鐵路橋梁技術(shù)狀況分層分級(jí)評(píng)估方法

文良華 肖鑫

1.國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350；2.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；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

橋梁結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)，受列車荷載作用、環(huán)境因素、材料退化、自然災(zāi)害等因素影響，耐久性和安全性降低，給運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)隱患。橋梁狀態(tài)評(píng)估可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)退化，并采取適當(dāng)維護(hù)措施，保證結(jié)構(gòu)安全。鐵路橋梁的評(píng)估主要包括承載能力評(píng)估和技術(shù)狀況評(píng)估。承載力評(píng)估主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)檢算橋梁受力性能與整體狀態(tài)。技術(shù)狀況評(píng)估主要根據(jù)橋梁日常檢查數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)規(guī)范總體評(píng)價(jià)橋梁狀況。

國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁的技術(shù)狀況評(píng)估做了較多研究，總體分為常規(guī)評(píng)估方法與模糊評(píng)估方法。常規(guī)評(píng)估方法中，美國(guó)聯(lián)邦道路廳于1995年制定了橋梁調(diào)查和評(píng)估指南［1］，要求每?jī)赡陮?duì)橋梁進(jìn)行檢查并評(píng)估其狀態(tài)等級(jí)，包括上部結(jié)構(gòu)總體狀態(tài)等級(jí)、下部結(jié)構(gòu)總體狀態(tài)等級(jí)以及橋面總體狀態(tài)等級(jí)，并將各部位狀態(tài)等級(jí)分為了0（不允許的危險(xiǎn)狀態(tài)，必須封閉）~9（安全狀態(tài)良好）共10個(gè)級(jí)別。丹麥?zhǔn)紫然诓『︻愋驮u(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的狀況，分為0~5共6個(gè)級(jí)別，然后基于橋梁構(gòu)件的狀況評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行整橋的技術(shù)狀況評(píng)估。德國(guó)將結(jié)構(gòu)劃分為13個(gè)構(gòu)件組，再將構(gòu)件組細(xì)分為構(gòu)件，基于每個(gè)構(gòu)件的病害等級(jí)（每個(gè)病害類型根據(jù)其安全性、穩(wěn)定性和耐久性分為6個(gè)等級(jí)）、病害類型、病害發(fā)生的數(shù)量、病害影響范圍及構(gòu)件數(shù)量修正得到構(gòu)件組的技術(shù)狀況等級(jí)，最終結(jié)合病害在構(gòu)件的分布范圍評(píng)價(jià)橋梁整體技術(shù)狀況。我國(guó)公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估主要參考CJJ 99—2017《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、JTG 5120—2021《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》以及JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》。其中JTG 5120—2021將橋梁評(píng)定分為構(gòu)件、部件、橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和全橋評(píng)估，采用分層綜合評(píng)定與5類病害單項(xiàng)控制指標(biāo)相結(jié)合的方法，將橋梁技術(shù)狀況等級(jí)由好至差分為1~5類。在我國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS2002）［2］中引入橋梁道路等級(jí)、交通量、繞行增加里程三項(xiàng)修正系數(shù)，采用綜合評(píng)估公式對(duì)橋梁進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)［3］引入橋梁缺損狀況指數(shù)，采用分層加權(quán)方法將橋梁分為橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，最終得到橋梁整體技術(shù)狀況。文獻(xiàn)［4-5］提出了基于構(gòu)件的橋梁損傷狀況分層加權(quán)評(píng)估方法，分別對(duì)橋梁部件與整體狀況評(píng)估。而文獻(xiàn)［6］提出了將局部損傷度和總體損傷度兩項(xiàng)指標(biāo)作為綜合評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)［7］建立了簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)多層次評(píng)估模型。文獻(xiàn)［8］基于層次分析法建立了橋梁結(jié)構(gòu)層次分析模型綜合評(píng)估方法。我國(guó)臺(tái)灣對(duì)橋梁評(píng)估采用DER&U方法［9］，分為21個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)橋梁劣化程度、劣化范圍以及橋梁的重要性，按照0~4級(jí)評(píng)定，再針對(duì)橋梁構(gòu)件維修的緊迫性進(jìn)行評(píng)估，最后利用上述取值，綜合計(jì)算橋梁狀態(tài)指標(biāo)。我國(guó)鐵路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估主要參考鐵運(yùn)〔2011〕131號(hào)《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》、鐵運(yùn)〔2010〕38號(hào)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》以及TB/T 2820.1—1997《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，將構(gòu)件病害等級(jí)分為A、B、C、D四級(jí)，僅在構(gòu)件層次對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)估。

模糊評(píng)估方法基于模糊數(shù)學(xué)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行綜合評(píng)估。文獻(xiàn)［6］基于置信度與模糊數(shù)學(xué)的方法建立了橋梁損傷評(píng)估及對(duì)策模型。文獻(xiàn)［10］提出了多層次模糊評(píng)估模型對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)估，采用損傷度來(lái)度量結(jié)構(gòu)/構(gòu)件的損傷程度，確定相應(yīng)技術(shù)狀態(tài)等級(jí)。文獻(xiàn)［11］建立了既有橋梁可靠性多級(jí)模糊綜合評(píng)判方法，采用隸屬度加權(quán)平均法評(píng)定橋梁。文獻(xiàn)［12］提出了模糊加權(quán)向量方法，搭建了橋梁總體評(píng)估程序。文獻(xiàn)［13］研究了服役結(jié)構(gòu)狀態(tài)可靠性模糊綜合評(píng)定方法。文獻(xiàn)［14］充分運(yùn)用模糊理論聚類分析方法建立了混凝土橋損傷狀況評(píng)估方法。文獻(xiàn)［15］基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了斜拉橋安全性與耐久性評(píng)估方法。

隨著鐵路的建設(shè)，出現(xiàn)了越來(lái)越多的大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁，及時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)狀況并對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，是橋梁后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。我國(guó)鐵路橋梁狀態(tài)評(píng)估多基于相關(guān)規(guī)范，且大多制定實(shí)施于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，而規(guī)范中缺乏對(duì)大跨度復(fù)雜橋梁的狀態(tài)評(píng)估方法，且評(píng)估方法僅在構(gòu)件層次進(jìn)行評(píng)定，未能對(duì)全橋整體狀況作出評(píng)估。因此，如何充分結(jié)合橋梁日常檢查數(shù)據(jù)對(duì)橋梁管養(yǎng)提供指導(dǎo)，是亟待解決的主要問(wèn)題。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范及鐵路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估方法，基于橋梁標(biāo)準(zhǔn)病害庫(kù)，結(jié)合日常人工檢查數(shù)據(jù)，提出針對(duì)鐵路橋梁的分層分級(jí)評(píng)估方法。

1 鐵路橋梁建設(shè)概況

我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。截至2021年底已突破15萬(wàn)km。高速鐵路發(fā)展取得了巨大成就，從中國(guó)首條設(shè)計(jì)時(shí)速350 km京津城際通車到現(xiàn)在，高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程快速攀升，2013年突破1萬(wàn)km，2016年突破2萬(wàn)km，2019年突破3萬(wàn)km，2021年突破4萬(wàn)km。

圖1 我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程變化趨勢(shì)

鐵路線路多跨越江河峽谷、地質(zhì)不良地段等，多采用以橋帶路的方式，橋梁以簡(jiǎn)支梁為主，預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁具有受力明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，成為鐵路橋梁主要結(jié)構(gòu)形式。其他橋梁結(jié)構(gòu)形式有鋼桁梁橋、鋼箱梁橋、結(jié)合梁橋。隨著建造技術(shù)的發(fā)展，一系列特殊結(jié)構(gòu)橋梁也隨之建造，如斜拉橋、懸索橋、拱橋等，橋梁跨度已突破千米。高速鐵路中橋梁數(shù)量已超3萬(wàn)座，橋梁在線路中所占比例較大，如武廣高鐵中橋梁占比42%，京滬高鐵中橋梁占比達(dá)80%，滬杭高鐵中橋梁占比高達(dá)92%。不同線路橋梁占比見(jiàn)圖2?？芍?，高速鐵路線路中，橋梁平均占比已達(dá)54%。

圖2 不同線路橋梁占比

經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，鐵路橋梁結(jié)構(gòu)病害主要表現(xiàn)在混凝土梁體開(kāi)裂、混凝土剝落、鋼筋銹蝕、附屬結(jié)構(gòu)損壞、橋墩墩身開(kāi)裂、混凝土銹蝕、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕、螺栓缺失等。在橋梁支座等關(guān)鍵部位，病害主要表現(xiàn)為局部銹蝕、橡膠密封圈液化外漏（圖3）、下支座板彎曲、防塵罩老化與缺失等。隨著橋梁結(jié)構(gòu)剛度的降低，橋梁部分運(yùn)營(yíng)性能指標(biāo)已超限。

圖3 密封圈液化外漏

2 基于分層分級(jí)的鐵路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估方法

2.1 評(píng)估流程

目前，我國(guó)鐵路橋梁管養(yǎng)及技術(shù)狀況評(píng)定相關(guān)規(guī)范中將橋梁病害等級(jí)分為A、B、C三級(jí)，對(duì)應(yīng)病害程度由嚴(yán)重到輕微。通過(guò)日常檢查，分別在構(gòu)件層次對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，而如何對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，暫無(wú)相關(guān)規(guī)定。隨著越來(lái)越多特殊結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)，規(guī)范已不能完全適用。

公路橋梁相關(guān)評(píng)估規(guī)范中，通過(guò)分層評(píng)定將橋梁技術(shù)狀況評(píng)估分為構(gòu)件層面、結(jié)構(gòu)部位層面以及全橋?qū)用妫跇?gòu)件層面的5類單項(xiàng)控制指標(biāo)逐步對(duì)全橋進(jìn)行評(píng)估。美國(guó)AASHTO手冊(cè)中按橋梁結(jié)構(gòu)形式和各組成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的位置將整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化成了各個(gè)單元并統(tǒng)一進(jìn)行了歸類，給出了各單元所具有的典型病害類型，并基于各病害損傷程度對(duì)橋梁各單元的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，將橋梁?jiǎn)卧】禒顩r分為好、中、差、嚴(yán)重四級(jí)狀態(tài)。

結(jié)合鐵路橋梁特點(diǎn)，在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，建立基于病害庫(kù)的鐵路橋梁分層分級(jí)評(píng)估方法，對(duì)鐵路橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行全面評(píng)估。該分層分級(jí)方法分為構(gòu)件層次評(píng)估、部件層次評(píng)估、結(jié)構(gòu)部位評(píng)估以及全橋狀態(tài)評(píng)估。鐵路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估流程（圖4）：①根據(jù)橋梁類型建立橋梁病害庫(kù)；②基于病害庫(kù)對(duì)橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查；③根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)橋梁構(gòu)件層面進(jìn)行評(píng)估，若構(gòu)件出現(xiàn)A類病害特征，橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定為不及格，立刻安排檢修；④若構(gòu)件層面未出現(xiàn)A類病害特征，則根據(jù)構(gòu)件評(píng)定結(jié)果對(duì)部件、結(jié)構(gòu)部位和全橋狀況進(jìn)行評(píng)估。

圖4 鐵路橋梁技術(shù)狀況評(píng)估流程

2.2 不同類型橋梁結(jié)構(gòu)部位分類

我國(guó)鐵路橋梁形式多樣，包括簡(jiǎn)支梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋等。不同類型橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，技術(shù)狀況評(píng)估時(shí)重點(diǎn)不同。不同類型橋梁結(jié)構(gòu)部位劃分及主要構(gòu)件見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，在鐵路橋梁中，支座、梁端伸縮裝置等關(guān)鍵部位直接影響行車安全，所以在進(jìn)行技術(shù)評(píng)估時(shí)將其作為一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行評(píng)估。

表1 不同類型橋梁結(jié)構(gòu)部位劃分及主要構(gòu)件

2.3 橋梁技術(shù)狀況等級(jí)分類

我國(guó)公路橋梁相關(guān)技術(shù)規(guī)范中根據(jù)評(píng)估結(jié)果將橋梁結(jié)構(gòu)狀況分為5級(jí)。為準(zhǔn)確評(píng)估鐵路橋梁服役狀況并指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修，在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，將鐵路橋梁狀況等級(jí)分為9級(jí)（表2）：60分以上每5分一級(jí)；低于60分，直接判定橋梁處于失效狀態(tài)，需立即進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估；80分以上，橋梁處于良好狀態(tài)，按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)；80分以下70以上時(shí)，橋梁處于一般狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)檢修頻率，重點(diǎn)關(guān)注病害易發(fā)部位；70分以下時(shí)，橋梁處于關(guān)鍵狀態(tài)，應(yīng)對(duì)橋梁進(jìn)行專業(yè)檢查，立即整治相關(guān)病害。

表2 橋梁技術(shù)狀況等級(jí)描述與評(píng)分

3 分層分級(jí)評(píng)估細(xì)則

3.1 鐵路橋梁劣化等級(jí)劃分

美國(guó)AASHTO手冊(cè)中將結(jié)構(gòu)單元的健康狀況分為：好、中、差、嚴(yán)重四級(jí)，JTG/T H21—2011中將構(gòu)件單元的劣化等級(jí)由好到壞分為1~5類共5個(gè)標(biāo)度。為準(zhǔn)確評(píng)估鐵路橋梁技術(shù)狀況，參考鐵路橋相關(guān)評(píng)估規(guī)范，將鐵路橋梁構(gòu)件病害劣化等級(jí)分為AA、A1、B、C四級(jí)，表示構(gòu)件病害程度由嚴(yán)重至輕微，見(jiàn)表3。

表3 橋梁墩臺(tái)病害分類及劣化等級(jí)

3.2 橋梁構(gòu)件層次評(píng)估

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)單元主要按照其劣化等級(jí)進(jìn)行定性評(píng)估。本文提出的分層分級(jí)評(píng)估方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)單元的檢查結(jié)果，在單元層面上根據(jù)病害劣化等級(jí)進(jìn)行扣分，其中AA、A1、B、C級(jí)分別扣60、40、20、10分，劣化等級(jí)越高，扣分越多。評(píng)分過(guò)程中取各類病害中的最大扣分等級(jí)為該類病害或缺陷的扣分級(jí)別，再將同一單元的不同病害類的扣分值按大小順序進(jìn)行排列，分別為x1，x2，…，x n，并采用下式計(jì)算，最終得到結(jié)構(gòu)單元的評(píng)估得分。式中：C i為結(jié)構(gòu)第i構(gòu)件評(píng)估得分，構(gòu)件得分最低為0。

3.3 橋梁部件層次評(píng)估

橋梁構(gòu)件評(píng)分完成后，根據(jù)不同構(gòu)件作用分類為不同部件，如鋼結(jié)構(gòu)橋梁主桁部件包括上弦桿、下弦桿、縱橫梁等。取部件包含的構(gòu)件得分平均值作為部件得分值，即

式中：P i為結(jié)構(gòu)第i類部件的得分。

3.4 橋梁結(jié)構(gòu)部位層次評(píng)估

求得各部件得分后，根據(jù)各部件所屬結(jié)構(gòu)部位（如橋梁下部結(jié)構(gòu)包括墩臺(tái)、基礎(chǔ)等）計(jì)算各結(jié)構(gòu)部位得分，即

式中：S i為橋梁第i部位評(píng)估得分；w i為第i類部件在橋梁各結(jié)構(gòu)部位中所占權(quán)重；m為結(jié)構(gòu)部位個(gè)數(shù)。

3.5 全橋技術(shù)狀況評(píng)估

求得各結(jié)構(gòu)部位得分后，根據(jù)各結(jié)構(gòu)部位的權(quán)重計(jì)算全橋技術(shù)狀況得分D，即

式中：p i為橋梁各部位在橋梁結(jié)構(gòu)中所占權(quán)重

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的鐵路橋梁分層分級(jí)評(píng)估方法，以橋梁構(gòu)件病害為基礎(chǔ)，分別對(duì)構(gòu)件、部件、結(jié)構(gòu)部位以及全橋狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。該方法采用定性與定量分析相結(jié)合，結(jié)合技術(shù)狀況等級(jí)，直觀掌握橋梁構(gòu)件病害，對(duì)全橋技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修。