鐵路橋梁技術狀況分層分級評估方法

文良華 肖鑫

1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

橋梁結構在服役期內，受列車荷載作用、環境因素、材料退化、自然災害等因素影響，耐久性和安全性降低，給運營安全帶來隱患。橋梁狀態評估可以及時發現結構退化，并采取適當維護措施，保證結構安全。鐵路橋梁的評估主要包括承載能力評估和技術狀況評估。承載力評估主要通過現場荷載試驗檢算橋梁受力性能與整體狀態。技術狀況評估主要根據橋梁日常檢查數據，結合相應規范總體評價橋梁狀況。

國內外對橋梁的技術狀況評估做了較多研究，總體分為常規評估方法與模糊評估方法。常規評估方法中，美國聯邦道路廳于1995年制定了橋梁調查和評估指南［1］，要求每兩年對橋梁進行檢查并評估其狀態等級，包括上部結構總體狀態等級、下部結構總體狀態等級以及橋面總體狀態等級，并將各部位狀態等級分為了0（不允許的危險狀態，必須封閉）~9（安全狀態良好）共10個級別。丹麥首先基于病害類型評價橋梁結構15個標準構件的狀況，分為0~5共6個級別，然后基于橋梁構件的狀況評價結果進行整橋的技術狀況評估。德國將結構劃分為13個構件組，再將構件組細分為構件，基于每個構件的病害等級（每個病害類型根據其安全性、穩定性和耐久性分為6個等級）、病害類型、病害發生的數量、病害影響范圍及構件數量修正得到構件組的技術狀況等級，最終結合病害在構件的分布范圍評價橋梁整體技術狀況。我國公路橋梁技術狀況評估主要參考CJJ 99—2017《城市橋梁養護技術標準》、JTG 5120—2021《公路橋涵養護規范》以及JTG/T H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》。其中JTG 5120—2021將橋梁評定分為構件、部件、橋面系、上部結構、下部結構和全橋評估，采用分層綜合評定與5類病害單項控制指標相結合的方法，將橋梁技術狀況等級由好至差分為1~5類。在我國公路橋梁管理系統（CBMS2002）［2］中引入橋梁道路等級、交通量、繞行增加里程三項修正系數，采用綜合評估公式對橋梁進行綜合評價。文獻［3］引入橋梁缺損狀況指數，采用分層加權方法將橋梁分為橋面系、上部結構、下部結構進行評估，最終得到橋梁整體技術狀況。文獻［4-5］提出了基于構件的橋梁損傷狀況分層加權評估方法，分別對橋梁部件與整體狀況評估。而文獻［6］提出了將局部損傷度和總體損傷度兩項指標作為綜合評判的標準。文獻［7］建立了簡支梁橋結構多層次評估模型。文獻［8］基于層次分析法建立了橋梁結構層次分析模型綜合評估方法。我國臺灣對橋梁評估采用DER&U方法［9］，分為21個檢測項目，根據橋梁劣化程度、劣化范圍以及橋梁的重要性，按照0~4級評定，再針對橋梁構件維修的緊迫性進行評估，最后利用上述取值，綜合計算橋梁狀態指標。我國鐵路橋梁技術狀況評估主要參考鐵運〔2011〕131號《高速鐵路橋隧建筑物修理規則》、鐵運〔2010〕38號《鐵路橋隧建筑物修理規則》以及TB/T 2820.1—1997《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》，將構件病害等級分為A、B、C、D四級，僅在構件層次對橋梁進行評估。

模糊評估方法基于模糊數學對問題進行綜合評估。文獻［6］基于置信度與模糊數學的方法建立了橋梁損傷評估及對策模型。文獻［10］提出了多層次模糊評估模型對橋梁進行評估，采用損傷度來度量結構/構件的損傷程度，確定相應技術狀態等級。文獻［11］建立了既有橋梁可靠性多級模糊綜合評判方法，采用隸屬度加權平均法評定橋梁。文獻［12］提出了模糊加權向量方法，搭建了橋梁總體評估程序。文獻［13］研究了服役結構狀態可靠性模糊綜合評定方法。文獻［14］充分運用模糊理論聚類分析方法建立了混凝土橋損傷狀況評估方法。文獻［15］基于模糊神經網絡建立了斜拉橋安全性與耐久性評估方法。

隨著鐵路的建設，出現了越來越多的大跨度特殊結構橋梁，及時掌握橋梁結構狀況并對其進行狀態評估，是橋梁后期運營維護面臨的巨大挑戰。我國鐵路橋梁狀態評估多基于相關規范，且大多制定實施于20世紀90年代，當時鐵路橋梁結構形式簡單，而規范中缺乏對大跨度復雜橋梁的狀態評估方法，且評估方法僅在構件層次進行評定，未能對全橋整體狀況作出評估。因此，如何充分結合橋梁日常檢查數據對橋梁管養提供指導，是亟待解決的主要問題。本文結合國內外相關規范及鐵路橋梁技術狀況評估方法，基于橋梁標準病害庫，結合日常人工檢查數據，提出針對鐵路橋梁的分層分級評估方法。

1 鐵路橋梁建設概況

我國鐵路運營里程變化趨勢見圖1。截至2021年底已突破15萬km。高速鐵路發展取得了巨大成就，從中國首條設計時速350 km京津城際通車到現在，高速鐵路運營里程快速攀升，2013年突破1萬km，2016年突破2萬km，2019年突破3萬km，2021年突破4萬km。

圖1 我國鐵路運營里程變化趨勢

鐵路線路多跨越江河峽谷、地質不良地段等，多采用以橋帶路的方式，橋梁以簡支梁為主，預應力混凝土簡支梁具有受力明確、結構簡單的特點，成為鐵路橋梁主要結構形式。其他橋梁結構形式有鋼桁梁橋、鋼箱梁橋、結合梁橋。隨著建造技術的發展，一系列特殊結構橋梁也隨之建造，如斜拉橋、懸索橋、拱橋等，橋梁跨度已突破千米。高速鐵路中橋梁數量已超3萬座，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80%，滬杭高鐵中橋梁占比高達92%。不同線路橋梁占比見圖2。可知，高速鐵路線路中，橋梁平均占比已達54%。

圖2 不同線路橋梁占比

經過多年運營，鐵路橋梁結構病害主要表現在混凝土梁體開裂、混凝土剝落、鋼筋銹蝕、附屬結構損壞、橋墩墩身開裂、混凝土銹蝕、鋼結構銹蝕、螺栓缺失等。在橋梁支座等關鍵部位，病害主要表現為局部銹蝕、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。隨著橋梁結構剛度的降低，橋梁部分運營性能指標已超限。

圖3 密封圈液化外漏

2 基于分層分級的鐵路橋梁技術狀況評估方法

2.1 評估流程

目前，我國鐵路橋梁管養及技術狀況評定相關規范中將橋梁病害等級分為A、B、C三級，對應病害程度由嚴重到輕微。通過日常檢查，分別在構件層次對橋梁結構進行評估，而如何對橋梁結構整體狀態進行評估，暫無相關規定。隨著越來越多特殊結構橋梁的建設，規范已不能完全適用。

公路橋梁相關評估規范中，通過分層評定將橋梁技術狀況評估分為構件層面、結構部位層面以及全橋層面，基于構件層面的5類單項控制指標逐步對全橋進行評估。美國AASHTO手冊中按橋梁結構形式和各組成結構或構件的位置將整個橋梁結構進一步細化成了各個單元并統一進行了歸類，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橋梁各單元的健康狀況進行評估，將橋梁單元健康狀況分為好、中、差、嚴重四級狀態。

結合鐵路橋梁特點，在參考國內外相關規范的基礎上，建立基于病害庫的鐵路橋梁分層分級評估方法，對鐵路橋梁技術狀況進行全面評估。該分層分級方法分為構件層次評估、部件層次評估、結構部位評估以及全橋狀態評估。鐵路橋梁技術狀況評估流程（圖4）：①根據橋梁類型建立橋梁病害庫；②基于病害庫對橋梁進行現場檢查；③根據檢查結果對橋梁構件層面進行評估，若構件出現A類病害特征，橋梁總體技術狀況評定為不及格，立刻安排檢修；④若構件層面未出現A類病害特征，則根據構件評定結果對部件、結構部位和全橋狀況進行評估。

圖4 鐵路橋梁技術狀況評估流程

2.2 不同類型橋梁結構部位分類

我國鐵路橋梁形式多樣，包括簡支梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋等。不同類型橋梁的結構特點不同，技術狀況評估時重點不同。不同類型橋梁結構部位劃分及主要構件見表1。可見，在鐵路橋梁中，支座、梁端伸縮裝置等關鍵部位直接影響行車安全，所以在進行技術評估時將其作為一個獨立的結構部位進行評估。

表1 不同類型橋梁結構部位劃分及主要構件

2.3 橋梁技術狀況等級分類

我國公路橋梁相關技術規范中根據評估結果將橋梁結構狀況分為5級。為準確評估鐵路橋梁服役狀況并指導養護維修，在參考國內外相關規范的基礎上，將鐵路橋梁狀況等級分為9級（表2）：60分以上每5分一級；低于60分，直接判定橋梁處于失效狀態，需立即進行檢測評估；80分以上，橋梁處于良好狀態，按相關規范進行檢測維護；80分以下70以上時，橋梁處于一般狀態，應加強檢修頻率，重點關注病害易發部位；70分以下時，橋梁處于關鍵狀態，應對橋梁進行專業檢查，立即整治相關病害。

表2 橋梁技術狀況等級描述與評分

3 分層分級評估細則

3.1 鐵路橋梁劣化等級劃分

美國AASHTO手冊中將結構單元的健康狀況分為：好、中、差、嚴重四級，JTG/T H21—2011中將構件單元的劣化等級由好到壞分為1~5類共5個標度。為準確評估鐵路橋梁技術狀況，參考鐵路橋相關評估規范，將鐵路橋梁構件病害劣化等級分為AA、A1、B、C四級，表示構件病害程度由嚴重至輕微，見表3。

表3 橋梁墩臺病害分類及劣化等級

3.2 橋梁構件層次評估

對橋梁結構單元主要按照其劣化等級進行定性評估。本文提出的分層分級評估方法，根據結構單元的檢查結果，在單元層面上根據病害劣化等級進行扣分，其中AA、A1、B、C級分別扣60、40、20、10分，劣化等級越高，扣分越多。評分過程中取各類病害中的最大扣分等級為該類病害或缺陷的扣分級別，再將同一單元的不同病害類的扣分值按大小順序進行排列，分別為x1，x2，…，x n，并采用下式計算，最終得到結構單元的評估得分。式中：C i為結構第i構件評估得分，構件得分最低為0。

3.3 橋梁部件層次評估

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

式中：P i為結構第i類部件的得分。

3.4 橋梁結構部位層次評估

求得各部件得分后，根據各部件所屬結構部位（如橋梁下部結構包括墩臺、基礎等）計算各結構部位得分，即

式中：S i為橋梁第i部位評估得分；w i為第i類部件在橋梁各結構部位中所占權重；m為結構部位個數。

3.5 全橋技術狀況評估

求得各結構部位得分后，根據各結構部位的權重計算全橋技術狀況得分D，即

式中：p i為橋梁各部位在橋梁結構中所占權重

4 結語

本文提出的鐵路橋梁分層分級評估方法，以橋梁構件病害為基礎，分別對構件、部件、結構部位以及全橋狀態進行評估。該方法采用定性與定量分析相結合，結合技術狀況等級，直觀掌握橋梁構件病害，對全橋技術狀況進行評估，及時指導養護維修。