國內外橋梁技術狀況評定方法對比

孫 莉，陶 鵬

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

引言

在橋梁的養護管理中，基于橋梁檢查結果的技術狀況評定，是橋梁狀態評估、維修加固、工程規劃、養護資金分配和安全與應急管理等工作的主要依據。目前在國內，公路橋梁技術狀況的評定主要遵循《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011，簡稱《評定標準》）。《評定標準》自2011 年9 月1日開始實施，經過多年的使用，工程人員和學者們普遍反映存在問題[1-2]：（1）檢測指標即病害的扣分順序對橋梁構件技術狀況評分的計算結果影響較大；（2）某一橋梁構件上同時存在多種輕微病害時扣分太嚴重；（3）構件劃分不明確；（4）部件權重不盡合理；（5）構件類型、橋梁結構類型不全面；（6）病害標度評定標準不細致。

為使橋梁技術狀況評定的結果更加合理準確，研究人員嘗試提出解決方案，如建議對構件病害扣分值按從大到小進行排列，統一按照從大到小的順序計算；多種輕微病害疊加時，選擇標度大即更嚴重的一個病害進行計算；基于病害的發展趨勢對扣分值進行修正；通過大量的舉例說明橋梁構件的劃分方法等。總體來說，目前大部分中文文獻所給出的建議均是在《評定標準》方法的基礎上，修正其中的某一項或幾項內容，對保證橋梁技術狀況評定的前后延續性有意義[3]，但未跳出現有方法框架。

1 概述

1.1 對比分析評分方法

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

1.2 對比分析內容

目前各國在進行橋梁技術狀況指標的計算時，大部分都基于構件層級的數據來開展[4]。但各國相關標準、規范或手冊對橋梁構件的定義不盡相同。《評定標準》定義橋梁構件為組成橋梁結構的最小單元，如一片梁、一個橋墩；而橋梁部件指結構中同類構件的統稱，如梁、橋墩。總體來說，橋梁部件主要按其承擔的功能劃分，不再區分材料、工法、構件形式等其他因素；而構件則是部件的實例，根據具體橋梁的結構組成，一類部件可離散成多個構件。

在進行BHI 計算時，其構件劃分遵循《Manual for Bridge Element Inspection》（MBEI-2—2019）[5]；而關于PI 的計算，ATKINS[6]給出了標準橋梁構件表。這兩者關于橋梁構件的定義更接近于《評定標準》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《評定標準》定義的橋梁部件這一層級的評分展開。

1.3 計算示例

假設需對一跨徑30 m 的簡支預應力混凝土小箱梁橋的主梁進行評分。主梁共采用4 片梁，各片小箱梁的尺寸及病害數據見表1。各類病害的標度依據《評定標準》確定，其他未涉及的檢測指標均假定無相關病害。

表1 計算示例橋梁構件尺寸及病害數據

基于工程經驗，表1 描述的主梁部件，從定性的角度看，可認為其功能基本良好，材料有局部輕度的缺損，即根據《評定標準》的表3.2.4，可初步評定為2 類。

2 主梁部件評分計算

2.1 依據《評定標準》的主梁部件評分

《評定標準》中橋梁構件的技術狀況評分，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量的橋梁構件，對其中每一個橋梁構件，評價其各種檢測指標的標度，然后根據扣分規則和計算規則，計算出其技術狀況評分。部件評分則是在構件評分的基礎上，根據所包含構件的得分平均值、最低構件得分值和隨構件數量而變的系數，計算得出。

將計算示例中的主梁按表1 劃分成4 個評分構件，依據《評定標準》進行構件評分計算時，按扣分值從大到小的順序計算，病害疊加時仍單獨計，則構件與部件的評分結果見表2，表中Ui是關于扣分值的計算變量。

表2 據《評定標準》將主梁劃分為4 個構件評分結果

如果不對主梁作進一步劃分，將其按1 個構件進行評分，可認為各類檢測指標依據《評定標準》的標度均為2，則按扣分值從大到小的順序計算，病害疊加時仍單獨計，評分結果見表3。由于只有一個構件，構件評分即部件評分。

表3 據《評定標準》將主梁劃分為1 個構件評分結果

2.2 基于美國健康指數BHI 的計算方法的主梁部件評分

用0～100 的數字評分，來反映橋梁的剩余價值[4]。

式中：TEVi—橋梁構件的原始價值；TEQi—橋梁構件按統計標準的工程量；FCi—橋梁構件單位失效成本；CEVi—橋梁構件的現有價值QCSij—橋梁構件某種技術狀況標度下的統計工程量；WFij—某種技術狀況標度的權重系數。

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

MBEI-2—2019[5]定義了各類橋梁構件的計量單位，如按長度、面積或個數來計，要求在橋梁檢查時，對每一類橋梁構件，確定其處于不同技術狀況標度的構件數量，即通過計量這種連續方式將構件進一步細分。

根據MBEI-2—2019[5]針對預應力混凝土構件在各種病害類型下技術狀況評判的指導原則，計算示例中各處病害的標度也為2。結合MBEI-2—2019[5]對構件上某個部位同時發生多種病害時的處理方法，即處于最差技術狀況的病害及數量將計入到構件上，當同一部位多種病害的技術狀況標度相同時，可按相關手冊給出的推薦病害類別排序，選擇排序靠前的病害及數量計入到構件上。因此，計算示例按照MBEI-2—2019[5]的病害情況統計見表4。

MBEI-2—2019[5]已將所有構件技術狀況的最高標度統一為4，則對應技術狀況標度1～4，WF 數值分別為1.0、0.67、0.33、0。主梁健康指數（未考慮權重）的結果見表4。預應力混凝土小箱梁的構件健康指數（未考慮權重）為98.11。

表4 基于健康指數BHI 的計算方法的主梁部件評分/m2

2.3 基于英國性能指標PI 的計算方法的主梁部件評分

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

如一個構件，對所發生的病害的嚴重性評價結果為3，病害范圍評價結果為C。則根據表5，構件技術狀況評分ECS=3.1。

表5 橋梁構件技術狀況評分

在計算出構件技術狀況評分ECS 后，再根據構件的重要性類別，考慮一個調整評分ECF，進而計算出構件技術狀況指標[6]ECI=ECS-ECF。而構件的重要性類別也對應一個構件重要性系數EIF，在此基礎上采用加權平均法，全橋的技術狀況評分BCS：

將BCS 轉換成性能指標PI，在0～100 內的數值（0 為最差，100 為最佳）。

性能指標PI 計算時，構件技術狀況評分一般針對文獻[6]給出的標準橋梁構件表中的構件，該構件類似于《評定標準》中的部件，在評分時綜合該類構件上的所有病害數據，做出一個綜合評價，根據文獻[7]，對一類構件上發生多種類型的病害時，最終以最差技術狀況的病害數據來代表對構件的評價。

如果需要對構件做出更具體的技術狀況數據記錄，可將構件進一步劃分為子構件。ATKINS[6]給出了在計算PI 時橋梁構件進一步細分成子構件的技術狀況評估流程和方法，先對子構件分別進行評價，進一步計算構件ECS 時，其嚴重性總體評價結果取最差子構件的結果代表，而病害范圍總體評價則進行加權平均計算，首先將病害范圍評價結果A、B、C、D、E 轉換成對應的數值0、0、0.1、0.3、0.7，然后基于子構件的特征尺寸與特征尺寸最大值之間的比值計算出權重系數，加權平均計算后獲得構件病害范圍總體評價結果，而構件ECS 則是嚴重性總體評價結果和病害范圍總體評價結果之和，結果見表6（未考慮基于構件重要性類別的評分調整和權重）。

表6 性能指標PI 計算中橋梁構件技術狀況評分

3 對比分析

（1）針對主梁部件，不考慮其在整個結構中的權重，《評定標準》的得分最低，英國PI 計算的得分居中，而美國BHI 計算的得分則最高。與基于工程經驗的定性判斷結果（2 類）對比，可認為基于英國性能指標PI 的計算方法的主梁部件評分更接近合理值。（2）基于《評定標準》的評分計算，如果仍按4 個構件計算，考慮病害疊加時只計一種，則表2中的U2均為0，最終計算出的部分得分為65，仍為三者中最低。從結果數據看，《評定標準》的評分較為保守。（3）《評定標準》的計算方法需將橋梁部件離散成一定數量的橋梁構件，但其并未給出橋梁構件的劃分原則，各構件得分參與部件得分計算時并未考慮權重。與PI 的計算方法相比，其在子構件劃分時，引入了一個權重系數，由子構件的特征尺寸如長度、面積等，通過與所有子構件特征尺寸的最大值之間的比值計算出，這也相應給出了子構件劃分的一條原則，并使構件評分的計算更為合理。（4）討論的各種橋梁技術狀況評定方法的基礎均是各檢測指標即病害的標度評定，然后用病害評定結果來代表相應構件的技術狀況，BHI 和PI 的計算都用病害的評定結果來直接代表構件的技術狀況，在病害疊加時取技術狀況最差或嚴重性影響更不利的病害數據來代表；《評定標準》增加了對病害評分的步驟，并考慮多種病害同時發生時的扣分加大，這也使得其計算結果偏保守。同時，各種技術狀況評定方法中病害的標度評定都受檢測人員的專業水平和經驗影響較大，缺少一定的科學性和嚴謹性，主觀性較強，在未來智能檢測技術的發展會為這一問題提供較好的解決方案。

4 結語

基于計算示例，對中、美、英三國相關標準、規范或手冊中橋梁技術狀況的評分方法進行了對比和分析，結果表明基于《評定標準》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于橋梁構件劃分、構件上病害疊加時的處理方法。合理的橋梁技術狀況評分值將對橋梁養護決策形成較好地指導。