以评估和维修的标准倒逼设计与施工的改进 美国桥梁管理50年经验谈

从1967年至2017年，美国现代桥梁管理走过了50年的岁月。在基础设施网络的创建和扩建期间，工程主要按结构设计、施工、维护和评估的顺序进行。然而，现有基础设施的管理不得不颠倒这一顺序，以结构状态评估和紧急维修为先，并最终提出新的设计和施工标准。本文简要回顾了桥梁工程和管理的制约因素、方法及解决方案在这半个世纪相互协作下的重大发展和当前趋势。

桥梁数据库

1967年12月15日，位于西弗吉尼亚州波恩特普莱森特（Point Pleasant）横跨俄亥俄河39年的旧银桥（Silver Bridge）的垮塌，拉开了美国现代桥梁管理的帷幕。该事故造成46人伤亡，是迄今为止伤亡人数最多的一次桥梁垮塌事故。对此，美国国会通过了一项法律，强制每两年执行一次公共车行桥检查。

在短短几年内，美国国家桥梁信息库（NBI）统计的桥梁数量超过30万座。2016年，行车隧道信息库推出；2017年，NBI统计全美共有63万座车行桥和若干多用途桥梁。在不久的将来，国家铁路桥信息库也将进行整合。NBI数据库的数量扩展不仅提高了工程产品和管理过程的各个方面，包括评估、维护、设计和施工，最重要的是将决策支持系统电算化，即桥梁管理系统（BMS）。这些系统会因使用者的具体需求而有所不同，但所有系统都是从桥梁数据库和其他决策措施选项开始。选定的桥梁数据库必须充分详细地描述桥梁在设计、完工和当前这三个阶段的结构状态，以便在信息充分的情况下做出决策。

在以上每个阶段，桥梁信息必须满足工程管理的目标及方法需求。因此，这些信息必须是描述性或规定性、确定性或不确定性，以及定性或定量的。

图1 旧银桥（Silver Bridge）的垮塌拉开了美国现代桥梁管理的帷幕

状态评估

既能够满足所有工程和管理需求，又能结合确定性与不确定性的单一评估是难以实现的。一个比较可靠的方法是在数量上采用所需要的（甚至多余的）独立评估。因此，NBI按状态、荷载、正常使用性、重要性及其他因素对桥梁进行“评级”，鼓励业主按要求引入更严格的事项规定。形成典型数据库的评估主要包括描述性状态评级和规定性状态评级。

描述性状态评级（NYS、NBI、AASHTO）

由NBI定义的状态评级主要通过与假定的完工状态进行比较来描述当前结构状态。检查方式以外观检查为主，其他手段为辅。

1.纽约州（NYS）

纽约州对所有构件按7（新）到1（不合格）进行评级。等级3表示“结构功能不及设计预期”（定性评估）。定性评级的结果应尽可能由定量测量支持。高级检测工程师必须在美国持照执业并拥有5年以上桥梁相关工作经验。

将选定的元件状态评级输入到各种NBI和NYS加权平均打分公式中，得到综合桥梁状态评级。计算NYS桥梁综合状态评级R时，需对13项结构关键元件i（包括主要和次要构件、桥面、承托和基座、背墙、桥台、桥墩、磨损面、人行道、路缘和接缝）的最低评级Ri进行加权平均，如公式（1）所示：

自20世纪70年代以来，纽约州大致有2万座车行桥及其结构元件均按此方法进行评级。选择公式（1）中的13个元件进行打分是为了确定最紧急的减灾措施的需求。随着结构状态的改善，（Yanev 2007、2017）建议在钢结构中将涂装等作为方程式（1）中的第14个元件。

2.国家桥梁数据库评级（NBI）

NBI对桥梁及其元件按9（新）到0（不合格）进行评级（FHWA 1971、1988、1995）。每座桥梁（但非各个跨度）的能力评级（SR）通过（2）公式获得：

（2）0

其中S1、S2、S3和S4分别表示结构充分性、正常使用性和功能性残损、公用必要性和特定扣分项，四者取值分别不超过55%、30%、15%和13%。

NBI和NYS状态与能力评级中，未在工程项目层面对结构缺陷和补救措施的范围进行量化，但它们能够展示网络级趋势。近年来，纽约市桥梁的结构状态评级保持在R>3，而许多桥梁的正常使用性评级为SR

3.美国州立公路与运输官员协会（AASHTO）

AASHTO《桥梁结构元件级别检测指南》（AASHTO 2011）解决了上述部分缺陷。其中，所有桥梁元件按4个状态等级从1（新）到4（不合格），进行评级，状态未知时评为5。美国联邦公路管理局（FHWA）在2015年采用了该指南，用于未来两年一次的桥梁检查。为适应AASHTO新的状态评级制度，联邦政府资助的桥梁管理软件Pontis进行了更新。同时，用于状态预测的马尔可夫链模型也采用威布尔分布进行了（定性）修改。

尽管被量化，AASHTO的4个状态等级仍是描述性的，无法完全避免主观性，不能单一地转换为公式(1)中的状态评级R或方程式(2)中的能力评级SR。因此，对网络级桥梁退化趋势的持续建模和预测，可能需要在一定程度上维持定性评级系统。

4.诊断

AASHTO状态等级的量化取决于无损检测和评估（NDT＆E）技术，它们形成了结构诊断的新领域。对诊断技术的开发和应用的资源投入由桥梁业主、研究人员和制造商共同承担，但他们各自的优先级有所不同。科学研究模拟的是可测量的现象，技术产品制造商将他们的产品作为最小化项目的直接风险和成本手段加以推广。此外，业主期望通过结构诊断将网络直接成本和全生命周期使用者成本降至最低。目前，可采用的技术仍然未得到充分利用，部分原因在于开发上的不足和对新技术的不了解。除此之外，还因为这些技术的应用需要学术界、私营部门和公共部门之间的创新合作机制。

规定性状态评级

规定性评估确定了纠正措施的紧迫性和范围。规定性评估适用于处于良好状态、对结构退化具有较低容忍度、具有可靠响应能力的桥梁网络。

1.美国铁路工程建设及维护协会（AREMA）

AREMA（2001）对铁路桥状态进行了规定性评估。检查结果为：建议在下一次检查前在严格规定时间内采取措施。

2.潜在危险（NYS）

NYS中，潜在危险状态被称为 “旗标”，它们可能是结构隐患或安全隐患（前者常常暗指后者，但反之不然）。“旗标”系统识别“旗标”，指示并跟踪纠正措施。紧迫程度从高优先级的24小时内迅速采取临时措施（PIA），至低优先级在下一次检测前采取监测措施。在1982年至1994年期间，纽约市桥梁的旗标数量从忽略不计飙升至每年3200个。在接下来的10年里，旗标数量稳定在1200。这一趋势表明了纽约市桥梁是从以应急响应和重建为主，向稳定状态的生命周期管理转变。Yanev（2007、2017）将旗标发生率与最常被标记的桥梁元件（如桥面、主要构件、栏杆、伸缩缝等）的状态评级Ri关联在一起。交通相关灾害发生率较为稳定，而由结构状态引起的危险则随着桥梁退化增加到3（NYS）级，然后因为评级较低的元件暂时“变得安全”，再降低。

3.荷载评级（AASHTO，2010）

AASHTO荷载评级规定了桥梁的设计活载和法定活载。NBI中的评级分为记录和运行两个等级，前者反映的是通常假定的结构承载力，后者反映的是其极限承载力。在一个正常运行的系统中，由定量荷载评级表明结构存在功能性缺陷前，定性状态评级R应报告可见的结构退化。观察到的R和SR之间的关系表明该条件一般都能得以满足。明显偏离完工状态的情况下，需要进行新的承载能力评估。既有危桥的破坏性检测展现了相当大的承载能力储备。最近，AASHTO和FHWA已经采纳了通过对现有桥梁进行测量仪器安装和检测性测试，以及结构刚度分析的经验性荷载评级方法。结构诊断在上述过程中发挥了重要作用。

4.易损性（NYS）

易损性评级用于预测危险，而不是对危险做出反应。结构的易损性首先通过检查数据库进行确定，然后通过现场检查加以核实。评级优先考虑潜在易损结构的事前和事后需求。此外还需制定（通过修理、修复、翻新或更换）缓解结构不良状况以及在紧急情况下采取应对措施的相关程序。纽约州已经制定了与下列易损性相关的基本处理流程：水力——地震——碰撞——超载——钢结构构造——混凝土构造和蓄意破坏。

桥梁全寿命周期

一般而言，所有管理工作都需寻求金钱和能源支出之间的平衡。成功的桥梁生命周期管理必须达到结构状态和相关支出之间的平衡，才能使桥梁年复一年地保持相对稳定。如果桥梁及其元件的状态评级能够真实反映多年来大型桥梁网络的结构状态，那么它们可以按公式（3）（Yanev 2007,2017）关联起来：

其中A=桥梁网络的桥面面积，ARec=每年关闭重建的桥面面积，ARep=每年进行修复的桥面面积，ΔRRep=nARec所对应R的平均变化量，ΔRRep=ARep所对应R的平均变化量，r=A-nARec-ARep所对应的年度桥梁退化率，n=以年为单位的重建项目的平均持续时间，ARep为年内维修面积。

公式（3）表示桥梁状态评级的“稳定状态”，该公式中通过重建和维修恢复的桥面面积的增多，补偿了在役桥梁桥面面积的退化。r可以假定为常数，相关的直接年度支出如下：

其中，CDA =直接年度总成本（美元），CRec =重建成本，CRep =维修成本，CM =使用中桥梁的预防性维护成本。CRec、CRep和 CM的单位均为美元/桥面面积。

CRec和CRep两项成本可根据设计和施工实例确定。在项目层面，两项成本在量级和收益方面（如ΔRRec、ΔRRep）存在显著差异，但在大型网络中，它们都趋于当地的典型平均值。因此，一旦桥梁状态评级形成一致的数据库，将它们与结构年龄相关联，就成为了生命周期管理的主要数据来源。图2绘制了纽约市超过600座车行桥在1990年和2011年时，在不同工作年限下的状态评级R。

图2 1990年和2011年纽约市车行桥的状态评级R

从图中可以得出——

A. 自1990年以来，整体桥梁状态有所改善，最重要的是，评级在3以下的桥梁被消除了。2011年后，“稳定状态”开始出现，就像它在2000年之后出现的旗标情况一样。可以预见，缓解危险将优先于控制状态评级。

B. 这些不加处理的数据不具有可比性。年龄为0和120、评级为7的桥梁最有可能耗费不同数量的金钱、能量和信息。因此，从未处理的总体桥梁数据中无法获得有意义的退化率。

C. 在排除明显不可靠的数据点之后，所得平均退化率意味着桥梁使用寿命大约为60～80年，与r≈0.1（NYS评级值7-1）对应。

在公式(3)中代入r=0.1，能获得ARec和ARep的值。它们的相对值可以最小化，这具体取决于CRec/CRep比值。然而在式(3)中代入典型年度总量ARecCRec 和ARepCRep，将得到r≈0.2。这表明了两项关于大量桥梁状态评级（如图2所示）与相关支出之间关联性的重要结论：

D. 决定寻求稳定状态平衡的桥梁网络的重建和维修需求，是最糟糕的退化率而不是平均退化率。

E. 在年度预算中占主导地位的CRec和CRep两项支出，可以通过降低状态退化率r得以更有效地减少，而不是通过增加ARecΔRRec和ARepΔRRep的组合值来实现减少。在公式(4)的模型中，可以通过优化CM来进行研究。

如果以下假设成立（Yanev，2007、2017），可以通过控制维修成本CM，将年度直接支出总额CDA进行最小化：

① 状态评级R代表实际状态

② 可以建立CM = f(r)的关系

Yanev（2007,2017）提出了有关NYS状态评级、执行维护任务的频率和相关花销间的相关性，从而最大限度地降低了平均桥梁网络生命周期的总体成本。然而，状态评级并非实际状态的唯一指标。此外，将维护支出与状态评级相关联具有高度的不确定性，更别说与实际状态相关联。尽管与低维护或不存在维护情况对应的生命周期数据比较丰富，能够代表重要时期高维护的生命周期数据却十分稀少。直接状态改善ΔRM的缺乏，进一步导致预防性维护成为了不流行的桥梁管理选项。FHWA和当地桥梁管理机构已经采取了若干应对措施，包括——

① ΔRM=0的维护任务可以获得（仍有限制条件的）联邦资助。

② 桥梁“保养”（FHWA 2008）是有着可以直接量化优势的维护任务与修复任务的结合，如公式(3)中的ΔRRep反映。

③ 符合AASHTO标准的设计和施工，必须在规定生命周期内（建议75年）展现有可维护性和可检查性。

设计与施工

根据AASHTO规定的桥梁设计和施工必须满足主要的承重能力限制条件。 因此，桥梁的使用寿命取决于桥面、主要构件和桥墩的状态和性能。1990年至2011年间，纽约市车行桥的状况有所改善，主要原因在于桥面的更换和主要构件的修理。然而，图3表明，对于伸缩缝和承托来说，维护并没有达到相同的效果。同样的情况也存在于不直接影响荷载传递路径的排水孔、磨损面和其他维护敏感型元件中。这些元件的过早失效将导致桥梁的生命周期从75年的要求预期寿命，缩短至30年的有效寿命。Yanev（2015）认为，设计和施工不当的伸缩缝是缩短桥梁使用寿命，同时增加重建、维修和使用者成本的罪魁祸首。

图3 纽约市2012年度伸缩缝和承托状态评级

经验总结

美国现代桥梁管理的50年经验教训远不止于此。部分调查结果得到了重新评估，而其他调查结果在美国不同地区的适用情况也不尽相同。重大进展如下—

1.结合使用者成本和环境可持续性的生命周期考量因素，取代了首要的成本考量因素。

2.允许应力设计（ASD）已经发展到强度设计（SD），进而到荷载和抗力系数设计（LRFD）。尽管伸缩缝等不直接参与荷载传递路径的桥梁构件，在桥梁预期寿命中起着关键作用，它们的重要性仍被忽略。因此，75年是AASHTO的建议使用寿命，并非要求使用寿命。

3.作为一种具有经济效益的替代重建和维修的备选方案，维护很难获得资金。因此引入了更积极主动的（并且符合联邦资助条件）保养措施（FHWA 2008）。

4.设计及建造的产品或工艺的质量控制、保证（QC 或 QA），是决定预期成本效益及桥梁寿命的关键。

5.桥梁管理越来越多地被认为是互补性而非矛盾性的，是描述性或规定性、定性或定量的桥梁状态评估手段，以及确定性或概率性的分析模型。基于风险决策的优点和局限性，可以采用桥梁管理系统进行更详细的定性化或定量化分析。

作者单位 /美国纽约市交通运输管理局

编辑 /胡蕾

美编 / 赵雯

责编 / 周洋

审校 / 盛超 廖玲

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