■尹棟佳 游德泉 周國華

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430051；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

高速公路是中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然產(chǎn)物，中國第一批高速公路大部分分布在國內(nèi)較發(fā)達(dá)地區(qū)。隨著迅猛發(fā)展，早期建設(shè)的高速公路承載能力日益飽和，服務(wù)水平明顯下降。高速公路改擴(kuò)建工程是在充分考慮資源環(huán)境約束力和承載力的前提下，通過集約利用運(yùn)輸通道、土地資源和路產(chǎn)資源，以優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)、提高運(yùn)輸能力、提升服務(wù)質(zhì)量為目的的公路建設(shè)形式[1]。高速公路的差異性大，而目前高速公路改擴(kuò)建的工程實(shí)踐還相對(duì)較少，因此改擴(kuò)建過程中存在著較多重大技術(shù)問題亟待解決。橋梁改造設(shè)計(jì)方案是整個(gè)項(xiàng)目的控制性因素，對(duì)工程建設(shè)的影響較大。通過滬渝高速公路漢宜段改擴(kuò)建前期工作的研究成果，對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程既有橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)問題進(jìn)行探討，以期為設(shè)計(jì)同仁提供參考。

1 工程概況

項(xiàng)目起點(diǎn)位于武漢市蔡甸區(qū)與京港澳高速交叉武漢西樞紐互通，途經(jīng)武漢市、漢川市、仙桃市、潛江市、荊州市、宜昌市，論證終點(diǎn)位于與鴉猇高速公路交叉高家店樞紐互通。路線總長(zhǎng)約265.6 km，高速公路現(xiàn)狀設(shè)計(jì)速度分路段為120、100、60 km/h，路基有28.0、24.5、24.0 m 等多種寬度。雙向四車道通行，改擴(kuò)建完成后，將達(dá)到路基寬度42.0 m，設(shè)計(jì)速度120 km/h，雙向八車道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

改擴(kuò)建工程現(xiàn)狀主線共設(shè)置橋梁598 座，其中4198 m/12 座，中橋2231 m/44 座，小橋2840 m/180 座，通道橋362 座。橋梁年檢顯示，全線1 類橋梁149 座，占比24.9%，2 類橋梁449 座，占比75.1%。本項(xiàng)目的特點(diǎn)是橋涵數(shù)量眾多，現(xiàn)狀橋涵以中小橋/通道為主。改擴(kuò)建設(shè)計(jì)將進(jìn)行專項(xiàng)橋梁檢測(cè)，科學(xué)的檢測(cè)評(píng)定方式和改造建設(shè)方案綜合評(píng)價(jià)對(duì)建設(shè)方案的影響巨大。

2 既有橋涵技術(shù)狀況評(píng)價(jià)

既有橋涵技術(shù)狀況評(píng)定主要依據(jù)是《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004）和《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG TH21-2011），采用分層綜合評(píng)定法對(duì)橋梁主體構(gòu)件進(jìn)行分項(xiàng)評(píng)定后，對(duì)橋梁總體技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定分級(jí)。構(gòu)件技術(shù)狀況評(píng)分計(jì)算如式（1）所示。

式（1）中：MCIl為構(gòu)件（上構(gòu)、下構(gòu)、橋面系）第類構(gòu)件構(gòu)件的得分，值域?yàn)?～100 分；k 為第類部件構(gòu)件出現(xiàn)扣分的指標(biāo)的種類數(shù)；U、x 為引入的變量。

《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（下稱 《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》）是為橋梁養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)，與改擴(kuò)建工程的側(cè)重點(diǎn)不同，適用標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步探討和優(yōu)化。（1）既有橋梁檢測(cè)和評(píng)價(jià)是橋梁改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。改擴(kuò)建工程與橋梁日常養(yǎng)護(hù)各有側(cè)重，《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》將結(jié)構(gòu)性病害與非結(jié)構(gòu)性病害進(jìn)行分層綜合評(píng)價(jià)，表觀病害與結(jié)構(gòu)病害對(duì)評(píng)分有同等影響；而改擴(kuò)建工程更注重橋涵結(jié)構(gòu)能否滿足安全運(yùn)營需求，滿足改擴(kuò)建后一段時(shí)間內(nèi)的承載能力和正常使用可靠度水平[2]。（2）剩余使用壽命是評(píng)價(jià)橋梁改擴(kuò)建的重要指標(biāo)，是改擴(kuò)建工程中評(píng)定橋梁改造方案的重要方面，對(duì)衡量方案經(jīng)濟(jì)性影響較大。（3）平原區(qū)高速公路以中小橋涵為主，數(shù)量眾多但類型相對(duì)單一，病害存在規(guī)律性?！对u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》針對(duì)橋涵單體做出逐個(gè)評(píng)定，具有局限性；而改擴(kuò)建工程需要對(duì)病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，整理出常見病害及個(gè)別病害，從而分析病害產(chǎn)生的主要原因。（4）高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)較多，部分橋梁進(jìn)行加固維修，對(duì)原有病害進(jìn)行了掩蓋，《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于加固維修后的構(gòu)件評(píng)分沒有明確規(guī)定，檢測(cè)評(píng)定分?jǐn)?shù)偏高，導(dǎo)致結(jié)果失真。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果和實(shí)地勘察情況，對(duì)評(píng)定結(jié)果提出如下改進(jìn)措施：（1）根據(jù)改擴(kuò)建項(xiàng)目的這一特點(diǎn)，將病害評(píng)價(jià)權(quán)重分成兩類。一類是結(jié)構(gòu)性裂縫、跨中撓度、結(jié)構(gòu)變位等涉及結(jié)構(gòu)安全的結(jié)構(gòu)性病害，另一類是蜂窩麻面、剝落掉角等易修復(fù)性的耐久性病害。評(píng)定時(shí)先進(jìn)行第一類病害技術(shù)評(píng)價(jià)，以確定結(jié)構(gòu)的安全性能，當(dāng)結(jié)構(gòu)評(píng)分達(dá)到設(shè)定的下限值時(shí)，即判定為不宜利用；（2）混凝土碳化和鋼筋腐蝕是影響橋梁耐久性和使用壽命的重要因素，項(xiàng)目提出結(jié)合混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋銹蝕等指標(biāo)判斷結(jié)構(gòu)耐久性，當(dāng)結(jié)構(gòu)無明顯的結(jié)構(gòu)性病害，且耐久性良好時(shí)，第二類病害結(jié)果才可作為正常養(yǎng)護(hù)利用的依據(jù)；（3）對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行分類匯總，結(jié)合結(jié)構(gòu)驗(yàn)算成果，分析病害主因。橋梁檢測(cè)結(jié)果提供了海量的病害數(shù)據(jù)，不同孔跨、跨徑的橋梁因構(gòu)件數(shù)量不同、單項(xiàng)病害種類不同等因素，得出的技術(shù)狀況評(píng)分易出現(xiàn)倒置情況，如部分橋梁病害較嚴(yán)重，但因構(gòu)件較多、病害類型少等導(dǎo)致得分較高情況。為解決這類問題，將同跨徑同類型橋梁病害進(jìn)行分類整理，尋找出共性病害和差異性病害，繪制結(jié)構(gòu)病害分布圖，分析不同部位的病害頻次和嚴(yán)重程度。建立結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)算，相互印證病害產(chǎn)生因素。（4）加固維修橋梁病害根據(jù)加固構(gòu)件破壞的危害后果重新定級(jí)。以項(xiàng)目中20 m 普通鋼筋混凝土T 梁為例，大部分采用鋼板或碳纖維布對(duì)梁腹板和底板進(jìn)行加固（圖1），結(jié)構(gòu)耐久性比健康橋梁相差很多。技術(shù)狀況根據(jù)現(xiàn)有病害情況進(jìn)行評(píng)定，不能反映真實(shí)的梁體健康程度。鑒于此，將進(jìn)行過承載能力加固的橋梁狀況等級(jí)自動(dòng)遞減一級(jí)，以原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行承載能力檢測(cè)計(jì)算。表觀病害修復(fù)的構(gòu)件計(jì)入原病害情況，對(duì)評(píng)定分?jǐn)?shù)進(jìn)行扣減，糾正加固橋梁的評(píng)定分值偏高的問題。

圖1 20 m 鋼筋混凝土T 梁加固實(shí)景

3 既有橋梁改造方案綜合評(píng)價(jià)體系

既有橋梁檢測(cè)與評(píng)價(jià)是橋梁改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，改造方案綜合評(píng)價(jià)體系則是在此基礎(chǔ)上更深入的研究，綜合考慮橋梁既有狀態(tài)、可行性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、施工難度、環(huán)境影響等諸多方面，難以用確定的數(shù)學(xué)模型加以量化，是橋梁改擴(kuò)建方案的難點(diǎn)之一。模糊數(shù)學(xué)為多因素模糊評(píng)價(jià)問題提供有力工具，通過模糊變換原理和最大隸屬度原則，從而對(duì)看來相當(dāng)復(fù)雜的模糊系統(tǒng)進(jìn)行定量的描述和處理，形成更加有效和有效率的決策。以專家調(diào)查法和層次分析法為基礎(chǔ)，建立模糊綜合評(píng)價(jià)體系，力求建立較為全面、科學(xué)、準(zhǔn)確的橋梁改擴(kuò)建方案[3]。

橋梁改擴(kuò)建方案主要分三類：直接利用，加固利用或拆除重建。影響橋梁改擴(kuò)建方案的因素眾多（圖2），為方便操作，指導(dǎo)實(shí)踐，選取橋梁既有狀態(tài)（安全性）、方案造價(jià)（經(jīng)濟(jì)性）、施工難易程度（可操作性）、對(duì)保通影響（建設(shè)協(xié)調(diào)性）、剩余使用壽命（耐久性）等5 項(xiàng)主要因素作為方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將問題簡(jiǎn)化為一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型。

圖2 橋梁改擴(kuò)建方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于一級(jí)模糊理論評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析步驟如下：（1）以選取的方案評(píng)價(jià)五項(xiàng)主要影響因素建立評(píng)價(jià)子目標(biāo)集：U=（u1，u2，…，un），即U=（安全性，經(jīng)濟(jì)性，可操作性，建設(shè)協(xié)調(diào)性，耐久性）；（2）由于每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值的不同，往往會(huì)形成不同的等級(jí)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及方案優(yōu)劣分成：好D1=[0.8,1）、較好D2=[0.6,0.8）、一般D3=[0.4,0.6）、較差D4=[0.2,0.4）、差D5=[0,0.2），共5 個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)體系計(jì)算的分值形成評(píng)級(jí)集：V=（v1，v2，…，vn）；（3）根據(jù)層次分析法建立評(píng)價(jià)目標(biāo)權(quán)重分配集：wi=（wi1，wi2，…，wik）；i=1，2，…，k。各評(píng)價(jià)目標(biāo)權(quán)重分配根據(jù)評(píng)價(jià)體系的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行分配，wi=（0.25，0.25，0.2，0.15，0.15）。同時(shí)引入安全性一票否決制，即當(dāng)安全性評(píng)價(jià)分值低于0.4 分時(shí)，即安全性評(píng)定為較差或差等級(jí)時(shí)，其余各項(xiàng)評(píng)分為0，采取拆除重建方案；（4）請(qǐng)數(shù)個(gè)專家對(duì)各指標(biāo)通過方案研究進(jìn)行評(píng)價(jià)，按照九級(jí)標(biāo)度法對(duì)影響因素進(jìn)行評(píng)分。各位專家對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)方案的5 項(xiàng)指標(biāo)獨(dú)立進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為0.1～0.9 分9 個(gè)標(biāo)度，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集中的5 個(gè)優(yōu)劣等級(jí)及中間判斷狀態(tài)。以平均得分作為指標(biāo)的最終得分，得到評(píng)價(jià)模糊矩陣：

4 綜合評(píng)價(jià)體系應(yīng)用實(shí)例

以東荊河大橋?yàn)槔?，東荊河大橋全長(zhǎng)730 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用30 m 和40 m 預(yù)應(yīng)力T 梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩和柱式橋臺(tái)。經(jīng)橋梁專項(xiàng)檢測(cè)，按照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/TH21-2011）中的評(píng)定方法，全橋得分81.43，評(píng)定為二類橋梁。

圖3 東荊河大橋現(xiàn)狀

制定兩側(cè)拼寬、分離拼寬、拆除重建3 種建設(shè)方案，邀請(qǐng)5 位技術(shù)專家對(duì)橋梁方案的評(píng)價(jià)子目標(biāo)集進(jìn)行打分，以評(píng)分均值作為子項(xiàng)得分。以兩側(cè)方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為例，專家評(píng)分分別為0.8、0.9、0.8、0.9、0.9，平均得分為0.86，即R12=0.86。以此類推，得到評(píng)價(jià)模糊矩陣：

式（3）中，每行分別代表3 個(gè)方案，每列分別代表1 項(xiàng)評(píng)價(jià)子目標(biāo)的平均評(píng)分值?？芍?/p>

即兩側(cè)拼寬、分離拼寬、拆除重建的綜合評(píng)價(jià)分值分別為0.734、0.770 和0.704，由此得知，第二種方案分離拼寬優(yōu)于其他兩種方案，確定為設(shè)計(jì)推薦方案。通過模糊理論評(píng)價(jià)使方案優(yōu)劣能夠定量分析，從而得到較為科學(xué)的評(píng)定結(jié)論。

5 結(jié)語

（1）高速公路改擴(kuò)建工程遠(yuǎn)比新建工程復(fù)雜，橋梁改擴(kuò)建方案是工程建設(shè)重要的控制因素，應(yīng)重視頂層設(shè)計(jì)。（2）既有橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)和以指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)為目的的規(guī)范之間的目標(biāo)存在較大的差異，現(xiàn)有橋涵技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)需要在實(shí)踐中給予修正。（3）改造方案的綜合評(píng)價(jià)體系受到多因素影響，定性分析往往不能正確決策，基于模糊數(shù)學(xué)的定量分析方法提供了研究方向。