基于区间层次分析的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道开裂状况评估
Evaluation of cracking condition for CRTS Ⅲ prefabricated slab track based on interval analytic hierarchy process
收稿日期: 2021-02-10
基金资助: |
|
Received: 2021-02-10
Fund supported: | 国家重点研发计划资助项目(2021YFF0502100);国家自然科学基金资助项目(52022085);四川省青年科技创新研究团队项目(22CXTD0051) |
作者简介 About authors
任娟娟(1983—),女,教授,博士,从事高速重载轨道结构力学与轨道动力学研究.orcid.org/0000-0003-4104-7385.E-mail:
为了实现对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道开裂的伤损管理,提出针对多条不同开裂形式裂缝的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道开裂状况评价指标和计算方法. 通过专家咨询获取437份有效调查问卷,采用德尔菲法和区间层次分析建立结构层次以确定各参数的权重,并将所提评估方法应用于工程实例. 结果表明:与层次分析法相比,结合德尔菲法和区间层次分析求取的参数权重更具客观性;工程实例中的开裂状况评价指标CCI为75.30分,评估方法的合理性得以验证,工程实例计算结果表明所提评估方法能够定量分析无砟道床的开裂严重程度.
关键词:
The slab track cracking condition index for CRTS Ⅲ prefabricated slab track and the calculation methods were proposed to realize the cracking management, and aiming at the multi-cracks in a variety of cracking forms 437 valid questionnaires were obtained through expert consultation, and the Delphi method and interval analytic hierarchy process were used to establish the structural hierarchy to determine the weight of each parameter. After that the evaluation method proposed was applied based on engineering examples. Results show that the weights of parameters obtained by the comprehensive method combining the Delphi method and the interval analytic hierarchy process are more objective, compared with only using analytic hierarchy process. Furthermore, the slab track cracking condition index CCI was 75.30 points in the engineering example, which verified the rationality of the evaluation method. In short, the calculation results of the engineering example show that the evaluation method proposed can quantitatively analyze the cracking severity of the slab bed.
Keywords:
本文引用格式
任娟娟, 刘宽, 王伟华, 张颖, 杨轲昕, 刘明明.
REN Juan-juan, LIU Kuan, WANG Wei-hua, ZHANG Ying, YANG Ke-xin, LIU Ming-ming.
统计数据显示,2020年底我国高速铁路运营里程已突破37 900 km. 随着高速铁路列车速度提升、轴重提高、行车密度增大,同时受到列车动荷载、温度荷载和水压力等[1-4]的作用,削弱了无砟道床的耐久性和使用寿命,导致无砟道床质量状态不断恶化,出现各种开裂伤损。德国和日本发展无砟轨道时间较长,经验相对丰富. 以德国旭普林、雷达为代表的连续双块式无砟轨道十分重视温度裂缝[5-6]对轨道结构的影响,在文献[7]中对裂缝和配筋均进行了相关规定和要求. 近年来随着大量铺设CRTS Ⅲ型板式无砟轨道高铁的开通运营,我国相关部门也在修订和完善CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的维修细则. 但其中提出的指标往往针对单个损伤类型,对损伤指标的评估也仅为定性分析。我国目前在无砟轨道伤损评估方面存在的不足,可以借鉴我国对公路和桥涵的质量状态评估方法进行完善. 通过文献[8]-[10]能对公路的质量状态进行定性且定量的评估. 李姝等[11-13]在参考以上规范的基础上提出对公路沥青路面基层状况和路面使用性能的评价指标,过程中使用的统计学方法、层次分析法[14]都是有效的求取指标权重的方式.
在无砟道床的开裂研究方面,Lin等[15]基于车轨耦合动力学理论分析含裂缝无砟轨道的动力响应,结果表明当无砟道床产生裂缝时,对无砟道床结构本身影响显著;Zhu等[16-18]对含横向裂缝的无砟轨道分别进行应力强度因子评估、时频分析和裂纹扩展研究;Kwon等[19]开展RC板式轨道的裂缝与TQI的相关性分析,指出在现有无砟轨道质量评定方法的基础上增补一项考虑裂缝影响的评估指标;Tong等[20]对含冻胀裂缝的无砟轨道进行试验与理论研究,分析冻胀裂缝的扩展规律;Chen等[21]探讨纵向耦合预制轨道板的裂缝状态对轨道稳定性的影响。无砟道床开裂的研究一般针对单条裂缝,且普遍为单一形式的横向裂缝. 在无砟道床裂缝损伤评定方面国内外的维修规则均仅有对单一裂缝宽度超限的规定,缺乏对在开裂宽度未超限但裂缝数量较多情况下的伤损评估规定. 为了实现对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的伤损管理,本研究针对道床上存在多条不同开裂形式的裂缝情况提出新的评估指标和方法,借助德尔菲法和区间层次分析得到能定量分析和评估无砟道床开裂严重程度的指标,以期更科学合理地指导线路养护维修.
1. 评价单元选取及裂缝分类
为了使提出的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道开裂状况评价指标具有合理性,应明确评价单元(评定无砟道床开裂状况的最小路段长度)[8]的划分规定,并开展对无砟道床裂缝形式的调研,以便于对无砟轨道的开裂状态进行规范的单元化管理来指导维修保养.
1.1. CRTS Ⅲ型板式无砟轨道评价单元的选取
CRTS Ⅲ型板式无砟轨道从上至下由钢轨、扣件系统、轨道板、自密实混凝土层和底座板构成[22]. 其无砟道床包括轨道板、自密实混凝土填充层和底座(含隔离层).
由于CRTS Ⅲ板式无砟轨道在路基、桥梁、隧道地段的构造存在差异,本研究选取单块P5600型轨道板所对应的CRTS Ⅲ板式无砟轨道长度作为评价单元,如图1所示. 各构件的表面积分别为轨道板17.24 m2、自密实混凝土层1.458 m2、底座板4.52 m2,整个无砟道床的表面积为23.218 m2.
图 1
图 1 CRTS Ⅲ 板式无砟轨道检测与评价单元的三视图
Fig.1 Three views of CRTS Ⅲ prefabricated slab track detection and evaluation unit
1.2. 无砟道床表面裂缝分类
图 2
图 2 CRTS Ⅲ板式无砟轨道开裂状况示意图
Fig.2 Schematic diagram of cracking of CRTS Ⅲ slab track
2. 开裂状况指标计算方法
无砟道床可同时产生多种类型的裂缝,各种裂缝的分布位置、数量、宽度等都有所差异,本研究为了定量分析无砟道床表面的开裂状况,提出新的能更合理地评价无砟道床开裂状况的指标:无砟道床开裂状况指数(ballastless track cracking condition index, CCI) 受限于无砟道床表面裂缝的检测手段,所提开裂指标和评估方法仅考虑裂缝在长度和宽度范围的形式,不考虑开裂深度的影响.
选取单块轨道板长度所对应的整个无砟道床结构作为评价单元,约定满分为100分,每出现一种开裂形式的裂缝,则扣除相应的分数,最后得分即为所评价的单元无砟道床的开裂状况指数. 评价过程中,采用“先分部再综合”的办法进行[10],即先分别对轨道板、自密实混凝土层、底座板的开裂状况进行评价,再根据各自所占权重,计算出整个无砟道床结构的开裂状况指数. 这样不仅能系统地对无砟轨道结构不同部件进行开裂状况评估并分类记录,也能对一定区域内整个无砟道床的开裂状况进行评定.
开裂状况指数的计算式为
式中:i的数值表示3类部件,
轨道板、自密实混凝土层、底座板的单项开裂状况指数CCI计算式为
式中:CR(cracking rate)为无砟道床表面开裂率,被称为检测指标;
所提开裂状况评估指标和方法仅为针对无砟道床各部件的裂缝损伤的评估,离缝、脱空的层间损伤和混凝土剥落掉块的伤损不在本研究的考虑范围之内.
评定标准采用评分扣分制[8],将评价得分的技术等级分为5个级别:90~100分为优,80~89分为良,70~79分为中,60~69分为次,低于60分为差,并给出相应的维修建议. 维修建议针对单个评价单元内的整个无砟道床结构给出. 1)“优”对应“无须修复”:无砟道床表面状态较好,没有或有极少裂缝,基本不会影响无砟道床整体性能,短期内不需要修复;2)“良”对应“功能性修复”:无砟道床表面状态一般,有少量裂缝出现,对无砟道床整体性能有少许影响,应根据具体裂缝进行功能性修复;3)“中”对应“临时补修”:无砟道床表面状态中等,有较多数量的裂缝或裂缝开裂程度较明显,对无砟道床的耐久性有一定的削弱,应根据具体情况对裂缝开展结构性修复;4)“次”对应“经常保养”:无砟道床质量状态不良,有较大数量或较大面积的裂缝、裂缝开裂程度较大,应进行有计划、有重点的经常性养护;5)“差”对应“综合维修”:无砟道床质量状态较差,对无砟轨道的承载性和耐久性有极大削弱,应按周期有计划地进行全面综合性维修.
3. 开裂状况指标权重的计算方法
开裂状况指标计算方法中各权重的合理取值是保证此评估方法具有合理性的关键. 高速铁路无砟道床的开裂问题复杂,加上CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的应用时间还较短,开裂损伤问题很难用数值模拟的方式进行量化分析,因此较实用的分析无砟道床开裂的方法是通过建立专家库,利用专家们的工程经验和知识对开裂状况指标权重进行分析. 本研究采用基于德尔菲法(Delphi method)和区间层次分析(interval analytic hierarchy process,IAHP)的综合分析方法求取CRTS Ⅲ型板式无砟道床各项指标的权重.
3.1. 基于层次分析的指标层次结构建立
层次分析先将问题分解为不同的组成因素,再以因素间相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合,最后形成多层次的分析结构模型。层次结构一般分为3层,将其对应于无砟道床开裂状况,如图3所示. 其中A为无砟道床开裂状况层;B1、B2、B3分别为轨道板开裂层、自密实混凝土开裂层、底座板开裂层;C1、C2、C3、C4、C5、C6分别为横向裂缝、纵向裂缝、竖向裂缝、龟裂、块状裂缝和贯通裂缝.
图 3
图 3 基于区间层次分析法的无砟道床开裂状况的结构层次
Fig.3 Structural hierarchy of slab track cracking condition based on IAHP
在准则层、方案层中分别构造区间型判断矩阵B=(bij)3×3,CT=CB=(cij)6×6和CS=(cij)4×4. B为准则层B1、B2、B3相较于目标层A的判断矩阵;CT、CS分别为方案层C1、C2、C3、C4、C5、C6相较于准则层B1、B3的判断矩阵;CS为方案层C1、C2、C3、C6相较于准则层B2的判断矩阵.
以B=(bij)3×3为例,
对于区间型判断矩阵C=(cij)6×6,也类似满足上述条件,其中
3.2. 基于德尔菲法的判断矩阵构造
为了获取上述区间型判断矩阵引入德尔菲法,采用专家评价和定权的方式确定判断矩阵中各元素的数值. 专家在科研项目评估中的作用是不可替代的,评估结果的科学性、准确性一定程度上依赖于专家在评估中作用的发挥. 专家评估结果与专家本身的能力与素质密切相关,同时也受评估指标、评估方法及专家权重设计的影响.
为了保证判断矩阵和求得权重的科学合理性,采用制作调查问卷的方式,于2020年11月16日至12月7日通过微信和邮箱等方式将调查问卷发送给高速铁路无砟轨道研究领域的专家学者,通过专家咨询全面、广泛地收集各种不同身份、不同工作单位的研究人员对无砟道床裂缝的评价,再通过合理的数学模型将德尔菲法的调查结果转化为IAHP中的有效数据,以求得合理的指标权重.
专家调查共计获得437份有效问卷,其中科研院所11份、铁路局98份、高等院校226份、施工单位31份、设计院48份、其他单位23份. 在被调查者群体中,具有博士学位者98人;有博士在读人员21人;有硕士学位获得者83人;硕士在读100人;有本科学位者120人及其他学历15人. 此外,被调查者中包含80名教授或副教授,64名高级工程师或副高级工程师,93名工程师;20名讲师及其他职称180名.
采用指标测评法,将专家工作单位、学历、职称、工作年限、是否了解无砟道床裂缝损伤共5个条件作为测评指标,给专家评分Pi(i=1,···,5),如P1为专家工作单位分值,其他依次类推。给测评指标赋予相应的权重Qi(i=1,···,5),如Q1为给专家工作单位赋予的权重,其他依次类推。
式中:
3.3. 德尔菲法处理结果向区间层次分析的转化
所涉及的问题专业性较强,较难简单向调查者叙述清楚内容,设计内容要满足效率原则,即在保证获得同样信息的前提下,选择最简捷的询问方式,因此在执行专家调查时以图、表为主,文字为辅的方法进行说明. 在专家进行针对6种不同形式裂缝对无砟道床的影响严重程度评价时,评价结果选用文字描述为“无明显影响”“有较小影响”“有明显影响”“有严重影响”“有极大影响”这5种. 为了将德尔菲法中获取的专家调查结果引入IAHP中,在转化过程中采用数值打分的概念,5种评价结果对应分值分别为1、3、5、7、9.
针对每位专家的打分结果采取加权平均的方法进行处理,得出综合评价结果. 计算公式为
式中:
专家的数量和职业分布直接影响评价结果。高校研究者可能偏向于理论研究成果,设计院、铁路局的专家可能偏向于实际工程经验,当专家数量不足或职业分布时则可能影响式(4)、(5)的计算结果,继而影响最后的评估结果. 本次专家调查的问卷数量充足,专家的职业分布较全面,能保证调查结果的客观性.
用式(4)、(5)对437份调查问卷进行数值转化,分别计算6类裂缝损伤对无砟道床的影响程度评分结果、3个部件的重要程度评分结果(保留小数点后两位):横向裂缝,纵向裂缝,竖向裂缝,龟裂,块状裂缝,贯通裂缝;轨道板VT=2.35,自密实混凝土层VS=1.98,底座板VB=1.67.
借助IAHP中的1~9比例标度法处理评价分数,根据评分结果的差值和比例关系,可求得区间型判断矩阵分别为
3.4. 无砟道床开裂指标权重求解
进行一致性检验,使所构造的区间型判断矩阵得到合理的权重. 考虑到现实问题中的大多数判断矩阵都不满足完全一致性条件,基于下述定理选用条件稍弱的满意一致性检验方法[32],此种方法具有较强的可操作性能够编程实现,具有现实意义.
定理 区间型判断矩阵
运用该定理对判断矩阵进行一致性检验,结果显示矩阵满足一致性要求.
通过一致性检验后,对判断矩阵进行权重求解,步骤如下.
1) 将B看作2个矩阵.
2) 分别求出
3) 得到B对应的权重[31]为
同理计算CT、CS、CB,得到
根据实际工程和计算需要,对各项权重取定值以方便计算。取轨道板、自密实混凝土层、底座板的权重分别为0.70、0.21、0.09,6种裂缝的权重取值明细如表1所示.
表 1 3类部件表面6种形式裂缝的权重明细
Tab.1
| 裂缝名称 | WcT、WcB | WqS |
1 | 横向裂缝 | 0.09 | 0.095 |
2 | 纵向裂缝 | 0.09 | 0.095 |
3 | 竖向裂缝 | 0.18 | 0.18 |
4 | 龟裂 | 0.04 | — |
5 | 块状裂缝 | 0.08 | — |
6 | 贯通裂缝 | 0.52 | 0.63 |
根据
4. 开裂状况指标实例求解
根据实际检测区段,计算各部件表面检测面积及对应各类裂缝开裂面积S如表2所示.
表 2 各部件及损伤表面检测面积
Tab.2
开裂层 | S/m2 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 |
B1 | 17.24 | 468 | 445 | 64 | 150 | 550 | 580 |
B2 | 1.458 | 0 | 0 | 55 | 0 | 0 | 0 |
B3 | 4.52 | 0 | 0 | 48 | 0 | 0 | 360 |
表 3 各部件CR及CCI计算结果
Tab.3
开裂层 | | | |
B1 | | 69.51 | 75.30 |
B2 | | 92.30 | |
B3 | | 80.62 |
5. 结 论
(1)提出CRTS Ⅲ型板式无砟轨道开裂状况的评价指标CCI,并给出具体的计算方法.
(2)采用德尔菲法获取的437份专家调查问卷能充分集中专家在实际工程方面的经验与意见,使得结合德尔菲法和区间层次分析法的综合求权方式求取的权重更具客观性.
(3)将评估方法应用到工程实例中,得到开裂状况评价指标CCI为75.30分,检验提出的开裂状况指标评估方法的合理性.
(4)根据工程实际提出的评估方法和维修建议具有重要的参考和实用价值,能实现对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道开裂伤损的科学管理以便更合理地指导线路养护维修.
(5)所提评估方法是对现行裂缝损伤评定方法的改进,具有一定的探索性,初步提出的6种裂缝形式和计算所得的权重取值会受到主观因素影响,并且CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的运营时间还不够长,维修经验还不够充分,因此权重的取值还需要依据对无砟轨道开裂伤损的长期监测和检测的统计数据和权威专家的建议进行修订和完善.
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