美國、日本、英國橋梁技術狀況評定方法分析

張勁泉，劉 淵,2,3，申 強,2，畢碩松,2，溫娟娟,2

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.北京新橋技術發展有限公司，北京 100088； 3.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

截至2020年末，我國公路橋梁總計912 786座，其中橋齡30 a以內的688 285 座，占比75.4%。而美國聯邦公路局公開數據[1]顯示，在用的618 456座橋梁中，橋齡30 a以內的207 418座，占比33.5%，橋齡100 a以上的尚有15 481座。相比之下，我國橋梁明顯處于青壯年期，未來橋梁養護管理工作任務將持續艱巨。

橋梁作為公路交通的節點工程，在國民經濟中的重要性極為突出，近年來隨著橋梁養護管理水平不斷提升，橋梁垮塌惡性事故雖持續下降但仍時有發生，一次又一次敲響警鐘。橋梁技術狀況作為評價橋梁運營服務水平的最廣泛指標，是衡量橋梁結構安全性和養護維修緊迫性的基本依據，評定結果的客觀、全面、準確和適用程度將直接影響養護管理效果[2]。

鑒于世界各國和地區的橋梁發展歷程及養護管理模式有所區別，橋梁技術狀況評定方法也各有差異[3-5]。為此，本研究通過分析發達國家的評定方法及其經驗，為完善我國橋梁技術狀況評定標準體系提供參考。

1 我國評定方法

我國公路橋梁標準體系從《公路養護技術規范》(JTJ 073—96)[6]中首次提出了考慮部件權重的綜合評定法，《公路橋涵養護規范》(JTG H11—2004)[7]制定時未做調整;隨后，《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)[8]中提出了基于構件病害的分層綜合評定法。兩種評定方法各有特點，從2011年共同使用至2021年[9]。

1.1 考慮部件權重的綜合評定法特點

該方法[7]通過對橋梁各組成部件的缺損程度進行檢查，根據缺損程度(大小、多少或輕重)、缺損對結構使用功能的影響程度(無、小、大)和缺損發展變化狀況(趨向穩定、發展緩慢、發展較快)3個方面，以累加評分方法對各部件缺損狀況做出等級評定。其優點在于評定過程中需要考慮構件、部件之間的相互關系，判定缺損對使用功能的影響和缺損進一步發展的風險程度，突出了橋梁作為一個整體受力結構的特性，評定結果更全面；缺點在于檢查成果以定性判定為主，對病害發展變化細節掌握不足，而且在養護決策時還需要進一步詳細調查缺損，方可制訂詳細的處治方案。

1.2 基于構件病害的分層綜合評定法特點

該方法[8]通過對橋梁各構件缺損的詳細檢查并判定其損傷標度，按構件→部件→結構→全橋分層綜合評定計算得出全橋技術狀況。其優點在于評定時充分關注構件的缺損細節，便于數字化管理，檢查評定成果可以直接作為養護決策的依據；缺點在于評定過程主要采用表觀缺損的數據，缺乏對構件、部件之間相互作用和相互影響的考慮。

2 美國評定方法

1967年12月，美國西弗吉尼亞州Silver橋的倒塌導致46人喪生[10]，從那時起聯邦政府開始關注全國橋梁的技術狀況。技術狀況評定方法也經過了幾代修訂，目前美國橋梁評定方法包括基于部件的評定方法和基于構件的評定方法兩大類，以及延伸的橋梁適應度及橋梁健康指數供不同管理需求使用。現行《橋梁養護指南》(2018)[11]同時針對這兩種評定結果提出了養護對策建議。

2.1 基于部件的評定體系

美國《國家橋梁結構報表及評估記錄編碼指南》[12]于1995年制定并沿用至今，其中定義了用來描述橋梁位置、幾何形態、橋齡、交通、承載能力、結構狀態等信息的116項數據(57項靜態數據和59項動態數據)，用于橋梁技術狀況評價的部件為橋面板(項目58)、上部結構(項目59)和下部結構(項目60)，評定等級從失效到完好狀態分為0～9級，見表1。全橋等級評定以這3類部件的最差得分確定：最差得分大于等于7為良好(Good)狀況，最差得分小于等于4為差的(Poor)狀況，最差得分5，6為中等(Fair)狀況。

表1 全橋及部件評定標準

2.2 基于構件的評定體系

美國基于構件的評定體系始于1998年[13]，幾經修訂為現行《橋梁構件檢查手冊》(2015版)[14]。其中將橋梁構件分為國家橋梁構件(NBEs)、橋梁管理構件(BMEs)和機構自定義構件(ADEs)3類。國家橋梁構件僅包括橋面板、上部結構和下部結構的重要構件，旨在保證重要構件在全國各機構之間的一致性，以便采用全國統一的標準獲取橋梁構件狀態。橋梁管理構件包括伸縮裝置、防腐涂層等，這些構件通常由管理機構通過橋梁管理系統管理。機構自定義構件根據管理機構需求自定，可以是國家橋梁構件或者橋梁管理構件的子構件，也可以是全新的自定義構件。

該手冊共定義9類103個構件、6類材料、47種缺損，對所有構件狀況分為好(Good)、中(Fair)、差(Poor)和嚴重(Severe)4個等級，并用狀況1～4來表示。其中狀況1～3可通過外觀檢查并查閱手冊直接判定，狀況4一般不通過缺陷描述直接判定，認為存在狀況4的構件通常可能影響承載能力，需要在初步判定后進行“結構審查”，由有相關資質(或資格)的人員對現場進行評估并確定這些缺陷對構件性能的影響。混凝土梁裂縫狀況評定標準見表2。

表2 混凝土梁裂縫狀況評定標準

2.3 聯邦公路局適應度評定

適應度評定數據來源于國家橋梁數據庫(NBI)，即《國家橋梁結構報表及評估記錄編碼指南》[12]中規定的部件級數據項計算得出。適應度評定等級(Sufficiency Rating)考慮了結構的充分性和安全性(Structural Adequacy and Safety)、服務和功能退化程度(Serviceability and Functional Obsolescence)、公共服務水平(Essentiality for Public Use)和特別扣減(Special Reductions)4個方面,按式(1)計算，適應度評定結果為0～100%，0代表適應性最差，100代表適應性最好。橋梁適應度評定是各州制定路網級養護計劃的重要依據。

SR=S1+S2+S3-S4,

(1)

式中,SR為橋梁適應度(0～100%)；S1為結構的充分性和安全性 (最大55%)；S2為服務和功能退化程度(最大30%)；S3為公共服務水平 (最大15%)；S4為特別扣減 (最大13%，僅當S1+S2+S3≥50時使用)。

(1)結構的充分性和安全性S1按式(2)計算，取值介于0～55%之間。

S1= 55-(A+B)，

(2)

式中，A為根據上部結構或下部結構的最低評級代碼，按表3取值；B為承載能力降低程度，最大值為55%；根據剩余承載力IR(用噸表示的剩余承載力)計算，當IR≥32.4時，B取0，否則B=(32.4-IR)1.5×0.325 4。

表3 S1相關參數取值表

(2)服務和功能退化程度S2按式(3)計算，取值介于0～30%之間。

S2=30-[J+(G+H)+I],

(3)

式中,J為功能不足程度，最大值為13%，J=A+B+C+D+E+F，其中A，B，C，D，E，F分別為考慮項目58，67，68，69，71，72的最低評級代碼，按表4取值；G+H為道路寬度不足程度，最大值為15%；G為行車道與橋頭引道寬度的適應性，如果行車道全寬+0.6 m小于橋頭路寬，取G=5%，否則為0；H為車道寬度的適應性，考慮年平均日交通量(ADT)、車道數、平均車道寬度等因素的綜合指數，取值介于0～15%之間；I為豎向凈空影響程度，最大值為2%，當戰備公路凈空小于4.87 m或其他公路凈空小于4.26 m時，取I=2%，否則為0。

表4 S2相關參數取值表

(3)公共服務水平S3按式(4)計算，取值介于0～15%之間。

S3=15-(A+B)，

(4)

取值介于0～15%之間，繞行長度以km計；B為戰備影響，戰備橋梁取B=2%，否則為0。

(4)特別扣減僅當S1+S2+S3≥50時使用，按式(5)計算，取值介于0～13%之間。

S4=A+B+C，

(5)

式中，A為按A=繞行長度4×7.9×10-9計算，取值介于0～5%之間，繞行長度以km計；B為特殊橋型扣減，部分特殊橋型結構取B=5%；C為交通安全特征扣減，表示護欄的出入段及其與橋梁護欄銜接狀況是否符合現行標準，取值介于0～3%之間。

2.4 加州交通運輸局橋梁健康指數

1989年以來，加州交通運輸局參與開發了美國國家公路與運輸協會(AASHTO)的橋梁管理系統(Pontis)，并制訂了橋梁健康指數BHI(Bridge Health Index)[10]。根據現行《橋梁構件檢查手冊》(2015版)[14]，橋梁健康指數根據所有構件剩余價值之和與構件失效更換成本之和的比率按式(6)計算，取值為0～100，代表全橋總體剩余價值的比率。加州交通運輸局以橋梁健康指數作為資產管理的依據。

(6)

式中，BHI為橋梁健康指數(0～100%)；CEV為構件剩余價值；TEV為構件失效更換成本。

構件失效更換成本由每個橋梁構件的直接更換成本、機構管理成本和用戶成本構成。直接更換成本根據構件材料和更換工程成本估算。機構管理成本包括運營成本、檢測評估成本、維修成本和加固成本等。用戶成本包括因橋梁維修導致限流或繞行時，車輛運營成本的增加、繞行道路維護等。構件失效更換成本根據同類構件經統計分析和專家評估相結合制訂出單個構件的更換綜合成本，一般同類構件采用統一的更換成本。構件失效更換成本按式(7)計算。

TEV=TEQ·FC，

(7)

式中，TEV為構件失效更換成本；TEQ為所有構件數量；FC為1個構件的更換成本。

構件當前價值根據所有構件的技術狀況評定結果按式(8)計算。

CEV=∑(QCSi·WFi)·FC，

(8)

其中：

(9)

式中，CEV為構件剩余價值;QCSi為某狀況等級的構件數量;WFi為某狀況等級的系數;FC為單個構件的更換成本。

3 日本評定方法

在日本，目前投入使用的橋梁大部分是從20世紀50年代中期以來經濟高速增長階段建設完成的[15]，為了應對基礎設施快速老化的問題，防止對社會造成不良影響，開始探尋有效的基于資產管理理念的養護管理體系，靜岡縣針對部件級規定了健康度Ⅰ和健康度Ⅱ。橋梁評價計算結果是以評估構件所處的缺損狀態，通過構件、結構的重要性加權系數為基礎而得的，計算步驟從缺損→構件→部件→結構→單跨→全橋分階段依次綜合評價。

3.1 基于缺損的構件評定

缺損級檢查數據是指對組成橋梁結構的各構件現場檢查，通過對各構件上產生的缺損進行判定。為避免由于檢查人員的個體差異如知識背景、經驗等因素引起評定結果的偏差，缺損評定標準趨向于以客觀條件為主。

日本《橋梁定期檢查要點》[16]主要考慮鋼和混凝土構件缺損并兼顧其他構件，劃分出鋼構件缺損5類、混凝土構件缺損6類、其他構件缺損5類、通用缺損10類共計26類缺損，缺損分類見表5。每類缺損根據缺損影響的深度和面積按表6所示原則劃分為a～e共5個等級。

表5 構件缺損分類

表6 構件缺損等級分類原則

3.2 部件健康度評定

日本靜岡縣《橋梁檢查手冊》[17]為便于橋梁檢查人員直接查閱使用，對缺損進一步梳理后按照表6所示原則將每類缺損評定標準簡化為等級A～E用以表示，見表7，并對各缺損等級賦予特定的扣分值及修正系數，以鋼構件為例，相關參數見表8。缺損類型“◎”表示所對應的缺損等級及扣分值，“—”表示無此評價等級。以裂紋及斷裂作為構件破壞標準設定基準修正系數1，其余缺損根據對構件使用功能的影響程度確定。

表7 構件缺損等級及扣分值

表8 鋼構件缺損類型及參數

部件健康度(HI)根據構件上所有缺損的扣分值結果按式(10)計算得出。

健康度(HI)=100-∑缺損扣分值，

(10)

其中：

部件缺損扣分值=

∑缺損修正系數·缺損扣分值。

(11)

健康度Ⅰ即平均健康度，計算時根據各構件中缺損等級的比例計算。其目的是在有限的養護資金條件下，采用合理的評價結論服務于優化養護經費分配策略，判斷維修的必要性、優先順序、工程費用標準等進行定量表達，從而使橋梁總體服役能力達到最優，是基于資產管理理念的技術狀況指標。

健康度Ⅱ即最差健康度，計算時根據各構件中最差的缺損等級計算。其目的是對組成橋梁構件的力學特性和安全程度進行判斷，表示為防止構件屈服或橋梁垮塌應達到的技術水平，是基于安全管理理念的技術狀況指標。

3.3 橋跨及全橋評定

同時對各類結構和部件賦予特定的修正系數，橋跨缺損扣分值根據組成橋跨的所有部件缺損扣分值按式(12)計算，部件缺損扣分值采用各構件中缺損扣分值按比例計算，即健康度Ⅰ計算得到的缺損扣分值，具體計算示例見表9。

表9 橋跨缺損扣分值計算示例

橋跨缺損扣分值=

∑結構修正系數·結構缺損扣分值,

(12)

其中:

結構缺損扣分值=

∑部件修正系數·部件缺損扣分值。

(13)

橋跨健康度按照式(10)計算，當有多個橋跨時，以各橋跨的健康度平均值作為橋梁的健康度。

4 英國評定方法

英國的橋梁技術狀況評定標準[18]是采用以構件缺損狀況評價為基礎，考慮構件重要性等級和關鍵構件最差狀況等因素的綜合評定方法。橋梁狀況等級分為BCSAv和BCSCrit，BCSAv是基于全橋所有構件整體評價的技術狀況等級，BCSCrit是基于關鍵構件最差狀況評價的技術狀況等級。

4.1 基于缺損的構件評定

構件評定根據缺損的嚴重程度和范圍確定，將構件缺損的嚴重程度從優到差劃分為如表10所示的5個等級(1～5)，缺損覆蓋范圍從小到大劃分為如表11所示的5個等級(A～E)。

表10 構件缺損程度評定標準

表11 構件缺損范圍評定標準

構件狀況評分(Element Condition Score，ECS)根據缺損的嚴重程度和分布范圍，按照表12確定每一個構件的ECS，分值越大表明構件狀況越差。

表12 構件狀況評定標準

4.2 全橋平均狀況等級

BCSAv是基于全橋所有構件整體評價的技術狀況等級，可稱為全橋平均狀況等級，評定結果為1～5級，分別代表最優～最差。BCSAv評定由組成結構的每個構件對全橋的貢獻值的加權組合，按式(14)計算。

(14)

表13 EIF評定表

4.3 全橋最差狀況等級

BCSCrit是基于關鍵構件最差狀況評價的技術狀況等級，可稱為全橋最差狀況等級，同樣，評定結果為1～5級，分別代表最優～最差。BCSCrit評定取組成結構的非常重要構件的構件狀態指數(ECI)的最大值，即式(15)所示。

BCSCrit=max {非常重要構件的ECI} 。

(15)

非常重要構件包括主橋面板、橫梁、次橋面板、連接件、拉吊桿、護欄和懸挑梁、墩臺等，以及其他懸吊、錨索體系的纜索。

4.4 橋梁狀況指數

考慮到以1～5的橋梁狀況等級代表橋梁的總體水平，對于公路工程以外的人來說，這個標度有些難以理解和容易混淆。因此，引入百分制的橋梁狀況指數BCI(Bridge Condition Indicator)，用來表示可能的最佳狀態至最差狀態。BCI分為BCIAv和BCICrit，BCIAv代表平均服務水平，BCICrit代表最差服務水平，分別按式(16)和式(17)計算。

BCIAv=100-2[BCSAv2+6.5·BCSAv-7.5],

(16)

BCICrit=100-2[BCSCrit2+6.5·BCSCrit-7.5]。

(17)

5 各國評定方法分析

通過對美國、日本、英國的評定方法分析可以看出，雖然各國的橋梁養護管理特點不同，評定方法也不盡相同，但由于養護管理工作的必然性特征，各國的評定方法在很多方面仍然有相似之處并各有特點。

5.1 美、日、英的共同點

經過多年來評定方法的總結和修訂，各國的橋梁檢查體系均細化到各構件的具體缺損表現上，以構件缺損狀況的檢查結果作為技術狀況評價的基本依據，總體上均以從缺損到構件再到全橋的分層綜合評定原則開展橋梁技術狀況評定。

5.2 美、日的共同點

美國和日本對各類橋型的構件組成在評定標準中進行了明確約定，同時對每類構件可能發生的缺損類型及其評定標度也進一步明確。美國構件評定體系共規定了103個構件和47類缺損，日本構件評定體系共規定了19類構件(考慮材料29類構件)和26類缺損。兩國的評定標準中，定義的構件和缺損基本覆蓋了常用橋梁的所有類型，確保了不同的橋梁檢查人員對同一構件和同一橋梁檢查結果的一致性。同時，兩國對于每座橋梁檢查數據的結構化處理大大提升了橋梁數據進一步分析和科學研究的價值。

5.3 日、英的共同點

日本和英國對橋梁綜合評價結果不約而同地考慮了最差狀況和平均狀況，略微區別之處在于日本從部件級別計算橋梁健康度Ⅰ和健康度Ⅱ，而英國在全橋級別計算橋梁平均狀況等級且直接以重要構件等級作為全橋狀況等級。

另外，兩國對于缺損的評價都考慮了缺損的嚴重程度和范圍兩個維度，區別在于日本靜岡縣根據使用需求進行了針對性的簡化以便于檢查人員使用。

5.4 美、英的共同點

美國和英國的特點在于多元化，且國內存在多種評價體系。本研究所述的美國評定標準為主流評定標準，2016年Campbell等[19]對14個州的橋梁管理調查顯示，其中6個州使用AASHTO橋梁管理系統，6個州使用獨立開發的管理系統，2個州沒有使用系統。英國評定標準[18]中同時給出了其他7種評定方法與該標準方法之間的換算關系，體現英國評定方法的多樣性。

5.5 美國的特點

美國的適應度評定涵蓋內容全面，有效地利用了國家橋梁數據庫(NBI)中的數據，計算過程簡單便捷，為路網級橋梁養護及改造提供了基礎。加州橋梁健康指數給出了橋梁剩余價值，有效利用基于構件的評價結果實現了資產管理需求。

特別是美國的構件評定體系中，對于構件狀況4的評定，明確要求需要進行“結構審查”，由有相關資質(或資格)的人員現場評定確認方可認定，防止對于極端狀態的誤判。

5.6 日本的特點

日本在橋型、構件及缺損類型的細化方面遠遠超出其他國家。國家級橋梁定期檢查標準僅對上部結構就劃分出91種類型之多，對混凝土結構裂縫針對不同構件類型、裂縫走向及形態共細化出26類。但在地方級橋梁定期檢查手冊中根據地方特點有所合并和取舍，避免檢查數據過多過細造成不必要的資源浪費。

5.7 英國的特點

英國在評定計算過程中，將構件劃分為4個重要性等級并分別賦予1.0～2.0之間的重要性系數，相當于在計算不同橋型時，根據橋梁存在的構件將權重進行二次分配，既實現了變權的效果，又簡化了計算過程。

6 結論

通過以上分析，我國先后兩種技術狀況評定方法各有特點，標準修訂應在充分吸收二者優點的基礎上，綜合考慮國外橋梁技術狀況評定方法的優點和共性特征，強化橋梁定期檢查和技術狀況評定結果對橋梁養護管理工作的有效支撐，促進公路橋梁安全耐久水平的提升。

(1)為便于橋梁檢查人員現場檢查時有準確的參考，有必要在現有標準基礎上細化橋型、構件和缺損評定標度，加強缺損評定數據的定量化和結構化設計，提高評定結果的客觀性并推動數據驅動型橋梁養護科學決策水平的發展。

(2)為促進橋梁養護精細化水平，有必要建立構件狀況等級評定方法，在考慮構件自身缺損狀況的基礎上，綜合考慮構件、部件和結構之間的相互作用和相互影響后予以評定，提高針對橋梁主要構件的精準養護和預防養護水平。

(3)為加強對危舊橋梁的準確判定，有必要在吸取我國原有兩種評定方法優點的基礎上，增加考慮構件功能及安全風險的評定要素，同時強調對4，5類橋梁的復核認定，提高評定結果對制訂養護措施的指導意義。

(4)為體現橋梁資產管理特性，有必要在原有技術狀況等級的基礎上，建立基于橋梁安全管理和資產管理考慮的多維度技術狀況評定指標，推動養護決策時兼顧單體橋梁養護的緊迫性和路網級橋梁遠期養護規劃的需要。