肖鑫

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

截至2018年底，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到13.1萬(wàn)km以上，其中高速鐵路2.9萬(wàn)km以上。線路跨越大河、深山峽谷及受地質(zhì)不良段等影響時(shí)多采用橋梁結(jié)構(gòu)。鐵路線路中橋梁占比較大，如武廣高速鐵路中橋梁占比42%，京滬高速鐵路中橋梁占比80%，滬杭高速鐵路中橋梁占比92%。橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于列車(chē)動(dòng)荷載作用下，加上材料老化、環(huán)境惡劣、自然災(zāi)害等因素的聯(lián)合作用，造成巨大的安全隱患。因此，準(zhǔn)確掌握橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)、及時(shí)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修就顯得尤為重要。

橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估主要包括承載能力狀態(tài)評(píng)估與技術(shù)狀態(tài)評(píng)估。承載能力評(píng)估主要通過(guò)檢算或荷載試驗(yàn)等方法評(píng)估橋梁承載能力。技術(shù)狀態(tài)評(píng)估主要根據(jù)橋梁的日常檢測(cè)，參考相應(yīng)的規(guī)范對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)估。在考慮不確定和隨機(jī)性影響因素的前提下，相關(guān)學(xué)者針對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)估提出了一系列其他方法。如黃志偉等［1］研究了橋梁扣分值，分析了構(gòu)件及部位的權(quán)重，建立了基于程度分析的中小橋梁評(píng)估方法；王哲［2］基于模糊層次分析法，分析了拱橋拱圈技術(shù)狀況。還有不少學(xué)者研究了模糊理論在橋梁評(píng)估中的應(yīng)用，并提出了一系列基于模糊理論的評(píng)估方法［3-5］。

目前，我國(guó)公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估體系較為完善，根據(jù)相關(guān)規(guī)范［6-8］對(duì)公路橋梁從構(gòu)件、部件再到全橋進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估。而鐵路橋梁的技術(shù)狀況評(píng)估主要參考1997—1999 年陸續(xù)實(shí)施的TB/T 2820.1—2820.8《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》［9］、鐵運(yùn)〔2010〕38 號(hào)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》［10］以及鐵運(yùn)〔2011〕131 號(hào)《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》［11］，分別按照鋼梁、隧道、支座、涵渠、混凝土梁、墩臺(tái)基礎(chǔ)、橋渡、明橋面對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行狀況評(píng)定。這些評(píng)估規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)是以單個(gè)結(jié)構(gòu)物或者單個(gè)構(gòu)件為基本單位，評(píng)分結(jié)果較為明確。在評(píng)估中需要對(duì)每種構(gòu)件的劣化等級(jí)進(jìn)行具體劃分和描述。隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展出現(xiàn)了越來(lái)越多的大跨特殊結(jié)構(gòu)橋梁，但目前的相關(guān)鐵路規(guī)范多制定實(shí)施于20 世紀(jì)90 年代，當(dāng)時(shí)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式單一，僅對(duì)簡(jiǎn)支梁有較為詳細(xì)的描述，對(duì)于其他特殊結(jié)構(gòu)橋梁，如斜拉橋、拱橋、懸索橋等重要構(gòu)件缺乏相應(yīng)的劣化評(píng)定等級(jí)。目前的評(píng)估方法僅在構(gòu)件層次進(jìn)行評(píng)定，未能對(duì)全橋整體狀況做出評(píng)估。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是鐵路橋梁狀態(tài)評(píng)估常用的方法之一。傳統(tǒng)的層次分析法是采用專(zhuān)家打分進(jìn)行指標(biāo)量化，其主觀性較強(qiáng)，從而導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范建立橋梁構(gòu)件劣化標(biāo)準(zhǔn)，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)評(píng)定方法，結(jié)合層次分析法，提出適用于鐵路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估的分層分級(jí)評(píng)估方法。

1 分層分級(jí)評(píng)估流程

橋梁的技術(shù)狀況評(píng)估是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，基于人工檢查進(jìn)行，除了需要考慮確定性和隨機(jī)性因素外，還需考慮檢查人員對(duì)認(rèn)知的模糊性。當(dāng)前鐵路橋梁狀況評(píng)估主要集中在構(gòu)件層次，評(píng)估結(jié)果不能反映橋梁整體運(yùn)行狀況。JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定》［8］規(guī)范中將橋梁技術(shù)狀況評(píng)估分為橋梁構(gòu)件、部件、橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和全橋評(píng)定，采用分層綜合評(píng)定與5類(lèi)橋梁?jiǎn)雾?xiàng)控制指標(biāo)相結(jié)合的方法。本文參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范及橋梁技術(shù)狀況評(píng)估方法，建立了鐵路橋梁分層分級(jí)評(píng)估體系。首先對(duì)全橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，將構(gòu)件作為最小單元，并建立構(gòu)件病害庫(kù)，在橋梁構(gòu)件層次開(kāi)始評(píng)分。然后將構(gòu)件分類(lèi)歸入不同的部件，再將不同的部件劃入不同的橋梁結(jié)構(gòu)部位。最后，橋梁各結(jié)構(gòu)部位組成全橋。具體的分層分級(jí)評(píng)估流程（圖1）：①根據(jù)橋梁資料和建立的橋梁病害庫(kù)進(jìn)行橋梁現(xiàn)場(chǎng)檢查，對(duì)構(gòu)件狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；②根據(jù)構(gòu)件評(píng)分結(jié)果，按照構(gòu)件所屬的部件，對(duì)部件進(jìn)行評(píng)估；③根據(jù)各部件評(píng)分狀況，結(jié)合各部件所占權(quán)重，對(duì)橋梁各大部位進(jìn)行評(píng)定；④根據(jù)各大部位評(píng)分結(jié)果，并按照各大部位所占權(quán)重，評(píng)估橋梁全橋狀況。

圖1 鐵路橋梁分層分級(jí)評(píng)估流程

2 評(píng)分細(xì)則

2.1 橋梁劣化等級(jí)劃分

JTG/T H21—2011中將橋梁構(gòu)件的劣化等級(jí)分為1～5 共5 個(gè)標(biāo)度，表示構(gòu)件功能完好到嚴(yán)重性功能病害。美國(guó)AASHTO手冊(cè)（Manual for Bridge Element Inspection）將橋梁?jiǎn)卧】禒顩r分為好、中、差、嚴(yán)重4 級(jí)。我國(guó)鐵路相關(guān)橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中，將構(gòu)件劣化等級(jí)分為5 級(jí)，分別為AA，A1，B，C，D，對(duì)應(yīng)于劣化極嚴(yán)重、嚴(yán)重、較重、中等、輕微［9］。鐵運(yùn)〔2011〕131 號(hào)和鐵運(yùn)〔2010〕38 號(hào)中也給出了橋梁評(píng)估要點(diǎn)與具體評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

為便于對(duì)橋梁構(gòu)件做出準(zhǔn)確評(píng)估，減少人為認(rèn)知的模糊性，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，在構(gòu)件單元層次上，根據(jù)構(gòu)件不同病害程度將其劣化等級(jí)劃分為4 級(jí)，即AA，A1，B，C。表1 所示為鐵路橋梁支座部分常見(jiàn)病害及劣化等級(jí)劃分，并根據(jù)不同劣化等級(jí)，規(guī)定了對(duì)應(yīng)的扣分值。

表1 橋梁支座部分劣化等級(jí)劃分

2.2 構(gòu)件評(píng)分

如上表1 所示，在構(gòu)件層面上其病害分為若干子類(lèi)，各子類(lèi)病害之間可能存在相互影響，如支座轉(zhuǎn)角超限，可能導(dǎo)致其位移超限。在對(duì)構(gòu)件評(píng)定時(shí)，如果將這2 類(lèi)病害都進(jìn)行扣分，會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果與實(shí)際相差較大。因此，需要將這些病害子類(lèi)再次劃分，分別歸入不同的病害大類(lèi)，在評(píng)分過(guò)程中取構(gòu)件各大類(lèi)病害中子類(lèi)病害的最大扣分值作為其扣分值。構(gòu)件評(píng)分僅針對(duì)其大類(lèi)病害進(jìn)行計(jì)算。再將同一構(gòu)件的不同大類(lèi)病害的扣分值按大小順序排列為x1，x2，…xn（x1為最大扣分值，xn為最小扣分值），并根據(jù)式（1）計(jì)算構(gòu)件的最終得分。

式中：CIi為結(jié)構(gòu)第i構(gòu)件的得分。

構(gòu)件評(píng)分為100 減掉對(duì)應(yīng)的扣分值，總扣分值最大值為100，即按公式計(jì)算結(jié)果若大于100，則取100，即得分為0。

2.3 部件評(píng)分

在進(jìn)行部件評(píng)分時(shí)，需要將構(gòu)件歸入不同部件，并以部件所含所有構(gòu)件的得分平均值作為該部件的最終得分PIi，即

2.4 結(jié)構(gòu)部位評(píng)分

在計(jì)算了各部件的得分之后，可按照各部件的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)處理，得出各大部位的分?jǐn)?shù)。若某一部位內(nèi)未能對(duì)所有的部件進(jìn)行評(píng)估，則假設(shè)未評(píng)估部件的狀態(tài)與已評(píng)估部件的狀態(tài)一致，即已評(píng)估部件的狀態(tài)作為樣本代表了該部位所有部件的總體狀態(tài)。相應(yīng)的評(píng)分可按下式計(jì)算：

式中：SIi為橋梁第i部位得分；m為部件數(shù)量；wi為結(jié)構(gòu)第i類(lèi)部件在結(jié)構(gòu)部位中所占的權(quán)重。

2.5 全橋評(píng)分

根據(jù)各大結(jié)構(gòu)部位評(píng)分狀況，按照各自權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求得全橋得分D，其計(jì)算公式為

式中：pi為橋梁各部位在全橋中所占的權(quán)重。

3 橋梁技術(shù)狀況等級(jí)

在計(jì)算橋梁全橋得分后，可對(duì)橋梁狀況做出較為準(zhǔn)確的評(píng)定。JTG/T H21—2011 中將橋梁總體技術(shù)狀況從好到壞分為1類(lèi)—5類(lèi)共5個(gè)等級(jí)。1類(lèi)對(duì)應(yīng)全新?tīng)顟B(tài)，功能完好。5類(lèi)對(duì)應(yīng)主要構(gòu)件存在嚴(yán)重缺陷，不能正常使用，橋梁處于危險(xiǎn)狀態(tài)。美國(guó)FHWA 手冊(cè)（Bridge Inspector's Reference Manual）中將橋梁檢查時(shí)的狀態(tài)評(píng)價(jià)分為好、中、差3級(jí)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，將鐵路橋梁技術(shù)狀況從好到壞分為9 級(jí)，見(jiàn)表2。當(dāng)橋梁健康代碼在6 以上時(shí)（即80 分以上），表示橋梁技術(shù)狀況良好；當(dāng)橋梁代碼在2～5時(shí)，表示橋梁技術(shù)狀況較差，應(yīng)加強(qiáng)橋梁檢查；當(dāng)橋梁健康代碼為1 時(shí)，表示橋梁面臨即將失效狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)封閉橋梁，由專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

表2 全橋健康代碼及描述與評(píng)分

4 權(quán)重分配

權(quán)重的合理分配直接影響橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)分，JTG/T H21—2011 中針對(duì)不同橋型，規(guī)定了各部件的權(quán)重。

權(quán)重的分配需考慮多種影響因素，目前權(quán)重的分配多基于專(zhuān)家打分，由于主觀性較強(qiáng)，得出的結(jié)果離散性較大。本文基于層次分析法（AHP），通過(guò)對(duì)元素之間的兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，將定性分析與定量分析相結(jié)合，提出了橋梁技術(shù)狀況評(píng)估權(quán)重計(jì)算方法。

層次分析法（AHP）的基本流程為：首先將目標(biāo)層分解成多個(gè)準(zhǔn)則層，再細(xì)分成多個(gè)指標(biāo)，然后根據(jù)各元素間的重要程度，分別計(jì)算出各層權(quán)重。層次分析法以各元素間的重要程度作為定性指標(biāo)，采用相應(yīng)算法將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)換成為定量指標(biāo)。

1）層次結(jié)構(gòu)模型的建立

采用AHP 分析問(wèn)題時(shí)，首先要確定問(wèn)題的目標(biāo)層，即最終需要達(dá)到的目標(biāo)；再確定準(zhǔn)則層，這一層包含了所有影響目標(biāo)結(jié)果的元素；進(jìn)一步將準(zhǔn)則層分解為指標(biāo)層，該層由準(zhǔn)則層與目標(biāo)層所支配。

2）定性指標(biāo)的構(gòu)建

定性指標(biāo)的構(gòu)建多采用標(biāo)度法。標(biāo)度是將經(jīng)驗(yàn)關(guān)系映射到數(shù)值關(guān)系，常見(jiàn)的標(biāo)度法有1～9九標(biāo)度、0～2 三標(biāo)度、-2～2 五標(biāo)度等。為更為準(zhǔn)確地評(píng)判橋梁各部件和結(jié)構(gòu)部位的重要程度，本文采用三標(biāo)度法，具體含義如下表3所示。

表3 三標(biāo)度法含義

3）定量指標(biāo)的計(jì)算

通過(guò)專(zhuān)家打分，結(jié)合三標(biāo)度法，可建立各指標(biāo)層、準(zhǔn)則層的重要程度定性描述，結(jié)合相應(yīng)的算法可根據(jù)各元素的重要程度分析各組成元素所占的權(quán)重，具體計(jì)算方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)［12］。

5 工程實(shí)例

5.1 橋梁概況

某鐵路混凝土簡(jiǎn)支梁橋采用混凝土箱梁，圓端形實(shí)體框架墩，如圖2 所示。橋面附屬設(shè)施主要包括欄桿、作業(yè)通道、檢查梯、防水層、排水設(shè)施等。

圖2 鐵路混凝土簡(jiǎn)支梁橋

5.2 橋梁層次及劣化等級(jí)劃分

圖3 橋梁組成

將該橋技術(shù)狀況評(píng)定分解為全橋、四大結(jié)構(gòu)部位、部件以及構(gòu)件4 個(gè)層級(jí)，如圖3 所示。其中，梁體、墩臺(tái)身、頂帽、承臺(tái)、樁基等構(gòu)件將作為最低級(jí)評(píng)估單元，并根據(jù)各自構(gòu)件特點(diǎn)，建立構(gòu)件病害庫(kù)，根據(jù)病害程度對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分。

5.3 權(quán)重計(jì)算

根據(jù)層次分析法，建立該橋的層次結(jié)構(gòu)，如表4所示。其目標(biāo)層為全橋技術(shù)狀況評(píng)定，準(zhǔn)則層主要包括上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座設(shè)施、橋面及附屬設(shè)施。在準(zhǔn)則層下又分別設(shè)置了若干子指標(biāo)，構(gòu)成了指標(biāo)層。

表4 橋梁評(píng)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以準(zhǔn)則層的權(quán)重分析為例，計(jì)算各指標(biāo)所占的權(quán)重，建立判斷矩陣：

式中：U為全橋技術(shù)狀況評(píng)定；u1為上部結(jié)構(gòu)；u2為下部結(jié)構(gòu)；u3為支座設(shè)施；u4為橋面及附屬設(shè)施。

基于0～2 三標(biāo)度法判斷每個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性，建立重要程度矩陣，即

根據(jù)重要程度矩陣，采用層次分析法計(jì)算的四大結(jié)構(gòu)部位權(quán)重如表5 所示?？梢钥闯?，上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)權(quán)重較大，支座設(shè)施次之，橋面及附屬設(shè)施權(quán)重最小。

表5 四大結(jié)構(gòu)部位權(quán)重

同理，其余部件中，上部結(jié)構(gòu)中僅有梁體部位，因此，該部位的權(quán)重為1。下部結(jié)構(gòu)有2個(gè)構(gòu)件墩臺(tái)和樁基礎(chǔ)，重要程度相當(dāng)，權(quán)重均為0.50。支座部位也有2 個(gè)部件組成，支座和墊石，且各部件重要程度相當(dāng)，權(quán)重均為0.50。橋面及附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)部位有4 個(gè)部件，權(quán)重見(jiàn)表6。

表6 橋面及附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)部位權(quán)重

5.4 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定

通過(guò)人工檢查，該橋出現(xiàn)的病害資料見(jiàn)表7。

表7 橋梁出現(xiàn)的病害類(lèi)型

根據(jù)上述計(jì)算步驟，構(gòu)件、部件、結(jié)構(gòu)部位及全橋的得分如表8所示?？芍?，橋梁防排水設(shè)施分?jǐn)?shù)最低，應(yīng)多加強(qiáng)檢查。橋面及附屬設(shè)施、上部結(jié)構(gòu)健康代碼為8，下部結(jié)構(gòu)與支座設(shè)施健康代碼為9，全橋健康代碼為8，表明當(dāng)前橋梁各結(jié)構(gòu)部位及全橋狀態(tài)非常好。

表8 橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)分

采用該方法對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，不僅直觀展示了構(gòu)件的病害情況及健康狀況，通過(guò)對(duì)橋梁各部分進(jìn)行評(píng)分，實(shí)時(shí)掌握了各部件的運(yùn)營(yíng)狀況，可便于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)制定養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃。對(duì)全橋進(jìn)行評(píng)分，可了解橋梁整體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。與鐵運(yùn)〔2011〕131 號(hào)及鐵運(yùn)〔2010〕38 號(hào)制定的評(píng)估方法相比較，該方法結(jié)合層次分析法對(duì)橋梁狀況進(jìn)行了定量描述。

6 結(jié)論

1）基于層次分析法的橋梁技術(shù)狀況評(píng)估方法以橋梁劣化為基礎(chǔ)，制定扣分細(xì)則，著重考慮橋梁各組成部件之間的重要程度，采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方法確定橋梁結(jié)構(gòu)各部件及結(jié)構(gòu)部位的權(quán)重。

2）基于層次分析法的橋梁技術(shù)狀況評(píng)估方法借鑒了國(guó)內(nèi)外相關(guān)橋梁評(píng)估的分析思路，又結(jié)合了鐵運(yùn)〔2011〕131 號(hào)《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》及鐵運(yùn)〔2010〕38 號(hào)《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于橋梁構(gòu)件的劣化等級(jí)劃分。

3）該方法從橋梁構(gòu)件出發(fā)，逐層次對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)估，可以掌握橋梁細(xì)部到整體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，便于橋梁管理。算例表明，采用該方法不僅能直觀掌握橋梁病害，還能實(shí)時(shí)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)狀況，及時(shí)指導(dǎo)檢查、養(yǎng)護(hù)和維修。