基于層次分析法的鐵路橋梁技術狀況評估

肖鑫

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

截至2018年底，我國鐵路運營里程達到13.1萬km以上，其中高速鐵路2.9萬km以上。線路跨越大河、深山峽谷及受地質不良段等影響時多采用橋梁結構。鐵路線路中橋梁占比較大，如武廣高速鐵路中橋梁占比42%，京滬高速鐵路中橋梁占比80%，滬杭高速鐵路中橋梁占比92%。橋梁結構長期處于列車動荷載作用下，加上材料老化、環境惡劣、自然災害等因素的聯合作用，造成巨大的安全隱患。因此，準確掌握橋梁結構狀態、及時指導養護維修就顯得尤為重要。

橋梁結構狀態評估主要包括承載能力狀態評估與技術狀態評估。承載能力評估主要通過檢算或荷載試驗等方法評估橋梁承載能力。技術狀態評估主要根據橋梁的日常檢測，參考相應的規范對橋梁進行評估。在考慮不確定和隨機性影響因素的前提下，相關學者針對橋梁技術狀況評估提出了一系列其他方法。如黃志偉等［1］研究了橋梁扣分值，分析了構件及部位的權重，建立了基于程度分析的中小橋梁評估方法；王哲［2］基于模糊層次分析法，分析了拱橋拱圈技術狀況。還有不少學者研究了模糊理論在橋梁評估中的應用，并提出了一系列基于模糊理論的評估方法［3-5］。

目前，我國公路橋梁技術狀況評估體系較為完善，根據相關規范［6-8］對公路橋梁從構件、部件再到全橋進行了詳細的評估。而鐵路橋梁的技術狀況評估主要參考1997—1999 年陸續實施的TB/T 2820.1—2820.8《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》［9］、鐵運〔2010〕38 號《鐵路橋隧建筑物修理規則》［10］以及鐵運〔2011〕131 號《高速鐵路橋隧建筑物修理規則》［11］，分別按照鋼梁、隧道、支座、涵渠、混凝土梁、墩臺基礎、橋渡、明橋面對各個構件進行狀況評定。這些評估規范或標準是以單個結構物或者單個構件為基本單位，評分結果較為明確。在評估中需要對每種構件的劣化等級進行具體劃分和描述。隨著鐵路建設的發展出現了越來越多的大跨特殊結構橋梁，但目前的相關鐵路規范多制定實施于20 世紀90 年代，當時鐵路橋梁結構形式單一，僅對簡支梁有較為詳細的描述，對于其他特殊結構橋梁，如斜拉橋、拱橋、懸索橋等重要構件缺乏相應的劣化評定等級。目前的評估方法僅在構件層次進行評定，未能對全橋整體狀況做出評估。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是鐵路橋梁狀態評估常用的方法之一。傳統的層次分析法是采用專家打分進行指標量化，其主觀性較強，從而導致結果偏差較大。本文根據相關規范建立橋梁構件劣化標準，參考國內外相關評定方法，結合層次分析法，提出適用于鐵路橋梁技術狀況評估的分層分級評估方法。

1 分層分級評估流程

橋梁的技術狀況評估是一項極其復雜的工作，基于人工檢查進行，除了需要考慮確定性和隨機性因素外，還需考慮檢查人員對認知的模糊性。當前鐵路橋梁狀況評估主要集中在構件層次，評估結果不能反映橋梁整體運行狀況。JTG/T H21—2011《公路橋梁技術狀況評定》［8］規范中將橋梁技術狀況評估分為橋梁構件、部件、橋面系、上部結構、下部結構和全橋評定，采用分層綜合評定與5類橋梁單項控制指標相結合的方法。本文參考國內外相關規范及橋梁技術狀況評估方法，建立了鐵路橋梁分層分級評估體系。首先對全橋進行結構劃分，將構件作為最小單元，并建立構件病害庫，在橋梁構件層次開始評分。然后將構件分類歸入不同的部件，再將不同的部件劃入不同的橋梁結構部位。最后，橋梁各結構部位組成全橋。具體的分層分級評估流程（圖1）：①根據橋梁資料和建立的橋梁病害庫進行橋梁現場檢查，對構件狀態進行評估；②根據構件評分結果，按照構件所屬的部件，對部件進行評估；③根據各部件評分狀況，結合各部件所占權重，對橋梁各大部位進行評定；④根據各大部位評分結果，并按照各大部位所占權重，評估橋梁全橋狀況。

圖1 鐵路橋梁分層分級評估流程

2 評分細則

2.1 橋梁劣化等級劃分

JTG/T H21—2011中將橋梁構件的劣化等級分為1～5 共5 個標度，表示構件功能完好到嚴重性功能病害。美國AASHTO手冊（Manual for Bridge Element Inspection）將橋梁單元健康狀況分為好、中、差、嚴重4 級。我國鐵路相關橋隧建筑物劣化評定標準中，將構件劣化等級分為5 級，分別為AA，A1，B，C，D，對應于劣化極嚴重、嚴重、較重、中等、輕微［9］。鐵運〔2011〕131 號和鐵運〔2010〕38 號中也給出了橋梁評估要點與具體評定標準。

為便于對橋梁構件做出準確評估，減少人為認知的模糊性，結合國內外相關規范，在構件單元層次上，根據構件不同病害程度將其劣化等級劃分為4 級，即AA，A1，B，C。表1 所示為鐵路橋梁支座部分常見病害及劣化等級劃分，并根據不同劣化等級，規定了對應的扣分值。

表1 橋梁支座部分劣化等級劃分

2.2 構件評分

如上表1 所示，在構件層面上其病害分為若干子類，各子類病害之間可能存在相互影響，如支座轉角超限，可能導致其位移超限。在對構件評定時，如果將這2 類病害都進行扣分，會導致評估結果與實際相差較大。因此，需要將這些病害子類再次劃分，分別歸入不同的病害大類，在評分過程中取構件各大類病害中子類病害的最大扣分值作為其扣分值。構件評分僅針對其大類病害進行計算。再將同一構件的不同大類病害的扣分值按大小順序排列為x1，x2，…xn（x1為最大扣分值，xn為最小扣分值），并根據式（1）計算構件的最終得分。

式中：CIi為結構第i構件的得分。

構件評分為100 減掉對應的扣分值，總扣分值最大值為100，即按公式計算結果若大于100，則取100，即得分為0。

2.3 部件評分

在進行部件評分時，需要將構件歸入不同部件，并以部件所含所有構件的得分平均值作為該部件的最終得分PIi，即

2.4 結構部位評分

在計算了各部件的得分之后，可按照各部件的權重進行加權處理，得出各大部位的分數。若某一部位內未能對所有的部件進行評估，則假設未評估部件的狀態與已評估部件的狀態一致，即已評估部件的狀態作為樣本代表了該部位所有部件的總體狀態。相應的評分可按下式計算：

式中：SIi為橋梁第i部位得分；m為部件數量；wi為結構第i類部件在結構部位中所占的權重。

2.5 全橋評分

根據各大結構部位評分狀況，按照各自權重進行加權求得全橋得分D，其計算公式為

式中：pi為橋梁各部位在全橋中所占的權重。

3 橋梁技術狀況等級

在計算橋梁全橋得分后，可對橋梁狀況做出較為準確的評定。JTG/T H21—2011 中將橋梁總體技術狀況從好到壞分為1類—5類共5個等級。1類對應全新狀態，功能完好。5類對應主要構件存在嚴重缺陷，不能正常使用，橋梁處于危險狀態。美國FHWA 手冊（Bridge Inspector's Reference Manual）中將橋梁檢查時的狀態評價分為好、中、差3級。結合國內外相關規范，將鐵路橋梁技術狀況從好到壞分為9 級，見表2。當橋梁健康代碼在6 以上時（即80 分以上），表示橋梁技術狀況良好；當橋梁代碼在2～5時，表示橋梁技術狀況較差，應加強橋梁檢查；當橋梁健康代碼為1 時，表示橋梁面臨即將失效狀態，應及時封閉橋梁，由專業機構對橋梁進行檢測評估。

表2 全橋健康代碼及描述與評分

4 權重分配

權重的合理分配直接影響橋梁結構評分，JTG/T H21—2011 中針對不同橋型，規定了各部件的權重。

權重的分配需考慮多種影響因素，目前權重的分配多基于專家打分，由于主觀性較強，得出的結果離散性較大。本文基于層次分析法（AHP），通過對元素之間的兩兩比較，構造判斷矩陣，將定性分析與定量分析相結合，提出了橋梁技術狀況評估權重計算方法。

層次分析法（AHP）的基本流程為：首先將目標層分解成多個準則層，再細分成多個指標，然后根據各元素間的重要程度，分別計算出各層權重。層次分析法以各元素間的重要程度作為定性指標，采用相應算法將定性指標轉換成為定量指標。

1）層次結構模型的建立

采用AHP 分析問題時，首先要確定問題的目標層，即最終需要達到的目標；再確定準則層，這一層包含了所有影響目標結果的元素；進一步將準則層分解為指標層，該層由準則層與目標層所支配。

2）定性指標的構建

定性指標的構建多采用標度法。標度是將經驗關系映射到數值關系，常見的標度法有1～9九標度、0～2 三標度、-2～2 五標度等。為更為準確地評判橋梁各部件和結構部位的重要程度，本文采用三標度法，具體含義如下表3所示。

表3 三標度法含義

3）定量指標的計算

通過專家打分，結合三標度法，可建立各指標層、準則層的重要程度定性描述，結合相應的算法可根據各元素的重要程度分析各組成元素所占的權重，具體計算方法可參見文獻［12］。

5 工程實例

5.1 橋梁概況

某鐵路混凝土簡支梁橋采用混凝土箱梁，圓端形實體框架墩，如圖2 所示。橋面附屬設施主要包括欄桿、作業通道、檢查梯、防水層、排水設施等。

圖2 鐵路混凝土簡支梁橋

5.2 橋梁層次及劣化等級劃分

圖3 橋梁組成

將該橋技術狀況評定分解為全橋、四大結構部位、部件以及構件4 個層級，如圖3 所示。其中，梁體、墩臺身、頂帽、承臺、樁基等構件將作為最低級評估單元，并根據各自構件特點，建立構件病害庫，根據病害程度對其進行等級劃分。

5.3 權重計算

根據層次分析法，建立該橋的層次結構，如表4所示。其目標層為全橋技術狀況評定，準則層主要包括上部結構、下部結構、支座設施、橋面及附屬設施。在準則層下又分別設置了若干子指標，構成了指標層。

表4 橋梁評定系統結構

以準則層的權重分析為例，計算各指標所占的權重，建立判斷矩陣：

式中：U為全橋技術狀況評定；u1為上部結構；u2為下部結構；u3為支座設施；u4為橋面及附屬設施。

基于0～2 三標度法判斷每個指標的相對重要性，建立重要程度矩陣，即

根據重要程度矩陣，采用層次分析法計算的四大結構部位權重如表5 所示。可以看出，上部結構與下部結構權重較大，支座設施次之，橋面及附屬設施權重最小。

表5 四大結構部位權重

同理，其余部件中，上部結構中僅有梁體部位，因此，該部位的權重為1。下部結構有2個構件墩臺和樁基礎，重要程度相當，權重均為0.50。支座部位也有2 個部件組成，支座和墊石，且各部件重要程度相當，權重均為0.50。橋面及附屬設施結構部位有4 個部件，權重見表6。

表6 橋面及附屬設施結構部位權重

5.4 橋梁技術狀況評定

通過人工檢查，該橋出現的病害資料見表7。

表7 橋梁出現的病害類型

根據上述計算步驟，構件、部件、結構部位及全橋的得分如表8所示。可知，橋梁防排水設施分數最低，應多加強檢查。橋面及附屬設施、上部結構健康代碼為8，下部結構與支座設施健康代碼為9，全橋健康代碼為8，表明當前橋梁各結構部位及全橋狀態非常好。

表8 橋梁結構評分

采用該方法對橋梁狀態進行評估，不僅直觀展示了構件的病害情況及健康狀況，通過對橋梁各部分進行評分，實時掌握了各部件的運營狀況，可便于對橋梁結構制定養護維修計劃。對全橋進行評分，可了解橋梁整體運營狀態。與鐵運〔2011〕131 號及鐵運〔2010〕38 號制定的評估方法相比較，該方法結合層次分析法對橋梁狀況進行了定量描述。

6 結論

1）基于層次分析法的橋梁技術狀況評估方法以橋梁劣化為基礎，制定扣分細則，著重考慮橋梁各組成部件之間的重要程度，采用定性分析與定量分析相結合的方法確定橋梁結構各部件及結構部位的權重。

2）基于層次分析法的橋梁技術狀況評估方法借鑒了國內外相關橋梁評估的分析思路，又結合了鐵運〔2011〕131 號《高速鐵路橋隧建筑物修理規則》及鐵運〔2010〕38 號《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》中關于橋梁構件的劣化等級劃分。

3）該方法從橋梁構件出發，逐層次對橋梁進行評估，可以掌握橋梁細部到整體的結構狀態，便于橋梁管理。算例表明，采用該方法不僅能直觀掌握橋梁病害，還能實時評估橋梁結構狀況，及時指導檢查、養護和維修。