美国、日本、英国桥梁技术状况评定方法分析

2022-09-28张劲泉毕硕松温娟娟

公路交通科技 2022年9期

张劲泉，刘渊,2,3，申强,2，毕硕松,2，温娟娟,2

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.北京新桥技术发展有限公司，北京 100088； 3.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

截至2020年末，我国公路桥梁总计912 786座，其中桥龄30 a以内的688 285 座，占比75.4%。而美国联邦公路局公开数据[1]显示，在用的618 456座桥梁中，桥龄30 a以内的207 418座，占比33.5%，桥龄100 a以上的尚有15 481座。相比之下，我国桥梁明显处于青壮年期，未来桥梁养护管理工作任务将持续艰巨。

桥梁作为公路交通的节点工程，在国民经济中的重要性极为突出，近年来随着桥梁养护管理水平不断提升，桥梁垮塌恶性事故虽持续下降但仍时有发生，一次又一次敲响警钟。桥梁技术状况作为评价桥梁运营服务水平的最广泛指标，是衡量桥梁结构安全性和养护维修紧迫性的基本依据，评定结果的客观、全面、准确和适用程度将直接影响养护管理效果[2]。

鉴于世界各国和地区的桥梁发展历程及养护管理模式有所区别，桥梁技术状况评定方法也各有差异[3-5]。为此，本研究通过分析发达国家的评定方法及其经验，为完善我国桥梁技术状况评定标准体系提供参考。

1 我国评定方法

我国公路桥梁标准体系从《公路养护技术规范》(JTJ 073—96)[6]中首次提出了考虑部件权重的综合评定法，《公路桥涵养护规范》(JTG H11—2004)[7]制定时未做调整;随后，《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)[8]中提出了基于构件病害的分层综合评定法。两种评定方法各有特点，从2011年共同使用至2021年[9]。

1.1 考虑部件权重的综合评定法特点

该方法[7]通过对桥梁各组成部件的缺损程度进行检查，根据缺损程度(大小、多少或轻重)、缺损对结构使用功能的影响程度(无、小、大)和缺损发展变化状况(趋向稳定、发展缓慢、发展较快)3个方面，以累加评分方法对各部件缺损状况做出等级评定。其优点在于评定过程中需要考虑构件、部件之间的相互关系，判定缺损对使用功能的影响和缺损进一步发展的风险程度，突出了桥梁作为一个整体受力结构的特性，评定结果更全面；缺点在于检查成果以定性判定为主，对病害发展变化细节掌握不足，而且在养护决策时还需要进一步详细调查缺损，方可制订详细的处治方案。

1.2 基于构件病害的分层综合评定法特点

该方法[8]通过对桥梁各构件缺损的详细检查并判定其损伤标度，按构件→部件→结构→全桥分层综合评定计算得出全桥技术状况。其优点在于评定时充分关注构件的缺损细节，便于数字化管理，检查评定成果可以直接作为养护决策的依据；缺点在于评定过程主要采用表观缺损的数据，缺乏对构件、部件之间相互作用和相互影响的考虑。

2 美国评定方法

1967年12月，美国西弗吉尼亚州Silver桥的倒塌导致46人丧生[10]，从那时起联邦政府开始关注全国桥梁的技术状况。技术状况评定方法也经过了几代修订，目前美国桥梁评定方法包括基于部件的评定方法和基于构件的评定方法两大类，以及延伸的桥梁适应度及桥梁健康指数供不同管理需求使用。现行《桥梁养护指南》(2018)[11]同时针对这两种评定结果提出了养护对策建议。

2.1 基于部件的评定体系

美国《国家桥梁结构报表及评估记录编码指南》[12]于1995年制定并沿用至今，其中定义了用来描述桥梁位置、几何形态、桥龄、交通、承载能力、结构状态等信息的116项数据(57项静态数据和59项动态数据)，用于桥梁技术状况评价的部件为桥面板(项目58)、上部结构(项目59)和下部结构(项目60)，评定等级从失效到完好状态分为0～9级，见表1。全桥等级评定以这3类部件的最差得分确定：最差得分大于等于7为良好(Good)状况，最差得分小于等于4为差的(Poor)状况，最差得分5，6为中等(Fair)状况。

表1 全桥及部件评定标准

2.2 基于构件的评定体系

美国基于构件的评定体系始于1998年[13]，几经修订为现行《桥梁构件检查手册》(2015版)[14]。其中将桥梁构件分为国家桥梁构件(NBEs)、桥梁管理构件(BMEs)和机构自定义构件(ADEs)3类。国家桥梁构件仅包括桥面板、上部结构和下部结构的重要构件，旨在保证重要构件在全国各机构之间的一致性，以便采用全国统一的标准获取桥梁构件状态。桥梁管理构件包括伸缩装置、防腐涂层等，这些构件通常由管理机构通过桥梁管理系统管理。机构自定义构件根据管理机构需求自定，可以是国家桥梁构件或者桥梁管理构件的子构件，也可以是全新的自定义构件。

该手册共定义9类103个构件、6类材料、47种缺损，对所有构件状况分为好(Good)、中(Fair)、差(Poor)和严重(Severe)4个等级，并用状况1～4来表示。其中状况1～3可通过外观检查并查阅手册直接判定，状况4一般不通过缺陷描述直接判定，认为存在状况4的构件通常可能影响承载能力，需要在初步判定后进行“结构审查”，由有相关资质(或资格)的人员对现场进行评估并确定这些缺陷对构件性能的影响。混凝土梁裂缝状况评定标准见表2。

表2 混凝土梁裂缝状况评定标准

2.3 联邦公路局适应度评定

适应度评定数据来源于国家桥梁数据库(NBI)，即《国家桥梁结构报表及评估记录编码指南》[12]中规定的部件级数据项计算得出。适应度评定等级(Sufficiency Rating)考虑了结构的充分性和安全性(Structural Adequacy and Safety)、服务和功能退化程度(Serviceability and Functional Obsolescence)、公共服务水平(Essentiality for Public Use)和特别扣减(Special Reductions)4个方面,按式(1)计算，适应度评定结果为0～100%，0代表适应性最差，100代表适应性最好。桥梁适应度评定是各州制定路网级养护计划的重要依据。

SR=S1+S2+S3-S4,

(1)

式中,SR为桥梁适应度(0～100%)；S1为结构的充分性和安全性 (最大55%)；S2为服务和功能退化程度(最大30%)；S3为公共服务水平 (最大15%)；S4为特别扣减 (最大13%，仅当S1+S2+S3≥50时使用)。

(1)结构的充分性和安全性S1按式(2)计算，取值介于0～55%之间。

S1= 55-(A+B)，

(2)

式中，A为根据上部结构或下部结构的最低评级代码，按表3取值；B为承载能力降低程度，最大值为55%；根据剩余承载力IR(用吨表示的剩余承载力)计算，当IR≥32.4时，B取0，否则B=(32.4-IR)1.5×0.325 4。

表3 S1相关参数取值表

(2)服务和功能退化程度S2按式(3)计算，取值介于0～30%之间。

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

(3)

式中,J为功能不足程度，最大值为13%，J=A+B+C+D+E+F，其中A，B，C，D，E，F分别为考虑项目58，67，68，69，71，72的最低评级代码，按表4取值；G+H为道路宽度不足程度，最大值为15%；G为行车道与桥头引道宽度的适应性，如果行车道全宽+0.6 m小于桥头路宽，取G=5%，否则为0；H为车道宽度的适应性，考虑年平均日交通量(ADT)、车道数、平均车道宽度等因素的综合指数，取值介于0～15%之间；I为竖向净空影响程度，最大值为2%，当战备公路净空小于4.87 m或其他公路净空小于4.26 m时，取I=2%，否则为0。

表4 S2相关参数取值表

(3)公共服务水平S3按式(4)计算，取值介于0～15%之间。

S3=15-(A+B)，

(4)

取值介于0～15%之间，绕行长度以km计；B为战备影响，战备桥梁取B=2%，否则为0。

(4)特别扣减仅当S1+S2+S3≥50时使用，按式(5)计算，取值介于0～13%之间。

S4=A+B+C，

(5)

式中，A为按A=绕行长度4×7.9×10-9计算，取值介于0～5%之间，绕行长度以km计；B为特殊桥型扣减，部分特殊桥型结构取B=5%；C为交通安全特征扣减，表示护栏的出入段及其与桥梁护栏衔接状况是否符合现行标准，取值介于0～3%之间。

2.4 加州交通运输局桥梁健康指数

1989年以来，加州交通运输局参与开发了美国国家公路与运输协会(AASHTO)的桥梁管理系统(Pontis)，并制订了桥梁健康指数BHI(Bridge Health Index)[10]。根据现行《桥梁构件检查手册》(2015版)[14]，桥梁健康指数根据所有构件剩余价值之和与构件失效更换成本之和的比率按式(6)计算，取值为0～100，代表全桥总体剩余价值的比率。加州交通运输局以桥梁健康指数作为资产管理的依据。

(6)

式中，BHI为桥梁健康指数(0～100%)；CEV为构件剩余价值；TEV为构件失效更换成本。

构件失效更换成本由每个桥梁构件的直接更换成本、机构管理成本和用户成本构成。直接更换成本根据构件材料和更换工程成本估算。机构管理成本包括运营成本、检测评估成本、维修成本和加固成本等。用户成本包括因桥梁维修导致限流或绕行时，车辆运营成本的增加、绕行道路维护等。构件失效更换成本根据同类构件经统计分析和专家评估相结合制订出单个构件的更换综合成本，一般同类构件采用统一的更换成本。构件失效更换成本按式(7)计算。

TEV=TEQ·FC，

(7)

式中，TEV为构件失效更换成本；TEQ为所有构件数量；FC为1个构件的更换成本。

构件当前价值根据所有构件的技术状况评定结果按式(8)计算。

CEV=∑(QCSi·WFi)·FC，

(8)

其中：

(9)

式中，CEV为构件剩余价值;QCSi为某状况等级的构件数量;WFi为某状况等级的系数;FC为单个构件的更换成本。

3 日本评定方法

在日本，目前投入使用的桥梁大部分是从20世纪50年代中期以来经济高速增长阶段建设完成的[15]，为了应对基础设施快速老化的问题，防止对社会造成不良影响，开始探寻有效的基于资产管理理念的养护管理体系，静冈县针对部件级规定了健康度Ⅰ和健康度Ⅱ。桥梁评价计算结果是以评估构件所处的缺损状态，通过构件、结构的重要性加权系数为基础而得的，计算步骤从缺损→构件→部件→结构→单跨→全桥分阶段依次综合评价。

3.1 基于缺损的构件评定

缺损级检查数据是指对组成桥梁结构的各构件现场检查，通过对各构件上产生的缺损进行判定。为避免由于检查人员的个体差异如知识背景、经验等因素引起评定结果的偏差，缺损评定标准趋向于以客观条件为主。

日本《桥梁定期检查要点》[16]主要考虑钢和混凝土构件缺损并兼顾其他构件，划分出钢构件缺损5类、混凝土构件缺损6类、其他构件缺损5类、通用缺损10类共计26类缺损，缺损分类见表5。每类缺损根据缺损影响的深度和面积按表6所示原则划分为a～e共5个等级。

表5 构件缺损分类

表6 构件缺损等级分类原则

3.2 部件健康度评定

日本静冈县《桥梁检查手册》[17]为便于桥梁检查人员直接查阅使用，对缺损进一步梳理后按照表6所示原则将每类缺损评定标准简化为等级A～E用以表示，见表7，并对各缺损等级赋予特定的扣分值及修正系数，以钢构件为例，相关参数见表8。缺损类型“◎”表示所对应的缺损等级及扣分值，“—”表示无此评价等级。以裂纹及断裂作为构件破坏标准设定基准修正系数1，其余缺损根据对构件使用功能的影响程度确定。

表7 构件缺损等级及扣分值

表8 钢构件缺损类型及参数

部件健康度(HI)根据构件上所有缺损的扣分值结果按式(10)计算得出。

健康度(HI)=100-∑缺损扣分值，

(10)

其中：

部件缺损扣分值=

∑缺损修正系数·缺损扣分值。

(11)

健康度Ⅰ即平均健康度，计算时根据各构件中缺损等级的比例计算。其目的是在有限的养护资金条件下，采用合理的评价结论服务于优化养护经费分配策略，判断维修的必要性、优先顺序、工程费用标准等进行定量表达，从而使桥梁总体服役能力达到最优，是基于资产管理理念的技术状况指标。

健康度Ⅱ即最差健康度，计算时根据各构件中最差的缺损等级计算。其目的是对组成桥梁构件的力学特性和安全程度进行判断，表示为防止构件屈服或桥梁垮塌应达到的技术水平，是基于安全管理理念的技术状况指标。

3.3 桥跨及全桥评定

同时对各类结构和部件赋予特定的修正系数，桥跨缺损扣分值根据组成桥跨的所有部件缺损扣分值按式(12)计算，部件缺损扣分值采用各构件中缺损扣分值按比例计算，即健康度Ⅰ计算得到的缺损扣分值，具体计算示例见表9。

表9 桥跨缺损扣分值计算示例

桥跨缺损扣分值=

∑结构修正系数·结构缺损扣分值,

(12)

其中:

结构缺损扣分值=

∑部件修正系数·部件缺损扣分值。

(13)

桥跨健康度按照式(10)计算，当有多个桥跨时，以各桥跨的健康度平均值作为桥梁的健康度。

4 英国评定方法

英国的桥梁技术状况评定标准[18]是采用以构件缺损状况评价为基础，考虑构件重要性等级和关键构件最差状况等因素的综合评定方法。桥梁状况等级分为BCSAv和BCSCrit，BCSAv是基于全桥所有构件整体评价的技术状况等级，BCSCrit是基于关键构件最差状况评价的技术状况等级。

4.1 基于缺损的构件评定

构件评定根据缺损的严重程度和范围确定，将构件缺损的严重程度从优到差划分为如表10所示的5个等级(1～5)，缺损覆盖范围从小到大划分为如表11所示的5个等级(A～E)。

表10 构件缺损程度评定标准

表11 构件缺损范围评定标准

构件状况评分(Element Condition Score，ECS)根据缺损的严重程度和分布范围，按照表12确定每一个构件的ECS，分值越大表明构件状况越差。

表12 构件状况评定标准

4.2 全桥平均状况等级

BCSAv是基于全桥所有构件整体评价的技术状况等级，可称为全桥平均状况等级，评定结果为1～5级，分别代表最优～最差。BCSAv评定由组成结构的每个构件对全桥的贡献值的加权组合，按式(14)计算。

(14)

表13 EIF评定表

4.3 全桥最差状况等级

BCSCrit是基于关键构件最差状况评价的技术状况等级，可称为全桥最差状况等级，同样，评定结果为1～5级，分别代表最优～最差。BCSCrit评定取组成结构的非常重要构件的构件状态指数(ECI)的最大值，即式(15)所示。

BCSCrit=max {非常重要构件的ECI} 。

(15)

非常重要构件包括主桥面板、横梁、次桥面板、连接件、拉吊杆、护栏和悬挑梁、墩台等，以及其他悬吊、锚索体系的缆索。

4.4 桥梁状况指数

考虑到以1～5的桥梁状况等级代表桥梁的总体水平，对于公路工程以外的人来说，这个标度有些难以理解和容易混淆。因此，引入百分制的桥梁状况指数BCI(Bridge Condition Indicator)，用来表示可能的最佳状态至最差状态。BCI分为BCIAv和BCICrit，BCIAv代表平均服务水平，BCICrit代表最差服务水平，分别按式(16)和式(17)计算。

BCIAv=100-2[BCSAv2+6.5·BCSAv-7.5],

(16)

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

(17)

5 各国评定方法分析

通过对美国、日本、英国的评定方法分析可以看出，虽然各国的桥梁养护管理特点不同，评定方法也不尽相同，但由于养护管理工作的必然性特征，各国的评定方法在很多方面仍然有相似之处并各有特点。

5.1 美、日、英的共同点

经过多年来评定方法的总结和修订，各国的桥梁检查体系均细化到各构件的具体缺损表现上，以构件缺损状况的检查结果作为技术状况评价的基本依据，总体上均以从缺损到构件再到全桥的分层综合评定原则开展桥梁技术状况评定。

5.2 美、日的共同点

美国和日本对各类桥型的构件组成在评定标准中进行了明确约定，同时对每类构件可能发生的缺损类型及其评定标度也进一步明确。美国构件评定体系共规定了103个构件和47类缺损，日本构件评定体系共规定了19类构件(考虑材料29类构件)和26类缺损。两国的评定标准中，定义的构件和缺损基本覆盖了常用桥梁的所有类型，确保了不同的桥梁检查人员对同一构件和同一桥梁检查结果的一致性。同时，两国对于每座桥梁检查数据的结构化处理大大提升了桥梁数据进一步分析和科学研究的价值。

5.3 日、英的共同点

日本和英国对桥梁综合评价结果不约而同地考虑了最差状况和平均状况，略微区别之处在于日本从部件级别计算桥梁健康度Ⅰ和健康度Ⅱ，而英国在全桥级别计算桥梁平均状况等级且直接以重要构件等级作为全桥状况等级。

另外，两国对于缺损的评价都考虑了缺损的严重程度和范围两个维度，区别在于日本静冈县根据使用需求进行了针对性的简化以便于检查人员使用。

5.4 美、英的共同点

美国和英国的特点在于多元化，且国内存在多种评价体系。本研究所述的美国评定标准为主流评定标准，2016年Campbell等[19]对14个州的桥梁管理调查显示，其中6个州使用AASHTO桥梁管理系统，6个州使用独立开发的管理系统，2个州没有使用系统。英国评定标准[18]中同时给出了其他7种评定方法与该标准方法之间的换算关系，体现英国评定方法的多样性。