國內(nèi)外橋梁技術(shù)狀況評定方法對比

孫 莉，陶 鵬

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

引言

在橋梁的養(yǎng)護(hù)管理中，基于橋梁檢查結(jié)果的技術(shù)狀況評定，是橋梁狀態(tài)評估、維修加固、工程規(guī)劃、養(yǎng)護(hù)資金分配和安全與應(yīng)急管理等工作的主要依據(jù)。目前在國內(nèi)，公路橋梁技術(shù)狀況的評定主要遵循《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011，簡稱《評定標(biāo)準(zhǔn)》）?！对u定標(biāo)準(zhǔn)》自2011 年9 月1日開始實(shí)施，經(jīng)過多年的使用，工程人員和學(xué)者們普遍反映存在問題[1-2]：（1）檢測指標(biāo)即病害的扣分順序?qū)蛄簶?gòu)件技術(shù)狀況評分的計(jì)算結(jié)果影響較大；（2）某一橋梁構(gòu)件上同時存在多種輕微病害時扣分太嚴(yán)重；（3）構(gòu)件劃分不明確；（4）部件權(quán)重不盡合理；（5）構(gòu)件類型、橋梁結(jié)構(gòu)類型不全面；（6）病害標(biāo)度評定標(biāo)準(zhǔn)不細(xì)致。

為使橋梁技術(shù)狀況評定的結(jié)果更加合理準(zhǔn)確，研究人員嘗試提出解決方案，如建議對構(gòu)件病害扣分值按從大到小進(jìn)行排列，統(tǒng)一按照從大到小的順序計(jì)算；多種輕微病害疊加時，選擇標(biāo)度大即更嚴(yán)重的一個病害進(jìn)行計(jì)算；基于病害的發(fā)展趨勢對扣分值進(jìn)行修正；通過大量的舉例說明橋梁構(gòu)件的劃分方法等?？傮w來說，目前大部分中文文獻(xiàn)所給出的建議均是在《評定標(biāo)準(zhǔn)》方法的基礎(chǔ)上，修正其中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)內(nèi)容，對保證橋梁技術(shù)狀況評定的前后延續(xù)性有意義[3]，但未跳出現(xiàn)有方法框架。

1 概述

1.1 對比分析評分方法

介紹在計(jì)算美國AASHTOWareTM 橋梁管理軟件所采用的橋梁健康指數(shù)BHI 和英國高速公路局（Highways Agency）所采用的橋梁技術(shù)狀況性能指標(biāo)PI 時橋梁部件評分的計(jì)算方法，并將它們與《評定標(biāo)準(zhǔn)》的方法進(jìn)行對比。

1.2 對比分析內(nèi)容

目前各國在進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況指標(biāo)的計(jì)算時，大部分都基于構(gòu)件層級的數(shù)據(jù)來開展[4]。但各國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或手冊對橋梁構(gòu)件的定義不盡相同。《評定標(biāo)準(zhǔn)》定義橋梁構(gòu)件為組成橋梁結(jié)構(gòu)的最小單元，如一片梁、一個橋墩；而橋梁部件指結(jié)構(gòu)中同類構(gòu)件的統(tǒng)稱，如梁、橋墩?？傮w來說，橋梁部件主要按其承擔(dān)的功能劃分，不再區(qū)分材料、工法、構(gòu)件形式等其他因素；而構(gòu)件則是部件的實(shí)例，根據(jù)具體橋梁的結(jié)構(gòu)組成，一類部件可離散成多個構(gòu)件。

在進(jìn)行BHI 計(jì)算時，其構(gòu)件劃分遵循《Manual for Bridge Element Inspection》（MBEI-2—2019）[5]；而關(guān)于PI 的計(jì)算，ATKINS[6]給出了標(biāo)準(zhǔn)橋梁構(gòu)件表。這兩者關(guān)于橋梁構(gòu)件的定義更接近于《評定標(biāo)準(zhǔn)》中定義的部件，為使對比與分析是針對同一對象，將主要圍繞《評定標(biāo)準(zhǔn)》定義的橋梁部件這一層級的評分展開。

1.3 計(jì)算示例

假設(shè)需對一跨徑30 m 的簡支預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋的主梁進(jìn)行評分。主梁共采用4 片梁，各片小箱梁的尺寸及病害數(shù)據(jù)見表1。各類病害的標(biāo)度依據(jù)《評定標(biāo)準(zhǔn)》確定，其他未涉及的檢測指標(biāo)均假定無相關(guān)病害。

表1 計(jì)算示例橋梁構(gòu)件尺寸及病害數(shù)據(jù)

基于工程經(jīng)驗(yàn)，表1 描述的主梁部件，從定性的角度看，可認(rèn)為其功能基本良好，材料有局部輕度的缺損，即根據(jù)《評定標(biāo)準(zhǔn)》的表3.2.4，可初步評定為2 類。

2 主梁部件評分計(jì)算

2.1 依據(jù)《評定標(biāo)準(zhǔn)》的主梁部件評分

《評定標(biāo)準(zhǔn)》中橋梁構(gòu)件的技術(shù)狀況評分，總體采用的是扣分法，通過將某一類橋梁部件離散成一定數(shù)量的橋梁構(gòu)件，對其中每一個橋梁構(gòu)件，評價(jià)其各種檢測指標(biāo)的標(biāo)度，然后根據(jù)扣分規(guī)則和計(jì)算規(guī)則，計(jì)算出其技術(shù)狀況評分。部件評分則是在構(gòu)件評分的基礎(chǔ)上，根據(jù)所包含構(gòu)件的得分平均值、最低構(gòu)件得分值和隨構(gòu)件數(shù)量而變的系數(shù)，計(jì)算得出。

將計(jì)算示例中的主梁按表1 劃分成4 個評分構(gòu)件，依據(jù)《評定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行構(gòu)件評分計(jì)算時，按扣分值從大到小的順序計(jì)算，病害疊加時仍單獨(dú)計(jì)，則構(gòu)件與部件的評分結(jié)果見表2，表中Ui是關(guān)于扣分值的計(jì)算變量。

表2 據(jù)《評定標(biāo)準(zhǔn)》將主梁劃分為4 個構(gòu)件評分結(jié)果

如果不對主梁作進(jìn)一步劃分，將其按1 個構(gòu)件進(jìn)行評分，可認(rèn)為各類檢測指標(biāo)依據(jù)《評定標(biāo)準(zhǔn)》的標(biāo)度均為2，則按扣分值從大到小的順序計(jì)算，病害疊加時仍單獨(dú)計(jì)，評分結(jié)果見表3。由于只有一個構(gòu)件，構(gòu)件評分即部件評分。

表3 據(jù)《評定標(biāo)準(zhǔn)》將主梁劃分為1 個構(gòu)件評分結(jié)果

2.2 基于美國健康指數(shù)BHI 的計(jì)算方法的主梁部件評分

用0～100 的數(shù)字評分，來反映橋梁的剩余價(jià)值[4]。

式中：TEVi—橋梁構(gòu)件的原始價(jià)值；TEQi—橋梁構(gòu)件按統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的工程量；FCi—橋梁構(gòu)件單位失效成本；CEVi—橋梁構(gòu)件的現(xiàn)有價(jià)值QCSij—橋梁構(gòu)件某種技術(shù)狀況標(biāo)度下的統(tǒng)計(jì)工程量；WFij—某種技術(shù)狀況標(biāo)度的權(quán)重系數(shù)。

將公式變換后，公式中的TEVi/ΣTEVi類似于權(quán)重系數(shù)，由構(gòu)件的工程量和失效成本計(jì)算出，因此，橋梁BHI 也可解釋為所包含的橋梁構(gòu)件的健康指數(shù)的加權(quán)平均。

MBEI-2—2019[5]定義了各類橋梁構(gòu)件的計(jì)量單位，如按長度、面積或個數(shù)來計(jì)，要求在橋梁檢查時，對每一類橋梁構(gòu)件，確定其處于不同技術(shù)狀況標(biāo)度的構(gòu)件數(shù)量，即通過計(jì)量這種連續(xù)方式將構(gòu)件進(jìn)一步細(xì)分。

根據(jù)MBEI-2—2019[5]針對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在各種病害類型下技術(shù)狀況評判的指導(dǎo)原則，計(jì)算示例中各處病害的標(biāo)度也為2。結(jié)合MBEI-2—2019[5]對構(gòu)件上某個部位同時發(fā)生多種病害時的處理方法，即處于最差技術(shù)狀況的病害及數(shù)量將計(jì)入到構(gòu)件上，當(dāng)同一部位多種病害的技術(shù)狀況標(biāo)度相同時，可按相關(guān)手冊給出的推薦病害類別排序，選擇排序靠前的病害及數(shù)量計(jì)入到構(gòu)件上。因此，計(jì)算示例按照MBEI-2—2019[5]的病害情況統(tǒng)計(jì)見表4。

MBEI-2—2019[5]已將所有構(gòu)件技術(shù)狀況的最高標(biāo)度統(tǒng)一為4，則對應(yīng)技術(shù)狀況標(biāo)度1～4，WF 數(shù)值分別為1.0、0.67、0.33、0。主梁健康指數(shù)（未考慮權(quán)重）的結(jié)果見表4。預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁的構(gòu)件健康指數(shù)（未考慮權(quán)重）為98.11。

表4 基于健康指數(shù)BHI 的計(jì)算方法的主梁部件評分/m2

2.3 基于英國性能指標(biāo)PI 的計(jì)算方法的主梁部件評分

橋梁PI 的計(jì)算首先即進(jìn)行橋梁構(gòu)件評分ECS 的計(jì)算，構(gòu)件的技術(shù)狀況從兩個維度進(jìn)行評價(jià)[6]：病害的嚴(yán)重性和病害的范圍，病害嚴(yán)重性分1～5 級，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別：1—全新或病害從視覺或功能上對構(gòu)件無重要影響；2—劣化早期跡象，輕微病害，對構(gòu)件的功能無削弱；3—中等嚴(yán)重病害，構(gòu)件功能有一定損失；4—嚴(yán)重病害，構(gòu)件功能嚴(yán)重受損或接近破壞；5—橋梁構(gòu)件功能喪失、失效。病害范圍分A、B、C、D、E 五等，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別為：A—無嚴(yán)重病害；B—輕微（病害范圍≤構(gòu)件表面積或長度的5%）；C—中等范圍（病害范圍達(dá)到構(gòu)件表面積或長度的5%～20%）；D—較大范圍（病害范圍達(dá)到構(gòu)件表面積或長度的20%～50%）；E—大范圍（病害范圍超過構(gòu)件表面積或長度的50%）

如一個構(gòu)件，對所發(fā)生的病害的嚴(yán)重性評價(jià)結(jié)果為3，病害范圍評價(jià)結(jié)果為C。則根據(jù)表5，構(gòu)件技術(shù)狀況評分ECS=3.1。

表5 橋梁構(gòu)件技術(shù)狀況評分

在計(jì)算出構(gòu)件技術(shù)狀況評分ECS 后，再根據(jù)構(gòu)件的重要性類別，考慮一個調(diào)整評分ECF，進(jìn)而計(jì)算出構(gòu)件技術(shù)狀況指標(biāo)[6]ECI=ECS-ECF。而構(gòu)件的重要性類別也對應(yīng)一個構(gòu)件重要性系數(shù)EIF，在此基礎(chǔ)上采用加權(quán)平均法，全橋的技術(shù)狀況評分BCS：

將BCS 轉(zhuǎn)換成性能指標(biāo)PI，在0～100 內(nèi)的數(shù)值（0 為最差，100 為最佳）。

性能指標(biāo)PI 計(jì)算時，構(gòu)件技術(shù)狀況評分一般針對文獻(xiàn)[6]給出的標(biāo)準(zhǔn)橋梁構(gòu)件表中的構(gòu)件，該構(gòu)件類似于《評定標(biāo)準(zhǔn)》中的部件，在評分時綜合該類構(gòu)件上的所有病害數(shù)據(jù)，做出一個綜合評價(jià)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，對一類構(gòu)件上發(fā)生多種類型的病害時，最終以最差技術(shù)狀況的病害數(shù)據(jù)來代表對構(gòu)件的評價(jià)。

如果需要對構(gòu)件做出更具體的技術(shù)狀況數(shù)據(jù)記錄，可將構(gòu)件進(jìn)一步劃分為子構(gòu)件。ATKINS[6]給出了在計(jì)算PI 時橋梁構(gòu)件進(jìn)一步細(xì)分成子構(gòu)件的技術(shù)狀況評估流程和方法，先對子構(gòu)件分別進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)一步計(jì)算構(gòu)件ECS 時，其嚴(yán)重性總體評價(jià)結(jié)果取最差子構(gòu)件的結(jié)果代表，而病害范圍總體評價(jià)則進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，首先將病害范圍評價(jià)結(jié)果A、B、C、D、E 轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)值0、0、0.1、0.3、0.7，然后基于子構(gòu)件的特征尺寸與特征尺寸最大值之間的比值計(jì)算出權(quán)重系數(shù)，加權(quán)平均計(jì)算后獲得構(gòu)件病害范圍總體評價(jià)結(jié)果，而構(gòu)件ECS 則是嚴(yán)重性總體評價(jià)結(jié)果和病害范圍總體評價(jià)結(jié)果之和，結(jié)果見表6（未考慮基于構(gòu)件重要性類別的評分調(diào)整和權(quán)重）。

表6 性能指標(biāo)PI 計(jì)算中橋梁構(gòu)件技術(shù)狀況評分

3 對比分析

（1）針對主梁部件，不考慮其在整個結(jié)構(gòu)中的權(quán)重，《評定標(biāo)準(zhǔn)》的得分最低，英國PI 計(jì)算的得分居中，而美國BHI 計(jì)算的得分則最高。與基于工程經(jīng)驗(yàn)的定性判斷結(jié)果（2 類）對比，可認(rèn)為基于英國性能指標(biāo)PI 的計(jì)算方法的主梁部件評分更接近合理值。（2）基于《評定標(biāo)準(zhǔn)》的評分計(jì)算，如果仍按4 個構(gòu)件計(jì)算，考慮病害疊加時只計(jì)一種，則表2中的U2均為0，最終計(jì)算出的部分得分為65，仍為三者中最低。從結(jié)果數(shù)據(jù)看，《評定標(biāo)準(zhǔn)》的評分較為保守。（3）《評定標(biāo)準(zhǔn)》的計(jì)算方法需將橋梁部件離散成一定數(shù)量的橋梁構(gòu)件，但其并未給出橋梁構(gòu)件的劃分原則，各構(gòu)件得分參與部件得分計(jì)算時并未考慮權(quán)重。與PI 的計(jì)算方法相比，其在子構(gòu)件劃分時，引入了一個權(quán)重系數(shù)，由子構(gòu)件的特征尺寸如長度、面積等，通過與所有子構(gòu)件特征尺寸的最大值之間的比值計(jì)算出，這也相應(yīng)給出了子構(gòu)件劃分的一條原則，并使構(gòu)件評分的計(jì)算更為合理。（4）討論的各種橋梁技術(shù)狀況評定方法的基礎(chǔ)均是各檢測指標(biāo)即病害的標(biāo)度評定，然后用病害評定結(jié)果來代表相應(yīng)構(gòu)件的技術(shù)狀況，BHI 和PI 的計(jì)算都用病害的評定結(jié)果來直接代表構(gòu)件的技術(shù)狀況，在病害疊加時取技術(shù)狀況最差或嚴(yán)重性影響更不利的病害數(shù)據(jù)來代表；《評定標(biāo)準(zhǔn)》增加了對病害評分的步驟，并考慮多種病害同時發(fā)生時的扣分加大，這也使得其計(jì)算結(jié)果偏保守。同時，各種技術(shù)狀況評定方法中病害的標(biāo)度評定都受檢測人員的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)影響較大，缺少一定的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，主觀性較強(qiáng)，在未來智能檢測技術(shù)的發(fā)展會為這一問題提供較好的解決方案。

4 結(jié)語

基于計(jì)算示例，對中、美、英三國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或手冊中橋梁技術(shù)狀況的評分方法進(jìn)行了對比和分析，結(jié)果表明基于《評定標(biāo)準(zhǔn)》的橋梁部件評分存在與合理值相比偏低的情況。為使評分值更接近合理值，可借鑒國外評分方法中關(guān)于橋梁構(gòu)件劃分、構(gòu)件上病害疊加時的處理方法。合理的橋梁技術(shù)狀況評分值將對橋梁養(yǎng)護(hù)決策形成較好地指導(dǎo)。