基于程度分析的中小桥梁评估方法

黄志伟 黄 侨 任 远

(东南大学交通学院，南京 210096)

基于程度分析的中小桥梁评估方法

黄志伟 黄 侨 任 远

(东南大学交通学院，南京 210096)

考虑到公路和城市桥梁评估规范结果可能存在的差异，对城市内的原公路桥梁提出基于程度分析理论的评估方法.首先，采用心理测量试验和定性问题的定量描述研究评估标度及扣分值;其次，基于桥梁评估规范确定缺损、构件及部件的权重;然后，引入桥梁缺损对结构使用功能影响系数及缺损发展变化状况修正系数得到缺损最终扣分值;最后，结合分层加权方法计算各部件及全桥的技术状况评分.结果表明，采用基于程度分析的桥梁评估方法计算得到的全桥评分低于城市规范评分但高于公路规范评分.当基于不同规范得到的评估结论出现较大差异时，程度分析方法可作为一种辅助的评估方法.

桥梁;评估;程度分析;心理测量;定量化

桥梁有很多种评估方法，如基于评估规范、荷载试验、设计检算、可靠度理论、模糊理论、遗传算法及神经网络等.基于评估规范的评估方法由于容易实施、费用较低且能够较好地满足工程需求，得到各国相关部门的重视.目前，国内广泛用于既有公路及城市桥梁技术状况评估的规范主要有《公路桥涵养护规范》(JTG H11—2004)［1］(下文简称《公养规》)、《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99—2003)［2］(下文简称《城养规》)以及《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)［3］(下文简称《公桥评》).在城市化进程中，许多城市外围的公路桥梁被涵盖到城市范围内，因此同时采用公路和城市的相关规范(或标准)对这些桥梁进行技术状况评估有着现实需求［4］.但3个规范(或标准)在评估标度(或评分、扣分)方面存在差异，有可能得出不同的评估结果和维修决策［5］.因此，有必要在分析各规范评估标度的基础上研究既有桥梁的技术状况评估方法.

既有桥梁的技术状况评估是一项复杂的工作，除了需要考虑确定性和随机性影响因素之外，还涉及模糊性影响因素.不少学者研究了模糊理论在桥梁评估中的应用，取得了一定的成果［6-10］.此外，桥梁评估规范中常用与心理过程密切相关的“轻微”、“严重”等词描述缺损程度，有必要对它们加以度量.心理测量可成为度量它们使其数量化的一种重要手段［11］.程度分析是一种依托心理测量对非数量化对象进行度量的数学方法，其主要思路为:如果被估计的程度必须依赖心理测量，则请有经验的、有代表性的专家或技术人员，按照心理测量的基本要求进行试验.试验方法主要有线段法、置信法、多级估量法等［11］.程度分析方法在武器评价及道路安全性评价等方面得到了应用.文献［12］基于程度分析的线段法建立了一种武器评价方法，文献［13］应用程度分析中的置信法评价了道路的安全性.本文拟基于程度分析方法对既有桥梁的定性指标进行量化，结合《城养规》和《公桥评》的扣分及分层加权思想并借鉴《公养规》关于缺损影响与缺损发展趋势的分析思路，提出基于程度分析的桥梁评估方法.

1 基于程度分析的桥梁评估方法

1.1 评估标度的确定

标度是一种映射，它把经验关系系统同构地映射到数值关系系统［14］.标度的主要形式有1～9标度、0～2三标度、－1～1三标度、－2～2五标度、9/9～9/1分数标度、10/10～18/2分数标度、90/9～99/9指数标度和分数标度(5/5，5.5/4.5，6/4，6.5/3.5，…，8.5/1.5，9/1)［15］.

在桥梁评估的相关规范(或标准)中，主要采用三标度和五标度.在度量缺损程度时，《公养规》以0～2为基本标度，《公桥评》主要采用1～5标度.《城养规》用“无、轻微、严重”和“无、倾斜、坍塌变形”分别描述基础冲刷和基础移动的情况.本文从程度分析方法的心理测量试验及定性问题的定量描述两方面研究评估标度的确定方法.

1.1.1 心理测量试验

将桥梁构件的缺损程度分为“无”、“轻微”和“严重”3个等级，采用程度分析方法的线段法对这些等级进行考察.在纸上画上表示［0，1］区间的线段，以区间的左端点0表示“无”，以右端点1表示“严重”.设计关于“轻微”程度的心理测量表，以“您认为在(0，1)之间打个标记，用于表示“轻微”，标记应打在哪?(请打3次标记)”为问题对9位桥梁同行进行心理测量，测量结果见表1.表中，关于“轻微”程度的点估计值，其中n为试验者总数，xi为第i个试验者所打的最左边标记点对应的值，yi为第i个试验者所打的最右边标记点对应的值;关于“轻微”程度估计的盲度越小，表示估计的把握越大.

表1 心理测量试验结果

由表1的心理测量结果可知，关于“轻微”程度的点估计值a=0.228，估计的盲度¯m=0.055.

1.1.2 定性问题的定量描述

心理测量试验的目的是获得人们关于某些定性问题(如多寡、主次、大小等程度)的心理感受.关于定性问题的一些定量描述也反映了这种心理感受.文献［16］基于定性问题的定量描述将“轻微”程度扣分值取为“严重”程度扣分值的0.3倍.

关于“轻微”程度，心理测量试验和定量描述所反映的心理感受分别为0.228和0.3，两者的平均值为0.264.相对于取平均值，用0.3表示“轻微”程度的缺损，既便于计算又能起到防微杜渐的作用.因此，本文认为0.3更适于表示桥梁缺损的“轻微”程度(见图1).

图1 缺损状况的程度分析示意图

1.2 评分

基于程度分析的桥梁缺损状况评分方法见表2.表中，P为缺损状况扣分值，K1为缺损对结构使用功能的影响系数，K2为缺损发展变化状况的修正系数，F为最终扣分值.S为由专家打分法或群组决策方法确定的缺损的“严重”级别扣分值，取值范围为0～100.P，K1及K2三项的取值可能不属于同一程度等级.若F＞100，则取F=100.

表2 基于程度分析的桥梁缺损状况评分方法

式中，Ri为按《公养规》中表3.5.2-1方法对各部件确定的评定标度(0～5);Wi为各部件权重，∑Wi=100;Dr为全桥结构技术状况评分(0～100)，评分高表示结构状况好，缺损少.式(1)的RiWi/5可理解为i部件的扣分值.将RiWi/5项除以Ri，得到单位评估标度对应的i部件扣分值Wi/5(即i部件的权重Wi的0.2倍).为了与《公养规》中表3.5.2-1中的标度相对应，对于程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，K1分别取 0，0.2，0.4;K2分别取 －0.2，0，0.2.

基于程度分析的桥梁缺损状况评分方法既结合了《城养规》和《公桥评》的扣分及分层加权思想，又借鉴了《公养规》关于缺损影响与缺损发展趋势的分析思路.经过P，K1及K2三项的组合后，F可能有11 种取值，分别为 0，0.24S，0.3S，0.36S，0.42S，0.48S，0.8S，S，1.2S，1.4S和 1.6S.若取S=1，则由图2可见11种扣分情况之间的比例关系.

对于P，程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别表示“无”、“轻微”及“严重”;对于K1，程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别表示“无、不重要”，“小、次要”及“大、重要”;对于K2，程度Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别表示“趋向稳定”、“发展缓慢”及“发展较快”.

K1及K2的取值可根据如下《公养规》的综合评定计算式确定:

图2 基于程度分析的桥梁评估方法中构件缺损可能取的扣分值

11种扣分值不一定都用于反映同一类型的缺损.例如，0.48S的扣分值用于反映对结构使用功能重要且发展较快的轻微缺损(如处于发展初期的主梁竖向裂缝)，0.8S的扣分值用于反映对结构使用功能不重要且发展稳定的严重缺损(如发展稳定的锥坡铺砌网裂).

1.3 权重的取值

《城养规》、《公桥评》及《公养规》在权重取值方面有所不同.《公养规》规定了各部件的权重，不区分桥型;《公桥评》也规定了各部件的权重，但区分桥型;《城养规》不仅分桥型规定了各部件权重，还给出了构件的不同缺损类型的权重计算方法.本文采用《城养规》的方法确定缺损、构件及部件的权重.

1.4 评估方法

本文简化了评估标度的确定方法，阐述了最终扣分值的计算公式，提出了基于程度分析的桥梁评估方法.主要步骤如下:

①利用基于程度分析的心理测量试验及定性问题的定量描述，分析两者在体现心理感受方面的差异，着重考虑桥梁缺损的“轻微”程度的数量化表示.

②引入K1及K2两个系数，基于多个参数的组合，提出最终扣分值的计算公式.

③通过缺损的最终扣分值计算缺损权重，结合《城养规》确定构件及部件的权重.

④考虑构件及部件权重，采用分层加权方法确定各部件及全桥的技术状况评分.

2 算例

采用基于程度分析的桥梁评估方法及《城养规》、《公养规》和《公桥评》对吉林省的3座实桥进行全桥技术状况评估.这些桥梁的结构型式及主要病害资料列于表3.

基于程度分析的桥梁评估方法的主要计算结果见表4(仅列出与算例1缺损构件有关的内容).表中，部件缺损的“严重”级别扣分值同《城养规》的附录D，取“轻微”级别扣分值为“严重”级别扣分值的0.3倍;单项扣分值Pij根据缺损程度取“轻微”级别或“严重”级别对应的扣分值;K1及K2的取值情况见表2;最终单项扣分值Fij=(1+K1+K2)Pij;比重 μij采用《城养规》的方法确定，即 μij根据某项损坏的扣分值占构件所有损坏扣分值的比例进行计算;权重ωij也采用《城养规》的方法确定，即根据计算确定.

表3 桥梁算例的结构型式及主要病害资料

表4 基于程度分析的桥梁评估方法的主要计算结果(算例1)

为了便于对比，将各算例的计算结果列于表5.表中，不同评估方法的评估等级及养护对策根据评分分别查对应的规范.基于程度分析的桥梁评估方法的评估等级和养护对策查《城养规》，《公桥评》评估方法的养护对策查《公养规》.

表5 不同评估方法计算结果对比

由表5可知，对于同一座桥采用《城养规》、《公桥评》、《公养规》及基于程度分析的桥梁评估方法得到的评估结果及养护对策存在着差异.计算结果表明，基于程度分析的桥梁评估方法的评估结果介于公路与城市规范之间;公路与城市规范评估结果的差异越大，其评估结果介于两者之间的效果越明显;当公路与城市规范评估结果的差异不大时，其评估结果与《城养规》评估结果接近.

3 结论

1)基于程度分析的桥梁评估方法着重考虑缺损的“轻微”程度与“严重”程度之间的关系，仅依据专家打分法或群组决策方法所确定的“严重”级别扣分值就可以确定“轻微”级别扣分值，简化了“轻微”级别扣分值的确定方法.

2)基于程度分析的桥梁评估方法既借鉴了《公养规》关于缺损影响与缺损发展趋势的分析思路，又结合了《城养规》中分层加权扣分方法.

3)算例表明《公养规》与《公桥评》的评估结果相近，并且两者的评估结果都低于《城养规》的评估结果.

4)基于程度分析的桥梁评估方法的评估结果介于公路及城市规范评估结果之间;当同一座桥梁采用上述不同方法得到的评估结论出现较大差异时，可以采用基于程度分析的桥梁评估方法进行辅助评估.

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［2］中华人民共和国建设部.CJJ 99—2003城市桥梁养护技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

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Assessment method of existing bridge with mid-small span based on degree analysis theory

Huang ZhiweiHuang Qiao Ren Yuan
(School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)

With the consideration of a discrepancy between results of highway and city bridge assessment criteria，an assessment method based on the degree analysis theory is proposed for bridges in city previously belonging to highway.First，evaluation level and deducted score are determined by psychological measurement experiment and quantitative expression.Secondly，the weights of defects，members and components are determined according to bridge evaluation codes.Thirdly，final deducted scores induced by the defects are calculated by applying the coefficients of in-service performance and development trend.Finally，technical condition assessment scores of each component of bridge and entire structure are calculated by applying the hierarchical weighted method.The investigation results show that the assessment scores calculated from the proposed method are lower than those from the city codes but higher than those from the highway codes.The proposed method is a good alternative when there is a great discrepancy between evaluation conclusions of highway and city bridge assessment criteria.

bridge;assessment;degree analysis;psychological measurement;quantification

U446.3

A

1001－0505(2012)02-0358-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.031

2011-10-27.

黄志伟(1981—)，男，博士生;黄侨(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，qhuanghit@126.com.

高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助项目(20090092120046)、吉林省交通厅交通科技资助项目(2010).

黄志伟，黄侨，任远.基于程度分析的中小桥梁评估方法［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(2):358-362.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.031］