决各种不确定性问题，方法本身不能对指标进行赋权。

层次分析法：使用面广，理论成熟可靠，但是赋权过程由专家主观决定产生，指标数量多时，处理过程较繁琐，只能获得定权指标，无法获得变权指标。

粗糙集理论主要思想是：在保持分类能力不变的前提下，利用知识约简技术，推导问题的分类规则或进行决策。将其运用到方案判定的具体使用过程，将指标按照所属领域进行分类，采用知识约简技术去除冗杂指标；利用属性依赖度进行指标赋权，结合模糊矩阵求得判定结果。面对指标数量庞大的指标体系，粗糙集理论能剔除数据系统中的冗余信息。使用属性依赖度对指标进行赋权，不需要任何主观参与手段，且所获权重为变权。不同方案基于差别矩阵约简后所获指标体系均不相同，更加契合实际需求。粗糙集理论在处理信息时，可以避免数据处理中人为因素的影响，可反映信息的内在联系。

图1 判定方法对比分析

与传统方法相比，粗糙集理论建立的判定模型只需要进行一次主观决策，针对不同方案，约简后指标体系不同，且指标权重为变权。

科学性：指标的选取以政策方针、规范标准及科学思想为指导，以事实为依据。

全面性：构建的指标体系能全面涵盖并体现方案实施过程中各类具有实质影响的因素。

可行性：指标体系中的指标量值可行并可获取，判定得出的方案易于被采纳。

稳定性：建立的指标体系能够达到稳定的基本要求，并且拥有可以进行定量的取值表。

可比性：指标体系属同一层的指标具备可比性原则。

图2 混凝土拱桥加固、拆除评判指标体系

建立判定模型，主要有以下步骤：

1.建立判定指标表；

2.指标体系约简：根据判定指标表，构建差别矩阵，利用差别矩阵属性约简算法，进行指标体系约简；

3.指标赋权：利用属性依赖度，求解约简后各指标重要度，将重要度非零指标进行归一化处理，从而得到指标权重；

4.综合判定计算：统计最终得到的各指标判定为各等级的次数，建立模糊判定矩阵，结合指标权重向量与模糊判定矩阵，获得判定结果。

项目依托工程花鱼洞大桥位于国道G320清镇境内，跨越红枫湖，桥梁全长290m。全桥孔跨布置为5×15m+150m+4×15m，主跨为150m预应力混凝土桁式组合拱桥。

图3 原花鱼洞大桥

项目关键点：1)桥梁病害严重，需要考虑加固或进行拆除重建；2)需要利用桥位资源进行原桥位重建，考虑对桥台进行再利用；3)桥址处位于红枫湖风景区和一级水源保护区，环保要求高。

一、建立花鱼洞大桥加固或拆除判定指标体系

从行业主管部门、设计、施工、管养、科研等单位，邀请10位专家对花鱼洞大桥进行指标等级判定，结果如表1所示。

表1 花鱼洞大桥加固或拆除评判指标表

二、利用属性约简构建整理确立指标体系

约简指标体系，即c'={c ₃ ,c 7 ,c 8 ,c 9 ,c 10 ,c 13 ,c 14 ,c 16 ,c 18 ,c 19 ,c 20 ,c 22 } 

三、综合判定计算

因经济类指标采用公式决策法，故分类分项进行决策：

1.技术类指标(c 3 ,c 7 ,c 8 ,c 9 ,c 10 ,c 13 ,c 14 ,c 16 )

根据最大隶属度原则，技术类指标判定等级为ν3，即技术类判定结果为差，花鱼洞大桥从技术类角度出发建议拆除重建。

2.社会类指标(c 18 ,c 19 ,c 20 )

根据最大隶属度原则，社会类指标判定等级为ν3，即社会类判定结果为差，花鱼洞大桥从社会类角度出发建议拆除重建。

3.经济类指标

因花鱼洞大桥位于一级水源保护区，水域中不允许施工，故对拆除方式、加固条件、重建桥型均有较高要求。现有三个方案：方案1为全桥加固方案，按2019年价格计算需投资1653.4万元，年使用费用641万元（包含所有者养护维修费用、使用者费用成本和社会支付成本），年收益540.1万元（包含费用节约效益、时间节约效益、减少车祸损失社会效益和所有者盈利效益）；方案2为结构部分拆除加固方案，需要投资8126.4万元；方案3为拆除重建方案，投资额9383.8万元。估算数据如表2所示，已知基准收益率i ₀ 为10%，净现值NPV≥0，内部收益率IRR≥i ₀ 。

如果将上述三个方案考虑称具有等额年效益，运用费用效益模型进行方案经济优选：方案1较方案2的费用效益更优；方案3较方案1的费用效益更优。由此可见，方案3为最优方案，即从经济类角度建议花鱼洞大桥拆除重建。

总体思路：基于对花鱼洞大桥的结构特点及悬臂拼装工艺的分析，拆除方法为“拼装逆过程”，从拱顶向两拱脚对称、倒退拆除；同时考虑原拱座状况不良，不能再利用，新建桥梁跨度需要增大，但桥面高度须保持一致，故拟定了中承式拱的方案。拆除重建桥型采用180米中承式钢管混凝土拱桥。

拆建一体化综合解决方案：老桥拆除过程结构处于悬臂状态，需要扣挂，而新建的中承式拱拱圈可以提供扣挂支点。故综合考虑以上因素，拟定了综合解决方案：搭设缆索吊机，利用旧桥作为平台拼装新拱拱肋，将老桥节段扣挂在钢拱肋上，逐段倒退拆除老桥，最后实施新桥桥面系。

结构和施工安全控制：对花鱼洞大桥拆除过程进行模拟分析，模拟拆除过程中剩余部分、新建钢管拱及扣索受力情况和位移的变化，通过拆除过程中调整扣索索力保证旧桥拆除过程中的稳定性，直至安全拆除。

一、花鱼洞大桥拆除关键技术

1.临时吊索设计：结合花鱼洞大桥构造特点和开拱要求，沿桥跨方向布置了12对临时吊索。

图4 临时吊索布置图

2.吊索索力计算：通过模拟分析，得到合理的吊索索力，确保旧桥开拱工作以及整个拆除施工的安全性。

3.双竖腹杆临时连接：在拆除阶段，为使桁架拱与桁架部分连成整体，须将双竖腹杆进行临时连接。为此，在双竖杆靠近上弦杆设置双拼工字钢，对拉32精轧螺纹钢。

图5 双竖杆临时连接装置

4.开拱装置：鉴于开拱过程轴力释放的瞬时性，为确保开拱安全，除用临时吊索控制轴力外，还设计了一个用于缓慢释放轴力的千斤顶，抑制开拱后由两端不均匀变形引起冲击的装置。

图6 拱顶开拱装置

5.开拱施工：按设定切割线先切割中箱顶底板，再切割边箱体的腹板；观察无异常情况后，进行第二次切割，切割完成后，拱顶的8台千斤顶同步回油，将拱结构轴力逐步释放至0，形成两个独立的多点悬挂的悬臂结构。

图7 开拱施工

开拱后拱顶竖向变形理论计算值为-5.6mm，实测值为-10.3mm。

1.施工过程监测从旧桥拆除和新桥重建两个方向展开

旧桥拆除过程中主要监测旧桥关键位置的结构应变、位移变形值；监测扣索索力值；同时监测旧桥拆除中新桥钢管拱的应变与位移。在桥梁拆除重建过程中，分别监测桥梁各结构过程的变形情况，拟合出施工过程中的变形曲线，掌握结构变化规律，确保施工安全。

图8

2.旧桥拆除结构计算与监测结果对比分析

图9

选取具有代表意义的吊索第一次张拉阶段、实腹段中箱2#底板对称拆除阶段、开拱切割阶段、开拱完全断开阶段、实腹段顶板及底板拆除完成阶段，共五个典型工况，进行实测挠度值与理论挠度值对比分析——

总体情况实测值比理论值偏小；理论值与实测值较吻合。拆除全过程结构变形平稳，幅度可控。

具体各工况：扣索张拉后，上弦跨中1-10左侧小10mm，右侧小7.2mm，下弦跨中2-6左侧大0.8mm，右侧大1.8mm，所有测点差值均在10mm以内，理论值与实测值吻合程度高。实腹段中箱2#底板对称拆除阶段，上弦跨中1-10左侧小21.8mm，右侧小20.7mm，下弦跨中2-6左测小12.8mm，右侧小18.8mm，除左侧1-9、1-12两个点偏小之外，差值均在20mm以内，理论值与实测值较吻合。开拱过程及以后各阶段，除个别点偏小，其余理论值与实测值差值在20mm以内。

造成以上偏差与结构各部位的构件预应力损失、混凝土的收缩徐变、杆件交叉节点处的刚度差异有关，在理论计算的结构模型中，考虑了杆件的刚度折减。对于结构因长期运营产生结构劣化的影响因素，如：混凝土的收缩徐变、预应力钢束松弛、节点刚度弱化等，可进一步深入研究。

贵州省X397县道的乌江大桥原为（62+86+62）m连续双曲拱，该桥于1972年9月建成通车，于2010年按公路-II级标准进行了加固改造；2017年定期检查后决定原桥位拆除重建。

图10

项目关键点：1）桥墩皆为水中墩且桥位处于水源保护区；2）进行保护性的拆除工作较为困难；3）对位于水中的桥墩进行再利用。

现有三个方案：方案1为全桥加固（含局部拆除）方案，按2020年价格计算需投资1915.5万元，年使用费用534万元（包含所有者养护维修费用、使用者费用成本和社会支付成本），年收益382.6万元（包含费用节约效益、时间节约效益、减少车祸损失社会效益和所有者盈利效益）；方案2为结构部分拆除加固方案，需要投资9581.6万元；方案3为拆除重建方案，投资额11916.5万元。

如果将上述三个方案考虑称具有等额年效益，运用费用效益模型进行方案经济优选：方案2较方案1的费用效益更优，方案2较方案3的费用效益更优，综上方案2为最优方案，即从经济类角度建议乌江大桥部分拆除加固，即更换加固。

1.依托实际工程所得的混凝土拱桥拆除、加固判定决策综合指标体系、拱桥既有墩台再利用方案判定指标体系可随着同类工程的开展不断完善。基于粗糙集理论建立的混凝土拱桥拆除、加固判定模型与拱桥既有墩台再利用方案判定模型，为旧桥拆建方案的决策提供了方法与依据，为旧桥拆建方案提供了新思路。

2.结合施工监测，验证了综合解决方案的合理性，为后续同类施工提供了具有示范意义的参照。

3.桁式组合拱原桥位拆除重建，新桥拱圈的吊装可利用旧桥实现快速运输安装就位；老桥拆除使用新桥钢管拱肋提供支承，完成逐段拆除，节省老桥拆除支架费用；老桥拆除使用新桥施工时的缆吊系统，节省了大型施工机械使用费；老桥拆除使用绳锯逐段切割拆除，实现拆除施工安全有序进行，减少对周围环境的影响。

4．对于桁式组合拱桥拆除全过程的理论计算和实际监测结果进行对比，分析造成偏差的影响因素。如：混凝土的收缩徐变、预应力钢束松弛、节点刚度弱化等，可采取“控制变量法+迭代法”，对实测挠度与理论挠度拟合定量分析，桥梁长期运营结构劣化的影响因素需深入研究。