公路桥梁技术状况评定标准技术问题研究

2015-03-30邵亚会程梦成

合肥工业大学学报（自然科学版） 2015年11期

汪莲，左胜，邵亚会，程梦成

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.浙江工程建设监理公司，浙江杭州 310012）

0 引言

近年来，伴随经济的持续增长，道路交通迅速发展。桥梁作为道路交通的关键环节，也是交通运输的薄弱部位，随着运输任务的加大，桥梁老化、设计局限、施工缺陷等问题，使得桥梁垮塌事故经常发生，所以，在役桥梁的维修加固显得非常重要。从经济和社会发展的角度而言，应当采用科学的方法评估在役桥梁的使用现状，从而决定维修加固对策。

我国公路桥梁评估分为一般性评估和适应性评估；美国采用的评估包括结构状态评估、综合性能评估、健全性评估和承载能力评估［1］；英国规范采用初步评估和详细评估方式［1］；中国台湾采用状况指标、优选指标、功能指标及整体优选指标进行桥梁评估［1］；日本采用耐负荷指标评估桥梁状况［1］。目前国内桥梁技术状况评定主要采用《公路桥涵养护规范》（JTG H21－2004）、《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99－2003）和《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21－2011）（以下简称《标准》）推荐的评定方法，3个规范的评定方法各有优点和不足［2－5］。《标准》是由《公路桥涵养护规范》中的第3.5节桥梁评定内容扩充编写而成的行业推荐性标准。《标准》采用了分层综合评定和5类桥梁单项控制指标相结合的方法，先对桥梁各构件进行评定，然后对桥梁各部件进行评定，再对桥面系、上部结构和下部结构分别进行评定，最后进行桥梁总体技术状况的评定。分层可以直观地判断桥梁的缺陷原因，以便采用相应的、合理的处置措施，综合则可以把下层评定结果联合成一个对上层统一的评价和认识，最终形成对评定桥梁的整体评价和认识［6］。

《标准》在使用过程中存在一些不足，很多学者和专家对其进行了研究并提出了自己的见解，包括：若干轻微标度叠加结果失真，混凝土保护层、钢筋锈蚀和混凝土碳化对扣分的放大，预应力损伤没有考虑注浆质量影响［7］，构件总数n如何计算［8］，开发相应的计算程序保证评定效率和可靠度［9］、桥梁构件病害评定标度如何确定［10］等。本文将通过计算对比，就桥梁结构构件如何合理划分、计算排序影响的定量分析和病害标度判定与划分3个方面问题进行详细的计算分析和研究。

1 公路桥梁技术状况构件与部件评分计算

《标准》的评定过程由低到高循序渐进，按照构件、部件、上部结构、下部结构、桥面系和全桥评定6个环节进行桥梁构件的技术状况评分。

桥梁构件的技术状况评分按（1）式计算：

当x＝1时，U1＝DPi1；当x＝2时有：

其中，j＝x，x取2，3，…，k。

当k≥2时，U1，U2，…，Ux计算公式中的扣分值DPij按照从大到小的顺序排列；当DPij＝100时，PMCIl（BMCIl或DMCIl）＝0。

桥梁部件的技术状况评分按（2）式计算：

其中，参数含义见参考文献［2］。

2 构件划分、扣分排序对评定计算影响分析

桥梁结构的最小单元称为构件，如1片梁、1个桥墩［1］。构件之间彼此独立，不可再分也不可叠加。构件的划分基本上按照构件的自然单元进行计算。

《标准》在桥梁各部件评定过程中引入了变量t值参与计算，并且t的取值由桥梁构件数n来确定，而构件数n由构件划分决定，所以构件的划分直接关系到桥梁部件的计算得分。实际应用中，许多人将构件的划分做得很粗糙，如对多跨简支梁桥，以一跨内所有梁作为一个单元构件；有的做得过于细致，如将每2片梁之间的一道横隔板作为一个单元构件。究其原因，一方面是《标准》对构件划分定义不够具体，另一方面，由于对构件的划分没有统一的尺度标准，工作人员简化操作，从而出现影响结果的不恰当划分。

此外，《标准》要求对计算公式中的扣分值DPij按照从大到小的顺序排列，实质上是将病害按照从严重到轻微进行排序，既抓住主要影响因素也适当考虑次要影响因素，是一种比较经济合理的数据利用方式。实际应用中很多人容易忽视这一点。

以上2点在实际操作中若不加注意，会对桥梁评定带来较大误差甚至是错误，下面以一个典型的工程实例来说明构件划分及排序对桥梁技术状况评定中计算得分的影响。

某5跨简支梁桥，每跨10片主梁，上部承重构件病害记录见表1所列。

评定计算过程简述如下：

（1）按照文献［2］中表4.1.1对各构件按标度进行扣分，结果见表2所列。

（2）对该扣分表中数据按照从大到小的顺序排列，结果见表3所列。

表1 上部承重构件病害记录

表2 上部承重构件病害扣分情况

表3 上部承重构件病害扣分排序

（3）按（1）式对各个构件分别进行计算。以构件1－3为例，过程如下：

当x＝1时，U1＝DPi1＝25。

当x＝2时，有

当x＝3时，有

其余构件依次类推，计算结果见表4所列。

表4 排序评分结果

（4）按（2）式将构件层得分综合到部件层得分，即

若将一跨内5片梁划分为一个构件，那么t＝9.2，则有：

PCCIi＝54.6－（100－54.6）/9.2＝49.7。

若不排序，计算过程如下：

（1）按照（1）式对各个构件分别进行计算。以构件1－3为例，过程如下：

当x＝1时，U1＝DPi1＝20。当x＝2时，有

当x＝3时，有

其余构件依次类推，上部承重构件评分计算结果见表5所列。

表5 不排序评分结果

（2）按（2）式将构件层得分综合到部件层得分，即

若将一跨内5片梁划分为一个构件，那么t＝9.2，则有：

PCCIi＝58.9－（100－56.4）/9.2＝54.1。

同理，计算其他2种情况下的上部承重部件得分，结果对比如图1所示。

图1 不同划分及是否排序计算得分对比

由图1可知，构件划分过粗，计算得分偏小，且变化幅度很大；构件扣分值不排序会使得得分偏大。

由《标准》给定的计算公式分析可知，构件划分是否合适影响病害的归属是否准确，划分得过粗，归属过于分散，弱化了病害的影响程度，划分得过细，归属过于集中，放大了病害的影响程度，特别是标度2对应的定性和定量描述多数为单向约束（约束上限，不约束下限），对不同的划分有同样的适用性，以致这种问题出现的可能性很大，而且非常隐蔽。排序的目的是考虑病害影响的强弱程度，排序则可以将严重病害的影响充分考虑，稍弱病害的影响适当弱化，达到既可突出重点又可全面考虑的效果。

3 重要病害随构件数量变化的影响分析

对表1提供的裂缝这一列标度数据进行改变，将第1个构件标度1变成标度2，第1、2个标度1均变成标度2，依次类推，最终将表1中裂缝这一列标度数据均变成2，变化后情况见表6所列。本文所说重要病害是指标度最高可达到5的病害类型（表1中第5、7～10个病害）。

表6 重要病害构件数量变换情况

通过以上变换，参照前述计算过程，按照排序、正常划分计算上部承重部件得分，结果如图2所示。

图2 重要病害随构件数量变化得分对比

由图2可知，当有一个构件出现重要病害时，计算得分下浮较大，当继续增加出现重要病害的构件时，计算得分下浮不明显，表明是否有重要病害的构件对计算结果影响较大。究其原因，构件评定标度划分过于粗糙，特别是标度2，一般只控制其上限，下限为0，以至标度1～2之间的范围较大，评定标准对构件这一范围内的变化无法进一步识别区分，而靠近下限与靠近上限的病害是有明显区别的，因此，构件的评定就会产生较大差异，从而偏离合理区间。

至于继续增加重要病害的构件结果变化不明显，是由于部件计算中带有平均计算，将差异削弱了。

4 构件随重要病害数量变化的影响分析

对表1提供的“1－3”构件这一行标度数据进行变化，将其中1个重要病害标度变成2，然后将其中2个重要病害标度变成2，依次类推，最后将表中“1－3”构件所有重要病害标度均变成2，见表7所列。

表7 构件重要病害数量变换情况

通过以上变换，参照前述计算过程，按照排序、正常划分计算上部承重部件得分，结果如图3所示。由图3可知，当某个构件出现2个重要病害时，计算得分下浮很大，当重要病害数量继续增加，计算得分下浮很小，表明构件是否有多个重要病害对计算结果影响很大。对于下浮很大，一方面，由于标度1～2之间的变化范围过大，对病害分辨能力较弱，引起结果的跳跃性很大；另一方面，由于2个重要病害的叠加，使得结果跳跃性增大，当该构件得分小于40分时，部件得分等于该构件得分，其余得分不小于40分的构件不参与部件得分计算，从而使得部件得分下浮很大。至于继续增加构件重要病害数量，得分下浮很小，一方面，由于计算排序削弱了后续病害扣分对该构件评定计算的影响，使得该构件得分下浮很小，另一方面，由于该构件得分对部件得分而言占据主导地位，部件得分直接等于该构件得分，故部件分数下浮很小。