基于實用效應的橋梁加固或拆除重建方案比選

謝福君，張家生

基于實用效應的橋梁加固或拆除重建方案比選

謝福君1,2，張家生1

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 衡陽市交通運輸局，湖南 衡陽 421001)

已有的研究成果針對危舊橋方案比選階段是否加固或拆除重建沒有一個實用、統(tǒng)一的標準。為了更好地對危橋改造方案進行比選，基于實用效應對危橋改造的維修加固和拆除重建2種方案進行系統(tǒng)比較，得出基于實用效應的綜合評估方法。具體做法是將一座橋梁按使用年限、線路交通量增長率、線路載重量增長率、橋梁所在地交通基礎設施投資占財政收入的比例、維養(yǎng)護精良度、對當?shù)爻鲂械挠绊懚攘炕嫹诌M行綜合評估?；诖朔椒?，對衡陽市范圍內(nèi)的危橋進行分析，最終確定危橋的加固或拆除重建的方案。該方法可對危橋改造決策提供實際性指導。

實用效應；加固；拆除重建；比選

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，公路交通在國民經(jīng)濟中的作用和地位日益提升，人們對它的重視程度也越來越高。近年來，全國更是掀起了公路建設的大熱潮，建設規(guī)模持續(xù)上揚，公路里程持續(xù)增長。到2017年底，全國公路總里程達477.35萬km，比上年增加7.82萬km。公路密度49.72 km/100 km2，增加0.81 km/100 km2。公路養(yǎng)護里程467.46 萬km，占公路總里程97.9%。全國公路橋梁達83.25萬座、5 225.62萬m，比上年增加2.72萬座、308.66萬m，其中特大橋梁4 646座、826.72萬m，大橋91 777座、2 424.37萬m。(世界排名前十的大跨徑懸索橋中國占5座；世界排名前十的大跨徑斜拉橋中國占7座，其中前3位均在中國；世界排名前十的拱橋中國占6座)，我國已成為僅次于美國的第二橋梁大國[1?3]。公路橋梁是確保公路暢通的咽喉，其承載能力和通行能力是溝通全線的關鍵，直接影響著公路交通的經(jīng)濟效益和社會效益。“十五”、“十一五”期間，我國公路橋梁建設所取得的成績是有目共睹的，就數(shù)量和規(guī)模而言，已成為全世界的橋梁大國。但在大規(guī)模建設的背后，橋梁養(yǎng)護管理中的問題逐漸暴露出來。由表1和圖1可以看出，2001~2005年，我國公路橋梁危橋數(shù)量控制在橋梁總量的5%以內(nèi)；2006年無論是建設規(guī)模還是危橋數(shù)量都是一個飛躍，危橋數(shù)量占總量比達到11.82%，2007年則達到歷史最高峰17.30%。隨著交通運輸部計劃從2008年起，力爭用3年的時間完成大部分的舊危橋改造任務的決策實施，危橋比例逐年下降1個百分點左右，預計到2020年危橋數(shù)量占總量比值將回落到2001年時的水平。截止2009年，湖南省納入危橋項目庫的危橋高速公路有1座；普通公路有4 332座/134 610 m，其中4類危橋1 878座/57 950 m，5類危橋1 417座/37 350 m。衡陽市共有公路橋梁2 838座/84 762 m，其中國省干線192座/11 835 m，縣道200座/4 932 m；農(nóng)村公路橋梁2 446座/67 995 m，全市列入省危橋改造庫320座/9 015 m，其中3類橋108座/2 547 m，4，5類橋212座/6 468 m。伴隨著危橋總數(shù)的增加，我國橋梁倒塌事故更是頻繁發(fā)生。據(jù)媒體統(tǒng)計，自2007~2015年，全國有多座橋梁橋梁倒塌，其中13座在建橋梁發(fā)生事故，平均每年有7.4座“奪命橋”。事故如此頻繁的發(fā)生，足以引起我們的重視，一方面它將影響我國公路的正常使用，另一方面更是對人身安全的嚴重威脅。可以說如何處理這些危橋，利用有限的資金產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益是目前急需解決的一項任務。近些年來，國內(nèi)外眾多學者對病、舊橋是加固還是拆除重建進行了多方面的研究，取得了一些成果[4?13]，各種加固新技術、新工藝、新材料也不斷得到應用，但對舊危橋改造中是拆除重建還是加固維修沒有實用性的比較分析。因此本文基于實用性對危舊橋拆除重建或加固維修進行綜合評估，對當前大規(guī)模的危橋改造具有一定的指導作用。

表1 2001年~2015年中國公路橋梁基本情況

圖1 2001~2015年中國公路橋梁基本情況

1 危橋加固重建方案比選概述

現(xiàn)役橋梁出現(xiàn)病害后是加固維修還是拆除重建，一直以來有許多學者進行過研究。主要有以下幾種類型。

1.1 系數(shù)比較法

表2 加固技術經(jīng)濟確定原則表

這種評判方法操作性不強，由于我國管理養(yǎng)護數(shù)據(jù)資料不足，尤其是橋梁構件、部件技術經(jīng)濟資料嚴重欠缺，導致一些理論上嚴謹且可行的經(jīng)濟分析方法，在實際應用中十分困難或無法實現(xiàn)。本法中加固壽命系數(shù)和加固費用系數(shù)都無法準確進行計算。

1.2 結構可靠度法

結構可靠度是指工程結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率?！耙?guī)定時間”是指結構進行可靠度分析時，結合結構使用期，考慮各種基本變量與時間的關系所取用的基準時間；“規(guī)定的條件”是指結構在正常設計、施工和使用的條件下，即不考慮人為過失的影響；“預定功能”是指正常施工和使用時，結構能承受可能出現(xiàn)的各種作用，同時具有良好的工作性能，有足夠的耐久性能，以及在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，結構能夠保持必需的整體穩(wěn)定性。

可靠度概念中的“規(guī)定時間”是指結構設計基準期，一般大多數(shù)國家是50 a，且有一個關系就是：“規(guī)定的時間越長，結構可靠度就越低”。目前，根據(jù)我國《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTJ D60—2015)中規(guī)定，公路橋梁結構的設計基準期為100 a。

基于可靠度的公路橋梁加固或拆除重建分析方法，主要考慮到設計參數(shù)中設計向量、目標函數(shù)和約束函數(shù)的隨機性、模糊性和未確知性等，以及材料和施工質(zhì)量的不確定性，橋梁運營過程中混凝土等材料強度的退化、鋼筋的銹蝕(氯離子的滲入)等，利用橋梁結構的目標可靠度或失效概率，來描述更為科學和定量的安全可靠程度，實現(xiàn)安全、適用、耐久的設計要求；另外其還考慮到不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結構運行和維修費用等在內(nèi)的經(jīng)濟指標，考慮如何以最低的造價實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)經(jīng)濟、合理和美觀的設計要求。以結構可靠度為控制參數(shù)，雖然能夠處理橋梁結構中的隨機不確定性，又能使安全與經(jīng)濟之間、近期投資與長遠效益之間的矛盾得到最佳的協(xié)調(diào)，從而使公路橋梁設計方案在安全、適用、經(jīng)濟的條件下達到最佳優(yōu)化。但是這種方法只能作定性分析，定量計算難度大，很多參數(shù)都是經(jīng)驗值，對于大規(guī)模舊危橋改造來說過于復雜，也不切合實際。

1.3 基于“ALARP準則”的CPI/CPD方法

結構風險評估中的ALARP準則，即英國國家健康和安全委員會1999年提出的ALARP風險決策準則。

對于橋梁技術狀況為1類的橋梁結構，其相應的養(yǎng)護對策是日常保養(yǎng)，即為本系統(tǒng)所定義的可忽略區(qū)域；橋梁的技術狀況為4類以下的，其對應的養(yǎng)護對策為改建或重建，即本系統(tǒng)所定義的不可接受區(qū)域；當橋梁結構處于2~4類時，即為本系統(tǒng)所定義的ALARP區(qū)域，該區(qū)域橋梁維修加固或拆除重建采用有無對比方法：即考慮維修后結構性能狀態(tài)的改善與不考慮維修結構性能退化的費用比值來確定，見式(1)。

式中：為橋梁結構維修加固性能改善所需的費用；為橋梁結構未經(jīng)維修加固性能退化所需的費用。R為橋梁結構維修加固所需費用；m為橋梁結構改建或重建所需費用；按初始建設費4倍考慮；為橋梁結構不加固維修處理至技術狀況不可接受區(qū)域的時間間隔值；為橋梁結構采取加固維修至技術狀況不可接受所采取的延長值。

根據(jù)式(1)計算結果，當≤0.5時，橋梁拆除重建；當＞0.5時，橋梁加固維修。

基于“ALARP準則”的CPI/CPD方法計算抽象且很多參數(shù)是假定值，計算結果來判定橋梁拆除重建或加固維修比較勉強也不科學。

2 基于實用效應的綜合評估方法

基于實用效應的綜合評估方法是針對大規(guī)模舊危橋改造的現(xiàn)實，避免加固或拆除重建的比選而貽誤時機采取的最直接的判別手段。事實證明，過度的理論分析在舊危橋改造上只是浪費時間，真正起作用的方法是橋梁服役時的實際效應，包括橋梁技術狀況、使用狀況、養(yǎng)護精良度及所在地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展情況等。

2.1 《公路橋梁技術狀況評定標準》對橋梁技術狀況評定的基本情況

《公路橋梁技術狀況評定標準》是按不同橋型進行橋梁評定分類，并細化不同橋型的部件分類；根據(jù)不同橋梁的部件類型制定評定細則，將評定指標進行細分并提出了量化標準，提出了5類橋梁技術狀況單項控制指標(見表3)，改進了橋梁技術狀況的評定模型。同時各結構類型橋梁的主要部件和次要部件進行了明確劃分；橋梁主要部件和次要部件技術狀況評定標度進行了細致的描述，此種評定方法更為科學。

表3 橋梁總體技術狀況評定等級表

《公路橋梁養(yǎng)護管理工作制度》第25條規(guī)定：橋梁養(yǎng)護工程分為小修保養(yǎng)、中修、大修和改建。對技術狀況為1和2類橋梁應加強小修保養(yǎng)，防止出現(xiàn)明顯病害。對技術狀況為3類橋梁應及時進行中修，防止病害加快擴展，影響橋梁運營安全。對技術狀況為4和5類橋梁應及時采取管理措施，保證安全，并根據(jù)橋梁特殊橋梁檢查結果和技術認證分析，安排大修或改建。在衡陽市范圍內(nèi)，除特殊情況外，3類橋梁采用加固維修，4類橋梁根據(jù)實用性在加固維修或拆除重建上進行比較，5類橋梁采用拆除重建。

2.2 4類橋梁的實用性改造方式分析

根據(jù)衡陽市的實際情況，4類橋梁中的中、小橋梁全部拆除重建。特大橋采用加固維修，大橋在加固維修和拆除重建方案中采用綜合評估法進行比選。

綜合評估法是將一座橋梁按使用年限、線路交通量增長率、線路載重量增長率、橋梁所在地交通基礎設施投資占財政收入的比例、維養(yǎng)護精良度、對當?shù)爻鲂械挠绊懚攘炕嫹诌M行綜合評估的方法。具體見表4。

根據(jù)綜合評估方法確定的衡陽市4類危橋改造結果見表5。

由表5結果，結合表4評估準則，可得：衡陽市80座4類橋梁之中，25座維修加固，55座拆除重建。

表4 綜合評估法評估準則

表5 衡陽市80座4類危橋改造評分表

3 結論

1) 除4類橋梁外，根據(jù)《公路橋梁養(yǎng)護管理制度》(交公路發(fā)[2007]336號)結合《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)可以基本判定橋梁加固或拆除重建方案。

2) 以相關規(guī)范評定的橋梁基本情況為依據(jù)，對4類橋梁的加固與重建采用實用性改造分析，可以在資金有效的前提下，最大效率、合理的對橋梁的加固改造提供指導。

3) 當前最重要的是積累橋梁養(yǎng)護基礎資料，重視養(yǎng)護基層管理，每一座橋梁的構件、部件都要有養(yǎng)護記錄，準確地評定橋梁的技術狀況也是當前橋梁養(yǎng)護管理決策的當務之急。

[1] 浦恩輝.國道G214線隔界河至德欽縣城段公路方案比選[J]. 林業(yè)建設, 2016(3): 70?74. PU Enhui.2016(3): 70?74.

[2] 雷明. 懷郁高速公路山區(qū)段路線方案比選[J]. 廣東公路交通, 2016(3): 59?69. LEI Ming. The comparison and selection of the route scheme of the mountain section of Huai Yu Expressway[J]. Guangdong Highway Communications, 2016(3): 59?69.

[3] 溫濤.某大橋橋型方案比選[J]. 智能城市, 2016(5): 46. WEN Tao. The scheme comparison for a bridge bridge[J]. Smart City, 2016(5): 46.

[4] 殷開榮.渾南新區(qū)立交方案比選[J].北方交通, 2014(1): 23?25. YIN Kairong. Comparision of Hunnan new area interchange scheme[J]. Northern Communications, 2014(1): 23?25.

[5] 田廣予.榆和高速公路左權樞紐方案比選[J].山西交通科技, 2012(1): 44?46. TIAN Guangyu. Zuoquan hub project selection of Yuhe expressway[J]. Shanxi Science & Technology of Communications, 2012(1): 44?46.

[6] GONG Mei. The plan to choose for Ganjing interchange in Guiyang Qingzhen expressway[J]. China Science and Technology Information, 2008(5): 69?72.

[7] 徐飆.二元論方法在橋梁方案比選中的應用[J]. 黑龍江交通科技, 2007(1): 68?70. XU Biao. Applied dualism method in bridge scheme’s selection[J]. Communications Science and Technology Heilongjiang, 2007(1): 68?70.

[8] 陳枝洪. 南江大橋方案比選[J]. 黑龍江交通科技, 2007(8): 21?24. CHEN Zhihong. Nanjiang bridge scheme selection[J]. Communications Science and Technology Heilongjiang, 2007(8): 21?24.

[9] JANG J, Choi S, HONG J. A method for resilient graph-based comparison of executable objects[J]. Acm Research in Applied Computation Symposium, 2012: 288?289.

[10] 成琛, 沈成武, 許亮. 用鉸接板(梁)法計算有損傷橋梁的橫向分布系數(shù)[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2004(2): 47?51. CHENG Chen, SHEN Chengwu, XU Liang. The hinged-jointed plate method for calculating transverse load distribution on a damaged bridge[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2004(2): 47?51.

[11] Jang J, Jung J, KimB, et al. Resilient structural comparison scheme for executable objects[J]. Communication & Computing, 2014, 12(2): 1?5

[12] 黃方勤, 汪羅英. 鋼筋混凝土T梁橋病害處理措施與加固設計[J]. 城市道橋與防洪, 2012(5): 37?40. HUANG Fangqin, WANG Luoyin. Disease treatment measures and strengthening design of reinforced concrete T beam bridge[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control, 2012(5): 37?40.

[13] 何旭燕. 增大截面法加固鋼筋混凝土T梁效果分析[J]. 鐵道建筑, 2009(3): 17?21. HE Xuyan. Analysis of strengthening effect of common reinforced concrete T-shaped girder with method of cross-section enlargement[J]. Railway Engineering, 2009(3): 17?21.

Scheme comparison of bridges reinforcement or reconstruction based on practical effects

XIE Fujun1,2, ZHANG Jiasheng1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Transport Bureau of Hengyang City, Hengyang 421001, China)

Based on existing research results, there was no practical unified standard for scheme comparison and selection of dangerous bridges about whether dangerous bridges was strengthened or rebuild. In order to select a better scheme for bridges, compared dangerous bridge reinforcement with its reconstruction systematically based on the practical effect, a practical comprehensive evaluation method have been put forward. This method is a comprehensive evaluation method that depends on service life, route traffic growth rate, the line load growth rate and the local transport infrastructure investment accounted for the proportion of fiscal revenue, and so on. Based on the method, the scheme comparison analysis of dangerous bridges in Hengyang city was carried out. Finally, the program of dangerous bridge to be reinforced or reconstructed is obtained. This method can provide practical guidance for decisions of dangerous bridges scheme comparison.

practical effect; reinforcement; demolish rebuild; comparison

U442.1

A

1672 ? 7029(2019)07? 1714 ? 05

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.015

2018?07?28

國家自然科學基金資助項目(51378514)

張家生(1964?)，男，湖南長沙人，教授，博士，從事土木工程設計與施工仿真研究；E?mail：zjsdj@mail.csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)