铁路桥梁技术状况分层分级评估方法

2022-09-05文良华肖鑫

铁道建筑 2022年8期

文良华肖鑫

1.国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350；2.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；3.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

桥梁结构在服役期内，受列车荷载作用、环境因素、材料退化、自然灾害等因素影响，耐久性和安全性降低，给运营安全带来隐患。桥梁状态评估可以及时发现结构退化，并采取适当维护措施，保证结构安全。铁路桥梁的评估主要包括承载能力评估和技术状况评估。承载力评估主要通过现场荷载试验检算桥梁受力性能与整体状态。技术状况评估主要根据桥梁日常检查数据，结合相应规范总体评价桥梁状况。

国内外对桥梁的技术状况评估做了较多研究，总体分为常规评估方法与模糊评估方法。常规评估方法中，美国联邦道路厅于1995年制定了桥梁调查和评估指南［1］，要求每两年对桥梁进行检查并评估其状态等级，包括上部结构总体状态等级、下部结构总体状态等级以及桥面总体状态等级，并将各部位状态等级分为了0（不允许的危险状态，必须封闭）~9（安全状态良好）共10个级别。丹麦首先基于病害类型评价桥梁结构15个标准构件的状况，分为0~5共6个级别，然后基于桥梁构件的状况评价结果进行整桥的技术状况评估。德国将结构划分为13个构件组，再将构件组细分为构件，基于每个构件的病害等级（每个病害类型根据其安全性、稳定性和耐久性分为6个等级）、病害类型、病害发生的数量、病害影响范围及构件数量修正得到构件组的技术状况等级，最终结合病害在构件的分布范围评价桥梁整体技术状况。我国公路桥梁技术状况评估主要参考CJJ 99—2017《城市桥梁养护技术标准》、JTG 5120—2021《公路桥涵养护规范》以及JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》。其中JTG 5120—2021将桥梁评定分为构件、部件、桥面系、上部结构、下部结构和全桥评估，采用分层综合评定与5类病害单项控制指标相结合的方法，将桥梁技术状况等级由好至差分为1~5类。在我国公路桥梁管理系统（CBMS2002）［2］中引入桥梁道路等级、交通量、绕行增加里程三项修正系数，采用综合评估公式对桥梁进行综合评价。文献［3］引入桥梁缺损状况指数，采用分层加权方法将桥梁分为桥面系、上部结构、下部结构进行评估，最终得到桥梁整体技术状况。文献［4-5］提出了基于构件的桥梁损伤状况分层加权评估方法，分别对桥梁部件与整体状况评估。而文献［6］提出了将局部损伤度和总体损伤度两项指标作为综合评判的标准。文献［7］建立了简支梁桥结构多层次评估模型。文献［8］基于层次分析法建立了桥梁结构层次分析模型综合评估方法。我国台湾对桥梁评估采用DER&U方法［9］，分为21个检测项目，根据桥梁劣化程度、劣化范围以及桥梁的重要性，按照0~4级评定，再针对桥梁构件维修的紧迫性进行评估，最后利用上述取值，综合计算桥梁状态指标。我国铁路桥梁技术状况评估主要参考铁运〔2011〕131号《高速铁路桥隧建筑物修理规则》、铁运〔2010〕38号《铁路桥隧建筑物修理规则》以及TB/T 2820.1—1997《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》，将构件病害等级分为A、B、C、D四级，仅在构件层次对桥梁进行评估。

模糊评估方法基于模糊数学对问题进行综合评估。文献［6］基于置信度与模糊数学的方法建立了桥梁损伤评估及对策模型。文献［10］提出了多层次模糊评估模型对桥梁进行评估，采用损伤度来度量结构/构件的损伤程度，确定相应技术状态等级。文献［11］建立了既有桥梁可靠性多级模糊综合评判方法，采用隶属度加权平均法评定桥梁。文献［12］提出了模糊加权向量方法，搭建了桥梁总体评估程序。文献［13］研究了服役结构状态可靠性模糊综合评定方法。文献［14］充分运用模糊理论聚类分析方法建立了混凝土桥损伤状况评估方法。文献［15］基于模糊神经网络建立了斜拉桥安全性与耐久性评估方法。

随着铁路的建设，出现了越来越多的大跨度特殊结构桥梁，及时掌握桥梁结构状况并对其进行状态评估，是桥梁后期运营维护面临的巨大挑战。我国铁路桥梁状态评估多基于相关规范，且大多制定实施于20世纪90年代，当时铁路桥梁结构形式简单，而规范中缺乏对大跨度复杂桥梁的状态评估方法，且评估方法仅在构件层次进行评定，未能对全桥整体状况作出评估。因此，如何充分结合桥梁日常检查数据对桥梁管养提供指导，是亟待解决的主要问题。本文结合国内外相关规范及铁路桥梁技术状况评估方法，基于桥梁标准病害库，结合日常人工检查数据，提出针对铁路桥梁的分层分级评估方法。

1 铁路桥梁建设概况

我国铁路运营里程变化趋势见图1。截至2021年底已突破15万km。高速铁路发展取得了巨大成就，从中国首条设计时速350 km京津城际通车到现在，高速铁路运营里程快速攀升，2013年突破1万km，2016年突破2万km，2019年突破3万km，2021年突破4万km。

图1 我国铁路运营里程变化趋势

铁路线路多跨越江河峡谷、地质不良地段等，多采用以桥带路的方式，桥梁以简支梁为主，预应力混凝土简支梁具有受力明确、结构简单的特点，成为铁路桥梁主要结构形式。其他桥梁结构形式有钢桁梁桥、钢箱梁桥、结合梁桥。随着建造技术的发展，一系列特殊结构桥梁也随之建造，如斜拉桥、悬索桥、拱桥等，桥梁跨度已突破千米。高速铁路中桥梁数量已超3万座，桥梁在线路中所占比例较大，如武广高铁中桥梁占比42%，京沪高铁中桥梁占比达80%，沪杭高铁中桥梁占比高达92%。不同线路桥梁占比见图2。可知，高速铁路线路中，桥梁平均占比已达54%。

图2 不同线路桥梁占比

经过多年运营，铁路桥梁结构病害主要表现在混凝土梁体开裂、混凝土剥落、钢筋锈蚀、附属结构损坏、桥墩墩身开裂、混凝土锈蚀、钢结构锈蚀、螺栓缺失等。在桥梁支座等关键部位，病害主要表现为局部锈蚀、橡胶密封圈液化外漏（图3）、下支座板弯曲、防尘罩老化与缺失等。随着桥梁结构刚度的降低，桥梁部分运营性能指标已超限。

图3 密封圈液化外漏

2 基于分层分级的铁路桥梁技术状况评估方法

2.1 评估流程

目前，我国铁路桥梁管养及技术状况评定相关规范中将桥梁病害等级分为A、B、C三级，对应病害程度由严重到轻微。通过日常检查，分别在构件层次对桥梁结构进行评估，而如何对桥梁结构整体状态进行评估，暂无相关规定。随着越来越多特殊结构桥梁的建设，规范已不能完全适用。

公路桥梁相关评估规范中，通过分层评定将桥梁技术状况评估分为构件层面、结构部位层面以及全桥层面，基于构件层面的5类单项控制指标逐步对全桥进行评估。美国AASHTO手册中按桥梁结构形式和各组成结构或构件的位置将整个桥梁结构进一步细化成了各个单元并统一进行了归类，给出了各单元所具有的典型病害类型，并基于各病害损伤程度对桥梁各单元的健康状况进行评估，将桥梁单元健康状况分为好、中、差、严重四级状态。

结合铁路桥梁特点，在参考国内外相关规范的基础上，建立基于病害库的铁路桥梁分层分级评估方法，对铁路桥梁技术状况进行全面评估。该分层分级方法分为构件层次评估、部件层次评估、结构部位评估以及全桥状态评估。铁路桥梁技术状况评估流程（图4）：①根据桥梁类型建立桥梁病害库；②基于病害库对桥梁进行现场检查；③根据检查结果对桥梁构件层面进行评估，若构件出现A类病害特征，桥梁总体技术状况评定为不及格，立刻安排检修；④若构件层面未出现A类病害特征，则根据构件评定结果对部件、结构部位和全桥状况进行评估。

图4 铁路桥梁技术状况评估流程

2.2 不同类型桥梁结构部位分类

我国铁路桥梁形式多样，包括简支梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等。不同类型桥梁的结构特点不同，技术状况评估时重点不同。不同类型桥梁结构部位划分及主要构件见表1。可见，在铁路桥梁中，支座、梁端伸缩装置等关键部位直接影响行车安全，所以在进行技术评估时将其作为一个独立的结构部位进行评估。

表1 不同类型桥梁结构部位划分及主要构件

2.3 桥梁技术状况等级分类

我国公路桥梁相关技术规范中根据评估结果将桥梁结构状况分为5级。为准确评估铁路桥梁服役状况并指导养护维修，在参考国内外相关规范的基础上，将铁路桥梁状况等级分为9级（表2）：60分以上每5分一级；低于60分，直接判定桥梁处于失效状态，需立即进行检测评估；80分以上，桥梁处于良好状态，按相关规范进行检测维护；80分以下70以上时，桥梁处于一般状态，应加强检修频率，重点关注病害易发部位；70分以下时，桥梁处于关键状态，应对桥梁进行专业检查，立即整治相关病害。

表2 桥梁技术状况等级描述与评分

3 分层分级评估细则

3.1 铁路桥梁劣化等级划分

美国AASHTO手册中将结构单元的健康状况分为：好、中、差、严重四级，JTG/T H21—2011中将构件单元的劣化等级由好到坏分为1~5类共5个标度。为准确评估铁路桥梁技术状况，参考铁路桥相关评估规范，将铁路桥梁构件病害劣化等级分为AA、A1、B、C四级，表示构件病害程度由严重至轻微，见表3。

表3 桥梁墩台病害分类及劣化等级

3.2 桥梁构件层次评估

对桥梁结构单元主要按照其劣化等级进行定性评估。本文提出的分层分级评估方法，根据结构单元的检查结果，在单元层面上根据病害劣化等级进行扣分，其中AA、A1、B、C级分别扣60、40、20、10分，劣化等级越高，扣分越多。评分过程中取各类病害中的最大扣分等级为该类病害或缺陷的扣分级别，再将同一单元的不同病害类的扣分值按大小顺序进行排列，分别为x1，x2，…，x n，并采用下式计算，最终得到结构单元的评估得分。式中：C i为结构第i构件评估得分，构件得分最低为0。