農(nóng)村公路橋梁質(zhì)量等級評定與管養(yǎng)系統(tǒng)研究

徐明遠(yuǎn)，李光波，劉 元，梁仁義，周 敉

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.長安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064； 3.山西省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)辦農(nóng)村路網(wǎng)處，山西 太原 030000)

0 引 言

對橋梁技術(shù)狀況評定、管理和養(yǎng)護(hù)的研究至今已有近40年的歷史，為了適應(yīng)橋梁養(yǎng)護(hù)管理的需要，各國制定了各具特色的橋梁技術(shù)狀況評價指標(biāo)與方法。由于各地區(qū)的具體差異，選擇的評價指標(biāo)也各有側(cè)重，但總的來說，大多包括結(jié)構(gòu)狀況、功能狀況、安全性(包括承載能力)、橋梁重要性這4個方面。

歐美各國不僅在橋梁維修、評估及加固方面投入了大量的精力，而且非常重視研發(fā)相應(yīng)的橋梁管理系統(tǒng)，以便及時對橋梁進(jìn)行維修和加固。在美國，被廣泛使用的橋梁管理系統(tǒng)主要包括Point 系統(tǒng)和Bridge 系統(tǒng)。在歐洲，典型的橋梁管理系統(tǒng)有丹麥的Danbro系統(tǒng)、法國的Edouard系統(tǒng)、英國Nats系統(tǒng)、挪威的Brutus系統(tǒng)、芬蘭的國家公路署管理系統(tǒng)等。在亞洲，較為典型的橋梁管理系統(tǒng)有日本的道路公用橋梁管理系統(tǒng)、韓國的Shbms等。中國關(guān)于橋梁管理系統(tǒng)的研究雖然起步較晚，但也開發(fā)了一些橋梁管理系統(tǒng)軟件，例如：交通部開發(fā)的“公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS) ”、西南交通大學(xué)開發(fā)的“橋梁工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)”。此外，大連大學(xué)和日本山口大學(xué)還聯(lián)合開發(fā)了鋼筋混凝土橋智能決策輔助系統(tǒng)。許多省市也建立了各自的橋梁管理系統(tǒng)，如遼寧省公路橋梁管理系統(tǒng)、吉林省公路橋梁管理系統(tǒng)、廣州市橋梁管理系統(tǒng)和濟(jì)南市橋梁管理系統(tǒng)等[1-6]。

目前，還沒有針對農(nóng)村公路橋梁而開發(fā)的橋梁管理系統(tǒng)。農(nóng)村公路橋梁不管是在數(shù)量上還是在總里程上都占據(jù)了低等級公路橋梁的絕大部分，故開發(fā)適用于農(nóng)村公路橋梁的管理系統(tǒng)非常必要。隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷投入，各地掀起了一場路橋建設(shè)和改造的高潮，但是隨著國家高等級公路網(wǎng)絡(luò)的初步成型、“村村通”工程的推進(jìn)，使得農(nóng)村公路的建設(shè)和管理養(yǎng)護(hù)更加重要。因此，開展對農(nóng)村公路橋梁的技術(shù)評定研究，建立相應(yīng)的農(nóng)村公路橋梁管理系統(tǒng)，對農(nóng)村公路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)具有重大意義[7-10]。

中國農(nóng)村公路橋梁有很多特點(diǎn)：設(shè)計(jì)荷載偏低；養(yǎng)護(hù)管理機(jī)構(gòu)不健全，且管理不善；橋面不清潔，堆放障礙物，甚至在橋面、橋頭處擺攤趕集；附屬設(shè)施不全或缺失；橋面不平整；橋梁往往處在偏遠(yuǎn)地區(qū)，技術(shù)人員極少，發(fā)生安全隱患難以及時上報(bào)等[11]。目前，中國對干線公路上的橋梁已有成熟的質(zhì)量分類評定標(biāo)準(zhǔn)，如《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)、《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)和《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范征求意見稿》(2013)。但這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)評定過程比較復(fù)雜，農(nóng)橋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和完成正常使用功能所需的條件也遠(yuǎn)比高等級公路橋梁寬泛。因此，直接使用上述質(zhì)量分類評定標(biāo)準(zhǔn)對農(nóng)村橋梁進(jìn)行評定，與農(nóng)村橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)存在偏差[12-16]。

本文依托山西省交通運(yùn)輸廳對山西3個地市的183座農(nóng)橋進(jìn)行病害統(tǒng)計(jì)和普查情況，制定適用于農(nóng)村公路橋涵的質(zhì)量等級評定標(biāo)準(zhǔn)，并開發(fā)農(nóng)村公路橋涵基本狀況普查管理系統(tǒng)。此項(xiàng)工作將提高山西農(nóng)村公路橋梁技術(shù)管理水平，有助于農(nóng)村基層公路橋梁養(yǎng)護(hù)單位檢測評定農(nóng)村橋梁技術(shù)等級，從而選用合適的養(yǎng)護(hù)措施。

1 山西省農(nóng)村公路橋梁現(xiàn)狀

1.1 山西省農(nóng)村公路橋梁分類

《山西省公路橋梁養(yǎng)護(hù)安全管理責(zé)任名冊》顯示，截至2007年8月，全省農(nóng)村公路橋梁共有5 134座。按跨度分，有特大橋0座，大橋215座，中橋1 252座，小橋3 667座；按技術(shù)等級分，有一類橋1 150座，二類橋1 861座，三類橋1 140座，四類橋667座，五類橋316座；按荷載分，有汽-超20共183座，汽-20有1 737座，汽-15有2 138座，小于汽-15有1 076座。按上部結(jié)構(gòu)形式分，有梁橋2 304座，拱橋2 826座，剛架橋4座，其他橋型0座[17-18]。

1.2 山西省農(nóng)村公路橋梁常見病害

(1)上部結(jié)構(gòu)的常見病害。梁橋混凝土出現(xiàn)碳化，表現(xiàn)為蜂窩、麻面，此外還有剝落、掉角、空洞、孔洞、鋼筋銹蝕，以及主梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫等，見圖1。拱橋主要常見病害為主拱圈滲水、砌縫砂漿脫落、拱腳位移、拱上結(jié)構(gòu)破壞等，見圖2。

圖1 朔州東門大橋主拱圈滲水及裂縫

圖2 跨鐵路橋梁底混凝土剝落及鋼筋銹蝕

(2)下部結(jié)構(gòu)的常見病害。圬工砌體墩(臺)身出現(xiàn)灰縫脫落或破損、剝落等現(xiàn)象，見圖3。鋼筋混凝土墩身出現(xiàn)混凝土碳化、腐蝕，剝落、露筋，空洞、孔洞，表面磨損，粗骨料外露，鋼筋銹蝕，橋墩出現(xiàn)滑動、下沉、傾斜，墩身出現(xiàn)裂縫等病害，見圖4。

(3)橋面系結(jié)構(gòu)的病害。主要包括橋面鋪裝破壞、欄桿和護(hù)欄損壞、排水系統(tǒng)失效等，見圖5。

圖3 朔州老墻框橋圬工砌體橋臺沖蝕嚴(yán)重

圖4 東門大橋鋼筋混凝土橋墩混凝土腐蝕、剝落

圖5 朔州山岔南橋橋面鋪裝破損嚴(yán)重

2 山西省農(nóng)村公路橋梁技術(shù)狀況評價體系

2.1 農(nóng)村公路橋梁構(gòu)件評定

現(xiàn)行的公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)和《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)中，對評價農(nóng)村公路橋梁存在一定的缺限[19-20]。本文提出了一種適合山西省農(nóng)村公路橋梁狀況的評定方法。通過對農(nóng)村公路橋梁結(jié)構(gòu)狀況和病害特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研和歸納，整理出農(nóng)村公路橋梁構(gòu)件評定指標(biāo)。橋梁構(gòu)件主要包括上部承重構(gòu)件、上部一般構(gòu)件、支座、橋墩、橋臺、墩臺基礎(chǔ)、翼墻、耳墻、錐坡、護(hù)坡、河床、調(diào)制構(gòu)造物、橋面鋪裝、伸縮縫裝置、人行道、欄桿、護(hù)欄、防排水系統(tǒng)。

運(yùn)用擬定的橋梁構(gòu)件評定指標(biāo)和病害等級評定標(biāo)準(zhǔn)，對病害的標(biāo)度進(jìn)行評定；再根據(jù)橋梁構(gòu)件病害的標(biāo)度和病害組合情況查詢相關(guān)構(gòu)件技術(shù)狀況分類表，對其技術(shù)狀況作出評定；然后根據(jù)各部件的權(quán)重、技術(shù)狀況和農(nóng)村公路橋梁技術(shù)評定計(jì)算方法，對橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系進(jìn)行評定計(jì)算，得到評定分值；最終得出橋梁的總體技術(shù)狀況。以梁橋上部一般構(gòu)件評定指標(biāo)為例，其構(gòu)件評定指標(biāo)見表1～4。

表1 上部一般構(gòu)件評定指標(biāo)

表2 蜂窩、麻面評定標(biāo)準(zhǔn)

表3 剝落、掉角評定標(biāo)準(zhǔn)

表4 空洞、孔洞評定標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)村公路橋梁各構(gòu)件技術(shù)狀況分成5種情況，可參照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)里的病害扣分方法算出所有構(gòu)件在不同病害組合情況下的得分，進(jìn)而判斷出此構(gòu)件類別。但是，標(biāo)度應(yīng)符合農(nóng)村橋梁的實(shí)際情況，相比高等級公路橋梁應(yīng)適當(dāng)降低。

本文僅對鋼筋混凝土梁橋一般構(gòu)件的技術(shù)狀況進(jìn)行分類。由表1知，上部承重構(gòu)件通過1個標(biāo)度為3的病害和2個標(biāo)度為4的病害進(jìn)行評價。不同病害組合情況所屬的類別列于表5，其中3{2}表示一種病害標(biāo)度為3的2級病害，其他符號的含義依次類推。

表5 上部一般構(gòu)件技術(shù)狀況分類

2.2 山西省農(nóng)村公路橋梁技術(shù)狀況評定

農(nóng)村公路橋梁總體技術(shù)狀況等級評定采用分層綜合評定與5類橋梁單項(xiàng)控制指標(biāo)相結(jié)合的方法，重要部件以其中缺損最嚴(yán)重的構(gòu)件評分，其他部件根據(jù)多數(shù)構(gòu)件缺損狀況評分。對橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系分別進(jìn)行評定，最后進(jìn)行橋梁總體技術(shù)狀況評定。

上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系技術(shù)狀況計(jì)算公式為

/5

(1)

式中：S為技術(shù)狀況評分，值域?yàn)?～100分；n為上部結(jié)構(gòu)(下部結(jié)構(gòu)或橋面系)的部件總類數(shù)；Wi為第i類部件的權(quán)重，對于橋梁中未設(shè)置的部件，應(yīng)根據(jù)此部件的隸屬關(guān)系將其權(quán)重分配給各既有部件，分配原則按照各既有部件權(quán)重在全部既有部件權(quán)重中所占比例進(jìn)行分配；Ri為各部件的標(biāo)度，取值為1～5，當(dāng)標(biāo)度為1時Ri取值為0，其他按實(shí)際情況取值。

橋梁總體的技術(shù)狀況評分計(jì)算

Dr=SdWd+SpWp+SbWb

(2)

式中：Dr為橋梁總體技術(shù)狀況評分，值域?yàn)?～100；Sd為橋面系技術(shù)狀況評分；Sp為橋梁上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分；Sb為橋梁下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分；Wd為橋面系在全橋中的權(quán)重；Wp為上部結(jié)構(gòu)在全橋中的權(quán)重；Wb為下部結(jié)構(gòu)在全橋中的權(quán)重。

橋梁技術(shù)狀況評定等級分為一類、二類、三類、四類、五類，詳見表6。

表6 橋梁技術(shù)狀況分類界限

在橋梁技術(shù)狀況評定中，有下列情況之一時，整座橋梁應(yīng)評為五類橋：上部結(jié)構(gòu)有落梁；有梁、板斷裂現(xiàn)象；梁式橋上部承重構(gòu)件控制截面出現(xiàn)全截面開裂；梁式橋上部承重構(gòu)件有嚴(yán)重的位移，存在失穩(wěn)現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)出現(xiàn)永久變形，變形大于規(guī)范值；關(guān)鍵部位混凝土出現(xiàn)壓碎或桿件失穩(wěn)傾向，橋面板出現(xiàn)嚴(yán)重塌陷；拱式橋拱腳嚴(yán)重錯臺、位移，造成拱頂撓度大于限值，或拱頂嚴(yán)重變形；圬工拱橋拱圈大范圍砌體斷裂，脫落現(xiàn)象嚴(yán)重；腹拱、側(cè)墻、立墻或立柱產(chǎn)生破壞，造成橋面板嚴(yán)重塌落；擴(kuò)大基礎(chǔ)沖刷深度大于設(shè)計(jì)值，沖擊面積超過20%；橋墩(橋臺或基礎(chǔ))不穩(wěn)定，出現(xiàn)嚴(yán)重滑動、下沉、位移、傾斜等現(xiàn)象。

3 農(nóng)村公路橋梁普查管理系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

山西農(nóng)村公路橋梁普查管理系統(tǒng)主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和橋梁技術(shù)狀況評價2個部分組成。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫能夠?yàn)樯轿魇∞r(nóng)村橋梁管理部門進(jìn)行橋梁信息管理提供數(shù)據(jù)，橋梁技術(shù)狀況評價部分則可以對農(nóng)村公路橋梁做出快速的評價。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括基本數(shù)據(jù)、技術(shù)狀況、查詢3個模塊。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以山西省農(nóng)村公路橋梁為研究對象，對橋梁的基本信息和病害情況進(jìn)行存儲、管理，并結(jié)合橋梁的病害情況，采用山西省農(nóng)村公路橋梁評價方法進(jìn)行評價。山西省農(nóng)村公路橋梁普查管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 山西省農(nóng)村公路橋梁普查管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)開發(fā)

基于Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)平臺,借助編程C語言和SQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)了山西省農(nóng)村公路橋梁管理系統(tǒng)CBMS1.0。系統(tǒng)將梁橋和拱橋包含的各個部件均呈現(xiàn)在界面內(nèi)，每個部件都可以通過上傳相應(yīng)的圖片和文字進(jìn)行定性和定量描述其技術(shù)狀況。系統(tǒng)的橋梁技術(shù)等級評定功能主要針對農(nóng)村公路鋼筋混凝土梁(板)橋、雙曲拱橋、圬工拱橋3種橋型。

3.4 實(shí)例分析

根據(jù)實(shí)地橋梁檢測結(jié)果，用本文提出的橋梁評價體系對山西省農(nóng)村公路橋梁進(jìn)行評價，同時用《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)和《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)進(jìn)行評定。以鋼筋混凝土梁(板)橋南宅橋?yàn)槔謩e給出了3種方法的評定結(jié)果，見表7。

由表7可知，三種評價方法評定結(jié)果基本一致，本文的評定分值略高于規(guī)范方法，反映出農(nóng)村橋梁的自身特點(diǎn)，評定結(jié)果合理。

4 結(jié) 語

本文以山西省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目《山西省農(nóng)村公路橋梁評價體系研究與應(yīng)用》為依托，對農(nóng)村公路橋梁的養(yǎng)護(hù)技術(shù)展開了系統(tǒng)的研究。主要研究結(jié)論如下。

(1)通過對山西省農(nóng)村公路橋梁的實(shí)地調(diào)研，總結(jié)了農(nóng)村公路橋梁的特點(diǎn)和常見病害形式，為后續(xù)研究農(nóng)村公路橋梁技術(shù)狀況評價體系打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表7 南宅橋橋梁技術(shù)狀況

(2)對農(nóng)村公路橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系結(jié)構(gòu)所包括的構(gòu)件評價指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》和《公路橋梁技術(shù)狀況評定規(guī)程》，提出了一種更適合于農(nóng)村公路橋梁自身特點(diǎn)的評價方法。通過實(shí)例證明，本文的方法是可行的。

(3)建立了農(nóng)村公路橋梁普查管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是存儲和調(diào)取農(nóng)村公路橋梁病害情況，并且以文字和圖片形式表現(xiàn)出來，可形象地展示橋梁病害情況，為農(nóng)村公路橋梁管理部門提供有價值的信息；同時橋梁評定模塊可以快速對橋梁進(jìn)行評分，為各級農(nóng)村橋梁養(yǎng)護(hù)管理部門提供決策及養(yǎng)護(hù)策略方面的參考。

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