基于层次分析法的铁路桥梁技术状况评估

肖鑫

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

截至2018年底，我国铁路运营里程达到13.1万km以上，其中高速铁路2.9万km以上。线路跨越大河、深山峡谷及受地质不良段等影响时多采用桥梁结构。铁路线路中桥梁占比较大，如武广高速铁路中桥梁占比42%，京沪高速铁路中桥梁占比80%，沪杭高速铁路中桥梁占比92%。桥梁结构长期处于列车动荷载作用下，加上材料老化、环境恶劣、自然灾害等因素的联合作用，造成巨大的安全隐患。因此，准确掌握桥梁结构状态、及时指导养护维修就显得尤为重要。

桥梁结构状态评估主要包括承载能力状态评估与技术状态评估。承载能力评估主要通过检算或荷载试验等方法评估桥梁承载能力。技术状态评估主要根据桥梁的日常检测，参考相应的规范对桥梁进行评估。在考虑不确定和随机性影响因素的前提下，相关学者针对桥梁技术状况评估提出了一系列其他方法。如黄志伟等［1］研究了桥梁扣分值，分析了构件及部位的权重，建立了基于程度分析的中小桥梁评估方法；王哲［2］基于模糊层次分析法，分析了拱桥拱圈技术状况。还有不少学者研究了模糊理论在桥梁评估中的应用，并提出了一系列基于模糊理论的评估方法［3-5］。

目前，我国公路桥梁技术状况评估体系较为完善，根据相关规范［6-8］对公路桥梁从构件、部件再到全桥进行了详细的评估。而铁路桥梁的技术状况评估主要参考1997—1999 年陆续实施的TB/T 2820.1—2820.8《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》［9］、铁运〔2010〕38 号《铁路桥隧建筑物修理规则》［10］以及铁运〔2011〕131 号《高速铁路桥隧建筑物修理规则》［11］，分别按照钢梁、隧道、支座、涵渠、混凝土梁、墩台基础、桥渡、明桥面对各个构件进行状况评定。这些评估规范或标准是以单个结构物或者单个构件为基本单位，评分结果较为明确。在评估中需要对每种构件的劣化等级进行具体划分和描述。随着铁路建设的发展出现了越来越多的大跨特殊结构桥梁，但目前的相关铁路规范多制定实施于20 世纪90 年代，当时铁路桥梁结构形式单一，仅对简支梁有较为详细的描述，对于其他特殊结构桥梁，如斜拉桥、拱桥、悬索桥等重要构件缺乏相应的劣化评定等级。目前的评估方法仅在构件层次进行评定，未能对全桥整体状况做出评估。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是铁路桥梁状态评估常用的方法之一。传统的层次分析法是采用专家打分进行指标量化，其主观性较强，从而导致结果偏差较大。本文根据相关规范建立桥梁构件劣化标准，参考国内外相关评定方法，结合层次分析法，提出适用于铁路桥梁技术状况评估的分层分级评估方法。

1 分层分级评估流程

桥梁的技术状况评估是一项极其复杂的工作，基于人工检查进行，除了需要考虑确定性和随机性因素外，还需考虑检查人员对认知的模糊性。当前铁路桥梁状况评估主要集中在构件层次，评估结果不能反映桥梁整体运行状况。JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定》［8］规范中将桥梁技术状况评估分为桥梁构件、部件、桥面系、上部结构、下部结构和全桥评定，采用分层综合评定与5类桥梁单项控制指标相结合的方法。本文参考国内外相关规范及桥梁技术状况评估方法，建立了铁路桥梁分层分级评估体系。首先对全桥进行结构划分，将构件作为最小单元，并建立构件病害库，在桥梁构件层次开始评分。然后将构件分类归入不同的部件，再将不同的部件划入不同的桥梁结构部位。最后，桥梁各结构部位组成全桥。具体的分层分级评估流程（图1）：①根据桥梁资料和建立的桥梁病害库进行桥梁现场检查，对构件状态进行评估；②根据构件评分结果，按照构件所属的部件，对部件进行评估；③根据各部件评分状况，结合各部件所占权重，对桥梁各大部位进行评定；④根据各大部位评分结果，并按照各大部位所占权重，评估桥梁全桥状况。

图1 铁路桥梁分层分级评估流程

2 评分细则

2.1 桥梁劣化等级划分

JTG/T H21—2011中将桥梁构件的劣化等级分为1～5 共5 个标度，表示构件功能完好到严重性功能病害。美国AASHTO手册（Manual for Bridge Element Inspection）将桥梁单元健康状况分为好、中、差、严重4 级。我国铁路相关桥隧建筑物劣化评定标准中，将构件劣化等级分为5 级，分别为AA，A1，B，C，D，对应于劣化极严重、严重、较重、中等、轻微［9］。铁运〔2011〕131 号和铁运〔2010〕38 号中也给出了桥梁评估要点与具体评定标准。

为便于对桥梁构件做出准确评估，减少人为认知的模糊性，结合国内外相关规范，在构件单元层次上，根据构件不同病害程度将其劣化等级划分为4 级，即AA，A1，B，C。表1 所示为铁路桥梁支座部分常见病害及劣化等级划分，并根据不同劣化等级，规定了对应的扣分值。

表1 桥梁支座部分劣化等级划分

2.2 构件评分

如上表1 所示，在构件层面上其病害分为若干子类，各子类病害之间可能存在相互影响，如支座转角超限，可能导致其位移超限。在对构件评定时，如果将这2 类病害都进行扣分，会导致评估结果与实际相差较大。因此，需要将这些病害子类再次划分，分别归入不同的病害大类，在评分过程中取构件各大类病害中子类病害的最大扣分值作为其扣分值。构件评分仅针对其大类病害进行计算。再将同一构件的不同大类病害的扣分值按大小顺序排列为x1，x2，…xn（x1为最大扣分值，xn为最小扣分值），并根据式（1）计算构件的最终得分。

式中：CIi为结构第i构件的得分。

构件评分为100 减掉对应的扣分值，总扣分值最大值为100，即按公式计算结果若大于100，则取100，即得分为0。

2.3 部件评分

在进行部件评分时，需要将构件归入不同部件，并以部件所含所有构件的得分平均值作为该部件的最终得分PIi，即

2.4 结构部位评分

在计算了各部件的得分之后，可按照各部件的权重进行加权处理，得出各大部位的分数。若某一部位内未能对所有的部件进行评估，则假设未评估部件的状态与已评估部件的状态一致，即已评估部件的状态作为样本代表了该部位所有部件的总体状态。相应的评分可按下式计算：

式中：SIi为桥梁第i部位得分；m为部件数量；wi为结构第i类部件在结构部位中所占的权重。

2.5 全桥评分

根据各大结构部位评分状况，按照各自权重进行加权求得全桥得分D，其计算公式为

式中：pi为桥梁各部位在全桥中所占的权重。

3 桥梁技术状况等级

在计算桥梁全桥得分后，可对桥梁状况做出较为准确的评定。JTG/T H21—2011 中将桥梁总体技术状况从好到坏分为1类—5类共5个等级。1类对应全新状态，功能完好。5类对应主要构件存在严重缺陷，不能正常使用，桥梁处于危险状态。美国FHWA 手册（Bridge Inspector's Reference Manual）中将桥梁检查时的状态评价分为好、中、差3级。结合国内外相关规范，将铁路桥梁技术状况从好到坏分为9 级，见表2。当桥梁健康代码在6 以上时（即80 分以上），表示桥梁技术状况良好；当桥梁代码在2～5时，表示桥梁技术状况较差，应加强桥梁检查；当桥梁健康代码为1 时，表示桥梁面临即将失效状态，应及时封闭桥梁，由专业机构对桥梁进行检测评估。

表2 全桥健康代码及描述与评分

4 权重分配

权重的合理分配直接影响桥梁结构评分，JTG/T H21—2011 中针对不同桥型，规定了各部件的权重。

权重的分配需考虑多种影响因素，目前权重的分配多基于专家打分，由于主观性较强，得出的结果离散性较大。本文基于层次分析法（AHP），通过对元素之间的两两比较，构造判断矩阵，将定性分析与定量分析相结合，提出了桥梁技术状况评估权重计算方法。

层次分析法（AHP）的基本流程为：首先将目标层分解成多个准则层，再细分成多个指标，然后根据各元素间的重要程度，分别计算出各层权重。层次分析法以各元素间的重要程度作为定性指标，采用相应算法将定性指标转换成为定量指标。

1）层次结构模型的建立

采用AHP 分析问题时，首先要确定问题的目标层，即最终需要达到的目标；再确定准则层，这一层包含了所有影响目标结果的元素；进一步将准则层分解为指标层，该层由准则层与目标层所支配。

2）定性指标的构建

定性指标的构建多采用标度法。标度是将经验关系映射到数值关系，常见的标度法有1～9九标度、0～2 三标度、-2～2 五标度等。为更为准确地评判桥梁各部件和结构部位的重要程度，本文采用三标度法，具体含义如下表3所示。

表3 三标度法含义

3）定量指标的计算

通过专家打分，结合三标度法，可建立各指标层、准则层的重要程度定性描述，结合相应的算法可根据各元素的重要程度分析各组成元素所占的权重，具体计算方法可参见文献［12］。

5 工程实例

5.1 桥梁概况

某铁路混凝土简支梁桥采用混凝土箱梁，圆端形实体框架墩，如图2 所示。桥面附属设施主要包括栏杆、作业通道、检查梯、防水层、排水设施等。

图2 铁路混凝土简支梁桥

5.2 桥梁层次及劣化等级划分

图3 桥梁组成

将该桥技术状况评定分解为全桥、四大结构部位、部件以及构件4 个层级，如图3 所示。其中，梁体、墩台身、顶帽、承台、桩基等构件将作为最低级评估单元，并根据各自构件特点，建立构件病害库，根据病害程度对其进行等级划分。

5.3 权重计算

根据层次分析法，建立该桥的层次结构，如表4所示。其目标层为全桥技术状况评定，准则层主要包括上部结构、下部结构、支座设施、桥面及附属设施。在准则层下又分别设置了若干子指标，构成了指标层。

表4 桥梁评定系统结构

以准则层的权重分析为例，计算各指标所占的权重，建立判断矩阵：

式中：U为全桥技术状况评定；u1为上部结构；u2为下部结构；u3为支座设施；u4为桥面及附属设施。

基于0～2 三标度法判断每个指标的相对重要性，建立重要程度矩阵，即

根据重要程度矩阵，采用层次分析法计算的四大结构部位权重如表5 所示。可以看出，上部结构与下部结构权重较大，支座设施次之，桥面及附属设施权重最小。

表5 四大结构部位权重

同理，其余部件中，上部结构中仅有梁体部位，因此，该部位的权重为1。下部结构有2个构件墩台和桩基础，重要程度相当，权重均为0.50。支座部位也有2 个部件组成，支座和垫石，且各部件重要程度相当，权重均为0.50。桥面及附属设施结构部位有4 个部件，权重见表6。

表6 桥面及附属设施结构部位权重

5.4 桥梁技术状况评定

通过人工检查，该桥出现的病害资料见表7。

表7 桥梁出现的病害类型

根据上述计算步骤，构件、部件、结构部位及全桥的得分如表8所示。可知，桥梁防排水设施分数最低，应多加强检查。桥面及附属设施、上部结构健康代码为8，下部结构与支座设施健康代码为9，全桥健康代码为8，表明当前桥梁各结构部位及全桥状态非常好。

表8 桥梁结构评分

采用该方法对桥梁状态进行评估，不仅直观展示了构件的病害情况及健康状况，通过对桥梁各部分进行评分，实时掌握了各部件的运营状况，可便于对桥梁结构制定养护维修计划。对全桥进行评分，可了解桥梁整体运营状态。与铁运〔2011〕131 号及铁运〔2010〕38 号制定的评估方法相比较，该方法结合层次分析法对桥梁状况进行了定量描述。

6 结论

1）基于层次分析法的桥梁技术状况评估方法以桥梁劣化为基础，制定扣分细则，着重考虑桥梁各组成部件之间的重要程度，采用定性分析与定量分析相结合的方法确定桥梁结构各部件及结构部位的权重。

2）基于层次分析法的桥梁技术状况评估方法借鉴了国内外相关桥梁评估的分析思路，又结合了铁运〔2011〕131 号《高速铁路桥隧建筑物修理规则》及铁运〔2010〕38 号《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》中关于桥梁构件的劣化等级划分。

3）该方法从桥梁构件出发，逐层次对桥梁进行评估，可以掌握桥梁细部到整体的结构状态，便于桥梁管理。算例表明，采用该方法不仅能直观掌握桥梁病害，还能实时评估桥梁结构状况，及时指导检查、养护和维修。