城市橋群的養(yǎng)護規(guī)劃研究與應(yīng)用

郁敏

（同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海市200092）

0 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)是城市交通的重要節(jié)點，其運營安全不僅對維持城市功能至關(guān)重要，還對保障城市經(jīng)濟社會發(fā)展作用重大。我國經(jīng)過數(shù)十年的城市化發(fā)展，許多城市已建成了大量橋梁結(jié)構(gòu)，包括數(shù)量眾多的梁式橋，以及各式各樣兼具景觀功能的拱橋、斜拉橋和懸索橋。這些結(jié)構(gòu)經(jīng)過數(shù)十年的材料老化、重載交通作用、環(huán)境銹蝕作用等因素的影響，已有一定數(shù)量出現(xiàn)了明顯的結(jié)構(gòu)性能衰退，對應(yīng)的運營安全性顯著降低[1]。

由于建設(shè)時間相對集中，在役城市橋梁可能在未來的某個時間段集中出現(xiàn)同類型橋梁的同類病害爆發(fā)，導(dǎo)致“休克式”的交通癱瘓和大面積的養(yǎng)護需求[2]。與這種可預(yù)見的養(yǎng)護危局形成對比的是，目前許多城市橋梁的養(yǎng)護技術(shù)狀況偏低，養(yǎng)護管理工作存在不系統(tǒng)和不完備的問題。部分地區(qū)甚至無法按照現(xiàn)有的養(yǎng)護標準進行及時的結(jié)構(gòu)檢查。面對城市橋梁數(shù)量巨大、種類各異的特點，如何從管理規(guī)劃層面開展城市橋梁養(yǎng)護工作，科學(xué)系統(tǒng)地提升城市橋梁養(yǎng)護水平，是一項對城市基礎(chǔ)設(shè)施管理人員來說重要且急迫的任務(wù)[3]。

不同于單體橋梁的養(yǎng)護，城市橋梁具有養(yǎng)護對象多、養(yǎng)護體量大、結(jié)構(gòu)形式多樣、環(huán)境復(fù)雜等特點。針對大型單體橋梁的傳統(tǒng)養(yǎng)護模式應(yīng)用到城市橋梁中將導(dǎo)致較高的養(yǎng)護成本。針對這一問題，研究提出“橋群”養(yǎng)護概念，即針對管理區(qū)域內(nèi)多座不同結(jié)構(gòu)形式、不同環(huán)境作用等差異性橋梁結(jié)構(gòu)的共同養(yǎng)護。本文以寧波市區(qū)橋梁未來15 a的養(yǎng)護規(guī)劃研究為例，闡述城市橋群養(yǎng)護規(guī)劃內(nèi)容、流程和具體細節(jié)，以期為其他城市橋梁開展系統(tǒng)性養(yǎng)護工作提供參考。

1 城市橋梁群養(yǎng)護規(guī)劃流程和內(nèi)容

基于城市橋群概念的城市橋梁養(yǎng)護，以“總體規(guī)劃、一橋一養(yǎng)”為原則，在全面掌握結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)、病害成因和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，立足規(guī)范、兼顧實際養(yǎng)護能力，科學(xué)安排養(yǎng)護計劃和養(yǎng)護內(nèi)容，提高養(yǎng)護的針對性，減少不必要的養(yǎng)護資源浪費，提高養(yǎng)護質(zhì)量。

基于城市橋群概念的城市橋梁養(yǎng)護規(guī)劃流程和內(nèi)容簡圖如圖1所示。由圖1可知，其規(guī)劃和內(nèi)容由養(yǎng)護現(xiàn)狀調(diào)研、巡檢養(yǎng)護規(guī)劃、檢查檢測規(guī)劃、監(jiān)測和信息管理規(guī)劃4個部分組成。

第1部分養(yǎng)護現(xiàn)狀調(diào)研是指對橋梁養(yǎng)護相關(guān)內(nèi)容的全面調(diào)研，包括但不限于橋梁結(jié)構(gòu)基本信息調(diào)查、結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況調(diào)查、結(jié)構(gòu)檢測和維修記錄調(diào)查、結(jié)構(gòu)養(yǎng)護體系調(diào)查、結(jié)構(gòu)養(yǎng)護工作技術(shù)力量調(diào)查、養(yǎng)護管理機制調(diào)查，養(yǎng)護管理從業(yè)人員調(diào)查、養(yǎng)護管理設(shè)施調(diào)查等，力求全面細致。通過調(diào)研充分掌握當(dāng)?shù)氐臉蛄吼B(yǎng)護基礎(chǔ)現(xiàn)狀。

在全面了解結(jié)構(gòu)養(yǎng)護現(xiàn)狀的情況下，根據(jù)養(yǎng)護需求，制定養(yǎng)護計劃，開展后3部分內(nèi)容。工作包括：

圖1 城市橋梁群養(yǎng)護規(guī)劃流程和內(nèi)容

（1）巡檢養(yǎng)護規(guī)劃。明確不同橋型、不同橋梁的共性和特殊養(yǎng)護內(nèi)容，形成針對每座橋梁的巡檢手冊，使現(xiàn)場巡檢人員有針對性；同步開展對每座橋梁養(yǎng)護標準的制定，使養(yǎng)護工作具有規(guī)范性和延續(xù)性。

（2）檢查檢測規(guī)劃。明確基于橋型的橋群檢查檢測內(nèi)容以及基于個體橋梁構(gòu)件的檢查檢測內(nèi)容，形成統(tǒng)一的規(guī)則，使檢查檢測工作、測試、數(shù)據(jù)更具一致性，如統(tǒng)一的測點布置、統(tǒng)一的編號規(guī)則等。針對橋梁共性病害，結(jié)合橋梁目前的養(yǎng)護技術(shù)狀況和養(yǎng)護能力，制定預(yù)防性檢查維修規(guī)劃。對潛在的病害做到“預(yù)養(yǎng)護”[4]，通過及時的小修避免結(jié)構(gòu)突然的功能失效。

（3）監(jiān)測和信息管理規(guī)劃。明確監(jiān)測的理念和需求，建立共性監(jiān)測內(nèi)容和個性監(jiān)測內(nèi)容，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用、報告、預(yù)警、信息平臺等進行綜合規(guī)劃。

2 寧波城區(qū)橋梁養(yǎng)護現(xiàn)狀

以寧波市城區(qū)的大型橋梁為規(guī)劃案例。養(yǎng)護規(guī)劃制定前期開展針對寧波市管橋梁養(yǎng)護現(xiàn)狀的全面調(diào)研。從橋梁運營現(xiàn)狀、養(yǎng)護管理現(xiàn)狀等方面系統(tǒng)掌握養(yǎng)護現(xiàn)狀。

2.1 結(jié)構(gòu)基本信息

通過查閱橋梁結(jié)構(gòu)資料、養(yǎng)護資料，結(jié)合現(xiàn)場勘察、實地走訪等方式，統(tǒng)計了21座寧波市管大橋的技術(shù)現(xiàn)狀。寧波城區(qū)現(xiàn)有21座已建成的市管大橋，從建造時間看，最早修建的橋梁為1936年建成的寧橋，至今已有80 a歷史。另有一半以上的橋梁已運營10 a以上，還有數(shù)座新建成的橋梁?？梢钥闯觯泄軜蛄旱慕ㄔ鞎r間跨度較大（如圖2所示）。

圖2 寧波市管大橋基本信息統(tǒng)計

21座大橋涵蓋了4類基本橋型，包括梁式橋10座、拱橋7座、斜拉橋3座以及懸索橋1座。其中，梁式橋以簡支梁橋為主，總共包括6座簡支梁橋、2座T型剛構(gòu)橋、1座連續(xù)梁橋；7座拱橋有1座為三鉸拱結(jié)構(gòu)，其余均為系桿拱結(jié)構(gòu)，但拱圈和主梁形式各不相同；3座斜拉橋結(jié)構(gòu)形式各異，分別為獨塔斜拉橋、雙塔斜塔斜拉橋和斜塔斜拉橋；懸索橋1座，為自錨式結(jié)構(gòu)形式。

2.2 結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀

從橋梁管理歸屬看，大多數(shù)市管橋梁為市政橋梁，按照城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準[5]進行相關(guān)養(yǎng)護和評價工作；少數(shù)橋梁屬于公路橋梁，按照公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[6]養(yǎng)護，并按照公路橋梁技術(shù)狀況評定標準[7]進行評價。從最近1年21座市管橋梁評定結(jié)果看，僅1座橋梁運營狀態(tài)被評定為A類，其余橋梁均有不同程度的退化或損傷。其中，興寧橋和慶豐橋技術(shù)狀態(tài)差，達到規(guī)范4類橋或D類橋的技術(shù)標準，需及時開展檢查和維修工作。

從具體病害看，不同類型的橋梁存在一些共性的病害形式。其中，梁式橋的共性病害為蓋梁開裂、滲水；主梁底部破損、開裂；管道支撐構(gòu)造物銹蝕；構(gòu)件變形變位。拱橋的共性病害為拱腳裂縫、系桿錨頭銹蝕、吊桿局部銹蝕、主梁損傷。斜拉橋的共性病害為索梁錨固區(qū)構(gòu)造銹蝕、索塔錨固區(qū)構(gòu)造銹蝕；斜拉索表面裂縫、滲水；橋塔開裂、露筋。懸索橋的主要病害為錨索區(qū)開裂漏油、主纜保護層開裂及脫落、吊桿護套損傷、吊桿錨頭銹蝕。

這些共性的病害說明對于建造時間接近、構(gòu)件類似的橋梁，同種病害可能集中爆發(fā)。如梁式橋的下部結(jié)構(gòu)開裂問題，纜索體系橋的拉索銹蝕問題。除共性病害外，針對各個橋梁各自的特點，還有每座橋特殊的結(jié)構(gòu)病害。這對橋梁運營安全管理提出了極高的要求，其中既包括對管養(yǎng)體制的要求，也包含對管養(yǎng)技術(shù)人員、養(yǎng)護策略等多方面的要求。常規(guī)被動式的養(yǎng)護不利于未來橋梁安全狀態(tài)的保持，需要探索更加積極有效的管理養(yǎng)護技術(shù)。

2.3 養(yǎng)護工作現(xiàn)狀

對橋面高程固定監(jiān)測點、橋梁檢修通道、健康監(jiān)測系統(tǒng)的運營情況進行統(tǒng)計，調(diào)研發(fā)現(xiàn)的養(yǎng)護設(shè)施問題主要包括：

（1）7座大橋橋址附近未建立永久高程觀測點，缺乏橋梁結(jié)構(gòu)長期檢測的基準，每年的高程檢測數(shù)據(jù)無法橫向比較。

（2）部分大橋缺少必要的檢查通道，對于一些重要的構(gòu)件、構(gòu)造，沒有靠近方式，這對結(jié)構(gòu)檢查、病害處置造成阻礙，不滿足橋梁養(yǎng)護需求中“可到達、可檢查、可更換”的要求。

（3）既有檢查通道維護狀況不良，結(jié)構(gòu)建成時設(shè)置的檢修設(shè)施，如移動桁架等，經(jīng)過多年的運營，相關(guān)的機電設(shè)備、結(jié)構(gòu)構(gòu)造都嚴重老化，存在安全隱患，部分設(shè)施無法正常運行。

（4）對于同一座橋梁結(jié)構(gòu)檢查檢測，未建立統(tǒng)一的標準，例如測點位置、測點編號、測試內(nèi)容等，導(dǎo)致各年度不同養(yǎng)護檢測單位形成的檢測方案相差較大，檢測報告數(shù)據(jù)無法前后對應(yīng)，不利于對結(jié)構(gòu)運營現(xiàn)狀的科學(xué)判斷。

（5）部分市管大橋結(jié)構(gòu)運營狀況已經(jīng)相對較差，隨著時間推移，結(jié)構(gòu)構(gòu)件退化將加速，未來對各座橋梁開展針對性的檢查檢測作業(yè)量將不斷增加，現(xiàn)有的檢查檢測委托制度有待優(yōu)化。

此外，研究對寧波市區(qū)橋梁上的交通狀況進行了調(diào)研統(tǒng)計，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明市區(qū)內(nèi)部分交通要道上的橋梁車輛荷載平均水平顯著高于其他橋梁。并且，隨著寧波城市的快速發(fā)展，道路的車流量逐漸增加。車流特性變化對橋梁結(jié)構(gòu)造成不利影響，也對橋梁的管理帶來了新挑戰(zhàn)。市區(qū)內(nèi)橋梁作為主要的交通節(jié)點，在管養(yǎng)過程中對突發(fā)事件的預(yù)警和處置要求進一步加強。

3 城市橋梁巡檢養(yǎng)護規(guī)劃

以4類基本橋型為劃分，根據(jù)調(diào)研得到的共性病害和每座橋梁的特殊病害，結(jié)合城市和公路橋梁相關(guān)的養(yǎng)護規(guī)范，制定各類型橋梁的共性養(yǎng)護內(nèi)容。再對每座橋的特殊病害補充增加每座橋各自的特殊養(yǎng)護內(nèi)容。形成既有同一性，又具針對性的養(yǎng)護內(nèi)容規(guī)劃指導(dǎo)。

以永豐橋（混凝土梁橋）為例，基于城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準制定梁式橋的共性養(yǎng)護內(nèi)容，作為永豐橋養(yǎng)護內(nèi)容的一部分。再結(jié)合調(diào)研得到的永豐橋特殊病害，補充形成針對性的特殊養(yǎng)護內(nèi)容。最終形成永豐橋的規(guī)劃養(yǎng)護內(nèi)容如表1、表2所示。

表1 永豐橋共性養(yǎng)護內(nèi)容規(guī)劃

表2 永豐橋特殊養(yǎng)護重點

21座市管橋梁均建立了類似永豐橋的養(yǎng)護內(nèi)容規(guī)劃表。根據(jù)每次檢查內(nèi)容可對該表進行修訂，以指導(dǎo)下一次的檢查養(yǎng)護工作。如此循環(huán)推進，使得養(yǎng)護工作更具針對性和連續(xù)性。

4 城市橋梁檢查檢測規(guī)劃

4.1 橋群檢測總體規(guī)劃

根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（CJJ 99—2003）和《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11—2004），對使用中的城市橋梁必須按照規(guī)定進行檢測評估，及時掌握橋梁的基本情況，并采取相應(yīng)的養(yǎng)護措施。城市橋梁的檢測評估應(yīng)根據(jù)其內(nèi)容、周期、評估要求分為經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊檢查幾個部分。

根據(jù)規(guī)范要求和實際橋梁性能狀況形成寧波市管橋梁檢測總體規(guī)劃的基本原則：常規(guī)定期檢測應(yīng)每年1次，I類養(yǎng)護的橋梁結(jié)構(gòu)定期檢測頻率為2 a，II～V類養(yǎng)護的橋梁結(jié)構(gòu)定期檢測頻率為6 a。根據(jù)橋梁實際性能狀況對其結(jié)構(gòu)定期檢測和特殊檢測先后順序進行優(yōu)化調(diào)整，具體調(diào)整措施如下：

（1）根據(jù)近 3 年檢測結(jié)果，A～C 類(合格)橋的檢測時間可以相對較晚安排，D～E類(不合格)橋的檢測時間安排較早。

（2）近3年已經(jīng)做了結(jié)構(gòu)定期檢測和特殊檢測且結(jié)果為合格的橋梁，下一次檢測將安排在較晚時間。

（3）檢測結(jié)果為D～E類的橋梁，當(dāng)年應(yīng)進行維修加固，接下來的2 a按照每年1次的頻率進行結(jié)構(gòu)定期檢測和特殊檢測，以評價維修加固效果。若第2次檢測結(jié)果為合格，則將其檢測頻率恢復(fù)為正常頻率。

（4）新修建或者改擴建橋梁，根據(jù)規(guī)范要求，在修建1 a后進行定期檢測。

（5）最終形成的年檢測工作量不宜出現(xiàn)較大的年度波動，并且考慮管養(yǎng)水平的不斷提升，每年檢測養(yǎng)護的數(shù)量可呈逐年小幅增長的趨勢。

（6）梁式橋基本為II～V類養(yǎng)護橋梁，結(jié)構(gòu)定期檢測和特殊檢測的頻率相對較低；拱橋、斜拉橋和懸索橋基本為I類養(yǎng)護橋梁，結(jié)構(gòu)定期檢測和特殊檢測的頻率相對較高；部分橋梁建造時間較晚，橋梁性能情況較好，檢測可稍遲進行。

研究根據(jù)上述原則形成了寧波城市橋群檢測管理的總體規(guī)劃安排。

4.2 單個橋梁檢查詳細規(guī)劃

在總體檢測規(guī)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)單個橋梁的結(jié)構(gòu)變化、病害發(fā)展趨勢，形成針對每座橋梁的詳細檢查規(guī)劃。研究從核心受力構(gòu)件的損傷演變、關(guān)鍵整體響應(yīng)、橋梁整體狀態(tài)變化3個層次分析單個橋梁的技術(shù)狀態(tài)。

以琴橋為例（拱橋），根據(jù)調(diào)研的情況，琴橋主要構(gòu)件的病害問題匯總?cè)绫?所示。對核心受力構(gòu)件的變化分析以主梁的裂縫開展情況為例，近3年的裂縫病害發(fā)展趨勢如表4所示。對比可知，琴橋主梁裂縫病害在前2年出現(xiàn)了明顯的惡化趨勢，第3年進行了及時的修補，但同時出現(xiàn)了新的病害。因此，針對琴橋主梁的裂縫病害，提出對應(yīng)的管養(yǎng)建議，包括：

（1）要求檢查單位在每年常規(guī)檢查中對琴橋箱內(nèi)裂縫進行檢查，在規(guī)定的位置進行拍照，保存現(xiàn)場圖片、狀態(tài)描述文本。

（2）要求檢查單位在每年常規(guī)檢查中對箱梁底板上的露筋情況進行檢查，在規(guī)定的位置進行拍照，保存現(xiàn)場圖片、狀態(tài)描述文本。

（3）要求修補后的2 a時間內(nèi)，每半年對箱內(nèi)裂縫修補后的情況進行1次外觀檢查，確保裂縫修補的有效性，2 a內(nèi)若修補處不出現(xiàn)裂縫，可降低檢查頻率，以每年的常規(guī)檢查替代。

表3 琴橋主要構(gòu)件的病害問題

表4 琴橋主梁裂縫病害演變

限于篇幅，其余核心構(gòu)件的病害在此不一一列舉。最終形成針對琴橋的具體養(yǎng)護規(guī)劃時間表，從2019年到2029年。養(yǎng)護類別包括常規(guī)定期檢查、結(jié)構(gòu)定期檢查和特殊檢查。養(yǎng)護檢查的對象細化到橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座、橋面幾何線形、主梁、拉索、橋塔、支座、材料特性檢測、淤積、沖刷、靜載試驗、動載試驗、承載力評定等。

通過這種方式，可以在橋群層面綜合分析各類橋型養(yǎng)護的輕重緩急，又可根據(jù)每座橋的實際情況，確定具體橋梁構(gòu)件養(yǎng)護的輕重緩急。從各個層面進行分析考量，最終形成“總體規(guī)劃、一橋一養(yǎng)”的科學(xué)養(yǎng)護體系。

5 城市橋梁監(jiān)測和信息管理規(guī)劃

基于物聯(lián)網(wǎng)的信息化管理發(fā)展趨勢，促使橋梁管理走向更智能、更實時、更全面[8]。城市橋梁的監(jiān)測規(guī)劃建立在與城市橋梁養(yǎng)護管理體系相互協(xié)同作用的基礎(chǔ)上，以較小的成本實現(xiàn)對城市橋梁關(guān)鍵指標的監(jiān)測和信息管理。研究提出“間斷監(jiān)測”、“監(jiān)測、檢測結(jié)合”、“重點監(jiān)測”的基本理念。

從整體上看，對結(jié)構(gòu)運營安全的監(jiān)測主要通過對結(jié)構(gòu)位移和撓度的總體結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標實現(xiàn)，結(jié)合定期檢測對結(jié)構(gòu)高程的復(fù)測對比，既可校驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，又可結(jié)合檢測數(shù)據(jù)提高監(jiān)測評估的可靠性。同時，針對各種類型橋梁制定普適的監(jiān)測內(nèi)容，再根據(jù)具體每座橋梁的病害特點建立針對性的監(jiān)測內(nèi)容，可使測點數(shù)量大幅減少并具有針對性。測點傳輸方式以無線傳輸為主。監(jiān)測系統(tǒng)整體上具有“小而精、布置快”的特點。

以混凝土斜拉橋為例，明確普適的監(jiān)測內(nèi)容為：主梁跨中關(guān)鍵位置撓度、關(guān)鍵拉索索力(頻率)、索塔變形狀態(tài)、支座沉降監(jiān)測、車輛過往量及軸載監(jiān)測。個體橋梁的監(jiān)測內(nèi)容以甬江橋為例，在主梁、蓋梁等關(guān)鍵構(gòu)件的病害位置和關(guān)鍵位置設(shè)置定位釘點，定期安排人員使用高精度測量設(shè)備對結(jié)構(gòu)病害區(qū)域和關(guān)鍵位置進行測量，記錄結(jié)構(gòu)變形，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害發(fā)展和潛在安全隱患；考慮到該橋的主橋為斜拉橋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較柔性，拉索為主橋結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵構(gòu)件，且拉索外部巡檢難以發(fā)現(xiàn)拉索內(nèi)部病害，因此建議該橋補充拉索應(yīng)力傳感器以監(jiān)測拉索應(yīng)力狀態(tài)。該橋主塔橋墩位于河道中，存在一定船撞風(fēng)險，風(fēng)險概率較低但是風(fēng)險損失嚴重，因此建議在主橋跨河區(qū)域補充視頻監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)測河道安全狀況，避免船撞風(fēng)險帶來嚴重后果。具體傳感器布置如圖3所示。

圖3 甬江大橋監(jiān)測系統(tǒng)測點布置圖

研究還對監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用、報告形式、科研、監(jiān)測平臺的綜合管理等提出了規(guī)劃建議。

6 結(jié) 語

（1）通過系統(tǒng)規(guī)劃的檢測和養(yǎng)護內(nèi)容，可在病害集中爆發(fā)之前，循序漸進式地改善結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)，避免同類病害集中爆發(fā)、養(yǎng)護加固需求井噴式出現(xiàn)。

（2）預(yù)防性檢查和養(yǎng)護是城市橋梁養(yǎng)護的理想方法，通過系統(tǒng)的檢查、合理規(guī)模和頻次的小修小補，可以科學(xué)避免橋梁休克式的功能失效和封閉維護，這對于保障繁忙的城市交通至關(guān)重要。

（3）通過橋群的概念，形成共性病害、特殊病害的共性養(yǎng)護內(nèi)容和特殊養(yǎng)護內(nèi)容，以及共性監(jiān)測內(nèi)容和特殊監(jiān)測內(nèi)容，既能實現(xiàn)一橋一養(yǎng)的針對性，又能達到高效統(tǒng)籌的系統(tǒng)性。