目前，包括悬索桥、斜拉桥在内的许多大型桥梁的建成极大地促进了区域经济的发展，同时也为其养护管理工作带来了新的挑战。国外很多早期建成的大跨径桥梁在运营期间都出现过服役性能退化问题，经评估后被相关部门认为有可能发生不可预见的意外事件，并采取了相应的处置措施。我国的大型桥梁已走过三十余年的发展历程，逐步进入评估和维护的阶段。

在服役期间，桥梁将不可避免地受到环境和交通的影响，出现材料性能劣化、构件病害破损、结构功能缺陷等状况，不仅会影响其正常运营，甚至有可能改变其主体结构的总体服役性能，给桥梁结构带来安全隐患，同时又缩短了结构或构件的实际服役寿命。已有的工程实践经验表明，可以通过早期有效的评估，了解结构及构件的服役状况，避免或减少一些桥梁，突发事故带来的损失。

与中小跨径桥梁相比，大型桥梁在评估方面所面临的主要技术挑战为：全桥结构体系及关键构件形式复杂，构件的实际服役状态不明确。有鉴于此，笔者提出了大跨径桥梁构件的多维度评估方法，并通过实桥的案例分析，探讨其应用效果，为桥梁养护管理部门制定评估方法、优化养护策略提供参考。

在桥梁服役期间，随着运营时间的不断增加，结构或构件的状态将不可避免地受到各种因素的影响，使得其服役能力难以长期保持在初始的较高水平，而发生不同程度的劣化或出现一些病害。桥梁结构或构件状况的变化以及病害的演化进程，易受到各种因素的影响，涉及从设计、施工、运营到养护管理等方面，主要可以概括为下列两方面。

1．内部因素：引起桥梁劣化的内部因素主要是指设计、施工时的特点或不足。包括：

（1）桥梁的桥型、结构、构件的体系或构造不同，其受力形式和传力机理也不一致，造成易损部位和性能劣化速率的差异；

（2）桥梁耐久性设计的重视程度有待提高，防护构造设计过于简单，造成实际运营阶段较早发生劣化；

（3）桥梁施工质量存在瑕疵，例如：材料本身质量缺陷、混凝土浇筑缺陷、施工时发生的意外情况等，均为结构或构件后期发生劣化的基础。

2．外部因素：引起桥梁劣化的外部因素主要是在运营和养护管理阶段的一些原因。其中包括以下几项：

（1）服役时间。随着桥梁投入运营的时间增加，其性能必然发生衰退，例如：有调查显示悬索桥的主缆在桥梁建成通车后前10年内性能变化不大，此后以接近线性的速度开始劣化。

（2）环境的影响。桥梁运营期间所处的环境对材料的劣化速率有显著的影响。例如：当桥梁位于海域环境或工业区时，潮湿空气中存在的氯离子、硫酸盐等成分加速了钢材的腐蚀。

（3）交通量。桥梁的主要作用是承担交通功能，结构在交通荷载引起的往复应力幅值作用下会出现损伤、疲劳或缓慢的衰退，因此交通量的大小以及交通的组成影响结构或构件状况变化的进程。

（4）受力状态。构件不同的受力状态和受力特点也会对其劣化产生影响。例如：同一桥梁不同位置的斜拉索或吊索之间应力水平存在差异，荷载效应引起的结构内力无法均匀地分配到每一根索上。此外，车辆的冲击效应也会加速伸缩缝的累计位移增长和支座的磨损。

（5）养护管理策略。在桥梁运营阶段，养护指南的制定、采取不同的养护策略、养护管理者的技术水平等也会影响桥梁的劣化速率，采取合适的养护方式可以有效减缓其性能的衰退。

桥梁运营期间存在有限元分析计算、长期监测和各类检查评估等在内的不同来源数据，相互之间可以相互印证，也可能有所冲突，共同形成了桥梁评估的数据资源和基础，对这些数据进行整合和综合分析，可以获取其中包含的关键信息，进而提升评估效率。

图1 桥梁运营期构件数据来源——以拉吊索检测为例

在充分检测和识别构件特性和病害的基础上，提出了大型桥梁构件的多维度评估方法，如图2所示。选取反映桥梁状态的关键构件后，针对构件性能指标的可得性或病害的特征进行分析，对于基于既有检测技术能够基本掌握的构件及其各项性能，可以直接根据检查结果，采用基于状态的评估方法；对于不确定性较高的构件性能或病害，可以综合分析不同来源的时序数据，从概率角度对其予以深度评估，作为对基于状态方法的补充和完善。

图2 大型桥梁构件多维度评估方法

当桥梁构件因性能衰退造成使用功能受损或发生某种严重病害时，就需要采取相应的措施，包括维护、维修、加固、更换等。通过分析多维度评估的结果，可以在一定程度上了解构件在服役期间可能的性能衰退趋势或病害演化进程，为桥梁养护管理部门制定养护策略提供部分参考，实现降低桥梁维护成本和减少重大事故发生概率的目标。

桥梁构件的状态，是依托检查检测得到的信息对构件存在的缺陷进行全面的描述，初步记录构件的基本特征并通过一定的指标加以反映，如图3和图4所示，构件的状态得分是对其破损状况、服役水平、工作性能的一项综合评估，从总体的角度反映了构件的性能衰减情况和安全性。对于大型缆索承重桥梁而言，需要从病害特征和构件细部特点两方面出发，建立更为精细化的评估体系和评估标准，从而降低检查人员的主观影响，并从“局部-整体”掌握桥梁各关键部位的服役状态。通过引入时间序列，研究时间轴上一段时期内的桥梁构件状态指标变化情况，可以进一步对构件总体服役水平进行评估。

图3 某大型桥梁钢箱梁历年检查维护情况

图4 某大型桥梁钢箱梁精细化状态评分

在我国实际的桥梁养护管理工作中，对构件采取的许多养护措施并不涉及结构安全性问题（或很长一段时期内不影响结构安全，如伸缩缝积灰、桥面系破损、钢箱梁涂装凸起等），通常不进行承载能力评定。此外，对于养护检查等级为I级的桥梁，每年都会开展定期检查，记录各构件的病害情况，并统一按照规范计算技术状况评分，从总体上较直观地掌握构件服役状态。因此，从普遍性、可操作性、时间延续性考虑，构件技术状况评分可作为反映构件状态的指标用于评估。

在得到长期累积的桥梁构件状态评分后，可以建立状态退化预测模型，以评估不同服役时间的构件性能。

构件状态退化预测研究需要分析状态指标的衰减规律，初步估计构件可能的失效时间，进而决定采取何种养护策略。不同的大跨径桥梁，其构件具体型式、材料、服役环境等都有差异，即使是同种构件的状态劣化预测模型也不会完全相同。考虑到桥梁构件劣化过程的复杂性和不确定性，对于不同桥梁的不同构件，需要分别采用不一样的状态劣化预测模型。假定桥梁服役后，从构件进入劣化进程开始，几种较常用的构件状态劣化预测模型包括：线性劣化过程、多段线劣化、多次曲线劣化、指数劣化过程共4种模型，如图5所示。

（a）线性劣化过程模型

（b）四段线劣化模型

（c）多次曲线劣化模型

（d）指数劣化过程模型

图5 典型的状态劣化预测模型

针对图4所述的钢箱梁评分，采用不同预测模型展示了三种状态劣化模型的拟合与预测情况，如图6所示。可以看出，对于该桥钢箱梁构件的状态，指数劣化模型拟合效果相对较好，可将其作为该桥钢箱梁构件状态预后评估的参考。根据钢箱梁性能指数劣化拟合结果，其总体服役性能很难满足剩余设计使用年限的需求。在仅按照目前方式实施日常简单养护及局部修补的情况下，预计在桥梁服役时间为57年时，钢箱梁构件技术状况评分将有可能降至0；预计在桥梁服役35年，也就是再服役10年左右后，钢箱梁构件技术状况评分有可能会降至60分以下，需要考虑采取大修、加固等措施，使其保持较好的服役性能。

图6 大型桥梁钢箱梁状态预测结果

构件状态评定结果在很大程度上依赖于检测过程的规范性、病害记录和描述的准确合理性。在未来的大型桥梁管理中，可考虑在《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）的基础上，进一步建立大型桥梁标准化评估体系和评估标准，并针对具体单座桥梁的结构特点、所处环境、运营状况、病害情况，进行局部调整，使得检测结果更具针对性和合理性。同时，对于检测过程也建议更加规范化，保持一支相对稳定和专业的管理、检测队伍，使得检测结果完整、全面、清晰。

总体而言，以历年构件技术状况评分来表征其总体性能的劣化规律，进而实现构件状态的预测，是与我国目前大桥实际养护方式结合较为紧密的方法。考虑到我国该类型桥梁服役时间不长，且相关养护、评估规范实施的时间也较短，从准确描述构件性能实际劣化趋势的角度来讲，未来仍需要更多实桥长期状态检查跟踪的结果，来进一步探求更为合理、准确的构件状态劣化规律。

基于状态的构件评估方法更注重桥梁适用性和耐久性方面的评价，其计算简便、应用广泛，但大部分评定结果依靠表观检查信息和评估人员的主观判断，对于大型缆索承重桥梁，对于一些存在较高不确定性的构件性能或病害情况，如拉/吊索疲劳性能、钢箱梁的疲劳性能、支座滑板磨损状况等典型问题，需深入分析其实际受力状况及其对结构安全性的影响，可从概率角度加以研究，作为状态评估方法的补充和完善。笔者针对桥梁的部分关键构件，开展了构件概率评估方法的实践。

作为大跨悬索桥的关键构件之一，吊索的安全性对全桥结构的安全有重大影响。可靠度理论的形成始于人们对工程中各种不确定性的研究，表示在规定的时期内和规定的条件下完成预定功能的能力，属于概率分析的范畴。对大型桥梁拉吊索而言，在实际应用中可根据材料的S-N（应力幅值-循环次数）曲线和Miner线性疲劳损伤累积原理分析其可靠度指标。文章基于概率角度的可靠度理论，阐述吊索构件在车辆荷载下的可靠度评估方法，主要步骤包括：先获取拟分析拉吊索的索力时程数据；再依靠流计数法获得应力幅值的情况，并通过统计分析方法得到等效应力幅、循环次数以及应力幅值分布类型等信息；后获取拉吊索的疲劳参数，进而得到S-N曲线；最后根据疲劳损伤累积原则计算拉吊索可靠度指标。

在考虑锈蚀和交通量增长因素下，典型的吊索可靠度评估结果如图7所示。若考虑最不利的索体腐蚀发展演化状况时，其可靠度指标最快在服役14年后衰减至3.5以下，如果锈蚀并不严重或日常养护得当，可显著提升其服役性能。因此，建议在后续养护工作中根据此时间节点尽快开展针对吊索锈蚀状况的专项检查和评估，进一步分析其实际服役状态，以及是否对结构安全产生不利影响。

图7 某大型桥梁吊索的时变可靠度评估

由于与梁端直接相连，梁端约束装置时刻处于高频低幅运动状态，发挥荷载传递、适应变形及减振耗能等功能，是关乎桥梁结构体系及关键结构能否安全可靠、优质耐久服役的核心构件。大型桥梁的纵向位移通常显著高于中小桥梁，如何保障梁端约束装置的性能成为了保证大桥使用寿命和服役性能的关键性问题。

随着监测技术在大型桥梁上的广泛应用，可开展基于长期监测数据的桥梁约束装置概率评估（如图8所示）。本文以温度引起的梁端位移模式为基础，对大型桥梁的梁端约束装置进行异常概率评估，并建立识别指标对异常状况加以识别。

图8 梁端约束装置概率评估流程

在实桥的工作中，笔者以周平均识别率δ作为判别梁端位移模式异常的新指标。以某大型悬索桥60天内3个不同时间段A、B、C的监测数据进行概率评估和异常识别，结果如图9所示，其中0.8为异常的阈值。在该阶段末尾不同时间段内的识别率均出现明显上升，在时间段A中最先观察到指标超限，随后在时间段B中也识别到异常情况，而时间段C内的周平均识别率始终未超过限值。根据图8的方法，识别指标所反映的梁端约束装置异常概率为87.50%～91.01%。

图9 梁端约束装置概率评估流程

与基于构件状态的评估方法相比，基于概率的构件评估方法通常针对服役过程中的某一特定状况或病害类型，因此评估结果更为细致。然而，目前的实践过程表明，该类方法通常需要确定多个与构件本身或服役条件有关的参数，且实施流程也更加复杂。由于目前许多具体的评估方法仍然处于探索阶段，需要桥梁养护管理的相关工作者和研究人员具备一定的实践能力和分析水平，从而有效地从概率角度对大型桥梁的关键构件进行分析。