某高速公路橋梁中長期養(yǎng)護(hù)規(guī)劃研究

韓淑娟

（山西省公路局長治分局，山西 長治 046000）

1 引言

隨著運(yùn)營時(shí)間增長和交通量的與日俱增，加上橋梁規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，如何進(jìn)行高水平的運(yùn)營管理，維持其服務(wù)水平，延長其使用壽命，并且在橋隧全壽命周期內(nèi)使橋隧的維修費(fèi)用、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用達(dá)到最經(jīng)濟(jì)水平，成管理養(yǎng)護(hù)部門最為關(guān)注的問題，對(duì)橋隧結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)規(guī)劃任務(wù)提上日程[1-3]。本文依托某高速公路橋梁，根據(jù)其養(yǎng)護(hù)歷史資料、歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合氣候資料調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況進(jìn)行分析，選擇合適的理論模型，對(duì)橋梁、隧道使用性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，分析橋隧結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)需求，確定養(yǎng)護(hù)措施，最終形成養(yǎng)護(hù)規(guī)劃方案。

2 橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模型

2.1 橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)

本文所選高速公路段共包含公路橋梁120 座，其中特大橋3 座，占比2.5%；大橋41 座，占比34.2%；中小橋76 座，占比63.3%。1 類橋11 座，占比9.2%；2 類橋109 座，占比90.8%，無3 類及以下橋梁。

3 座特大橋主要病害為T 梁、橫隔板裂縫，T 梁破損較多，裂縫較2017 年檢查裂縫增加440.52 m，病害有所發(fā)展；墩柱表面共有4 處鋼筋銹脹、1 處擦傷、2 處裂縫、3 處混凝土破損。箱梁縱向裂縫，主要發(fā)生在箱內(nèi)節(jié)段頂板位置，裂縫寬度在0.04～0.18 mm，無超限裂縫。T 梁破損，橫隔板裂縫較多，部分盆式支座轉(zhuǎn)角超限、四氟板滑出，最大轉(zhuǎn)角為0.24 rad。

大橋整體技術(shù)狀況良好，主要病害為梁板橫向、豎向裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土破損病害較多，其中K2329+550 分離立交橋L4-11#、L5-11#、L5-12#板梁存在不允許出現(xiàn)的裂縫，病害嚴(yán)重。

中小橋整體技術(shù)狀況良好，大部分橋梁錨固區(qū)混凝土存在開裂現(xiàn)象，部分橋梁支座存在老化開裂、脫空現(xiàn)象，中小橋伸縮縫及泄水孔堵塞也是常見問題。

2.2 橋梁技術(shù)狀況衰變預(yù)測(cè)模型

根據(jù)該橋檢測(cè)及技術(shù)狀況資料，確定一條無主要病害的橋梁技術(shù)狀況衰變基本樣本曲線。以JTG H11—2004《公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范》、JTG/T J21—2011 《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中相關(guān)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，考慮橋梁所處地理環(huán)境特點(diǎn)、通行荷載情況、結(jié)構(gòu)重要部件損傷狀況對(duì)橋梁技術(shù)狀況的影響程度，采用通行荷載修正系數(shù)和主要病害綜合修正系數(shù)修正橋梁技術(shù)狀況基本衰變預(yù)測(cè)模型，作為存在主要病害橋梁技術(shù)狀況的衰變預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)國內(nèi)多條高速公路橋梁多次定期檢查資料的綜合分析結(jié)果顯示[4-6]：橋梁全壽命技術(shù)狀況預(yù)測(cè)模型符合指數(shù)分布規(guī)律，模型表達(dá)形式見式（1）：

式中，Dr（t）為橋梁服務(wù)年限為t 年時(shí)的預(yù)測(cè)技術(shù)狀況評(píng)定得分；Dr（t0）為橋梁衰變模型起點(diǎn)t0時(shí)的技術(shù)狀況評(píng)定得分；Dr（tS）為橋梁服務(wù)年限為tS時(shí)的預(yù)期技術(shù)狀況評(píng)定得分；t 為橋梁預(yù)測(cè)時(shí)間，a；t0為橋梁衰變模型起點(diǎn)時(shí)間，a；tS為橋梁達(dá)到一定技術(shù)狀況水平的預(yù)期服務(wù)時(shí)間，a；ξ 為橋梁主要病害綜合影響系數(shù)（無量綱）；ξq為通行荷載影響系數(shù)（無量綱）。

以該路線上無主要病害的橋梁作為樣本，利用式（1）確定一條橋梁技術(shù)狀況衰變基本樣本曲線，初始條件為：Dr（t0）＝100（初始狀態(tài)）；Dr（tS）＝40（4 類橋）；t0＝0 a；t＝15 a；Dr（t）＝96.7（本次檢測(cè)無主要病害橋梁評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值）；ξ＝1.0；ξq＝1.15。將初始參數(shù)代入橋梁技術(shù)狀況衰變模型，計(jì)算出橋梁技術(shù)狀況衰減至4 類橋時(shí)所需要的年限tS＝51.7 a，進(jìn)而可以得到無主要病害橋梁技術(shù)狀況基本衰變曲線，如圖1 所示。

構(gòu)建存在主要病害橋梁（2 類橋）的技術(shù)狀況衰變曲線。初始條件：Dr（t0）＝100-（96.7-87.2）=90.5（名義初始狀態(tài)）；Dr（tS）＝40（4 類橋）；t0＝0 a；t＝12 a；Dr（t）＝87.2（2017 年評(píng)價(jià)結(jié)果）；ξ＝0.86；ξq＝1.15。將初始參數(shù)代入橋梁技術(shù)狀況衰變模型，得到存在主要病害橋梁的技術(shù)狀況衰變模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)橋梁未來技術(shù)狀況等級(jí)。

名義初始狀態(tài)Dr（t0）的確定方法：對(duì)于存在主要病害的橋梁，其主要病害發(fā)生在（t0，t）的區(qū)間內(nèi)，但具體時(shí)間點(diǎn)無法確定。橋梁一旦發(fā)生主要病害，其技術(shù)狀況必然產(chǎn)生突變。在產(chǎn)生主要病害的時(shí)間點(diǎn)處，橋梁技術(shù)狀況衰變曲線出現(xiàn)臺(tái)階式的突變點(diǎn)。為說明問題，采用名義初始狀態(tài)Dr（t0）作為存在主要病害橋梁t0時(shí)刻的技術(shù)狀況水平，在保證橋梁技術(shù)狀況衰變曲線通過本次檢測(cè)評(píng)估點(diǎn)的前提下，計(jì)算出橋梁技術(shù)狀況衰減至4 類橋時(shí)所需要的時(shí)間tS。然后，再用橋梁主要病害綜合影響系數(shù)和通行荷載影響系數(shù)對(duì)由tS確定的橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，進(jìn)而得到本座橋梁的技術(shù)狀況預(yù)測(cè)模型，如圖2 所示。

圖2 橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)模型

3 橋梁中長期養(yǎng)護(hù)規(guī)劃

3.1 橋梁中期技術(shù)狀況預(yù)測(cè)

采用橋梁技術(shù)狀況衰變模型預(yù)測(cè)未來中期（5 年）橋梁技術(shù)狀況等級(jí)，根據(jù)未來中期（5 年）橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)等級(jí)決策橋梁維修的優(yōu)先級(jí)別。表1 給出部分橋梁中期（2020—2024年）技術(shù)狀況預(yù)測(cè)結(jié)果。

表1 某高速公路橋梁（2020－2024 年）技術(shù)狀況預(yù)測(cè)結(jié)果（部分）

3.2 橋梁長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)性能預(yù)測(cè)

根據(jù)橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)等級(jí)，選取等級(jí)分較高和較低的兩座橋梁，通過對(duì)兩種不同技術(shù)狀況橋梁中長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案的預(yù)測(cè)分析，闡述杭新景高速公路橋梁總體中長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案制訂的原則。

3.2.1 橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)等級(jí)分較高的橋梁長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案

以K56+188 雞毛塢（右）橋?yàn)槔?，?gòu)建存在主要病害橋梁的技術(shù)狀況衰變曲線。

名義初始狀態(tài)：Dr（t0）＝100-（96.7-94.7）=98.0；Dr（tS）＝40（4 類橋）；t0＝0 a；t＝14 a；Dr（t）＝94.7（2018 年檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果）；ξ＝0.86；ξq＝0.90。

由圖3 可見，對(duì)于初始狀態(tài)較好的橋梁，如果在其收費(fèi)期內(nèi)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施得到保證，橋梁在其收費(fèi)期內(nèi)需要經(jīng)過一次中修和兩次小修，可保證運(yùn)營過程中橋梁技術(shù)狀況等級(jí)在70 分以上。

圖3 技術(shù)狀況等級(jí)分較高的橋梁長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案

3.2.2 橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)等級(jí)分較低的橋梁長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案

以K61+440 八仙垸橋?yàn)槔瑯?gòu)建存在主要病害橋梁的技術(shù)狀況衰變曲線。

名義初始狀態(tài)：Dr（t0）＝100－（96.7－80.5）=83.8；Dr（tS）＝40（4 類橋）；t0＝0 a；t＝14 a；Dr（t）＝80.5（本次檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果）；ξ＝0.77；ξq＝0.90。

由圖4 可見，對(duì)于初始狀態(tài)一般的橋梁，如果在其收費(fèi)期內(nèi)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施得到保證，橋梁在其收費(fèi)期內(nèi)需要經(jīng)過3次小修和1 次中修，即可保證收費(fèi)期結(jié)束時(shí)橋梁技術(shù)狀況等級(jí)在70 分以上。

圖4 技術(shù)等級(jí)較差的橋梁長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案

從上述兩座當(dāng)前技術(shù)狀況等級(jí)處于不同技術(shù)水平橋梁的中長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案可以看出，由于本文高速公路橋梁總體技術(shù)狀況較好（沒有3、4 類橋梁），橋梁長期養(yǎng)護(hù)策略需要3次小修和1 次中修。同時(shí)，為保證收費(fèi)期結(jié)束時(shí)橋梁技術(shù)狀況處于良好狀態(tài)，統(tǒng)一采取在收費(fèi)期結(jié)束前1～2 a 安排一次橋梁小修工程，以滿足收費(fèi)期結(jié)束工程驗(yàn)收的需要。

由于影響橋梁技術(shù)狀況的因素復(fù)雜多變，其技術(shù)狀況衰變過程存在更多的不確定性。對(duì)于本文高速公路橋梁中長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案的制訂，應(yīng)首先立足于中期（5 a）養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案的針對(duì)性與合理性，在保證第一個(gè)中期（5 a）橋梁技術(shù)狀況良好的前提下，根據(jù)下一次定期檢查結(jié)果預(yù)測(cè)下一個(gè)中期（5 a）養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案，保證以此方法確定的本文高速公路橋梁長期養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案更為科學(xué)，可靠度更高。

根據(jù)橋梁技術(shù)狀況衰變模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，表2 給出的本文高速公路幾座橋梁在其服務(wù)期內(nèi)的長期橋梁養(yǎng)護(hù)策略。除實(shí)施小、中修維護(hù)策略之外的其他時(shí)段，應(yīng)根據(jù)橋梁日常檢查和定期檢查結(jié)果，對(duì)橋梁進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，以保證橋梁正常使用狀態(tài)，延長橋梁使用壽命。

表2 部分橋梁長期養(yǎng)護(hù)策略預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

通過對(duì)某高速公路路段進(jìn)行調(diào)查、檢測(cè)等基礎(chǔ)工作，建立了橋梁技術(shù)性能衰變預(yù)測(cè)模型，根據(jù)技術(shù)狀況衰變預(yù)測(cè)模型、通行需求、行業(yè)規(guī)范及行業(yè)管理要求等制定了規(guī)劃目標(biāo)及養(yǎng)護(hù)措施作業(yè)指導(dǎo)原則，并根據(jù)全壽命養(yǎng)護(hù)的理論和實(shí)際情況最終擬訂了所選路段橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)劃方案，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)營期內(nèi)橋梁狀況保持良好性能打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。