陜西老舊石拱橋快速評價體系構建

張 煜，熊治華，羅靖雨，羅建華，朱厚達

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100)

石拱橋是我國20世紀50年代—90年代大量修建的橋梁，其優(yōu)點在于取材方便、造價經(jīng)濟、技術簡單、造型優(yōu)美等，但經(jīng)歷了幾十年的使用后，結構上容易出現(xiàn)諸多問題如：主拱圈橫(縱)向開裂、灰縫脫落、臺基沖刷以及塊石表面風化等[1-3]。近年來，農(nóng)村地區(qū)規(guī)模巨大的老舊公路橋涵，逐步進入管理和養(yǎng)護的高峰，伴隨著管養(yǎng)繁瑣、技術落后、病害不清及資金匱乏等問題，特別是西北地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展相對滯后，問題更為突出。因此本文提出一套基于無人機檢測橋涵病害的快速評價體系，它能夠經(jīng)濟快速地對石拱橋進行大致評級。

本文結合實地調研病害數(shù)據(jù)和常見石拱橋病害的原因[4-6]、類型，針對陜西鎮(zhèn)巴縣石拱橋病害展開研究與討論。在大數(shù)據(jù)背景下，利用現(xiàn)有的橋梁編碼技術[7-10]，結合陜西省鎮(zhèn)巴縣路網(wǎng)中的橋梁情況，提出了一套適用于該地的橋梁編碼，為指導橋梁管理部門快速準確評定橋梁技術狀況提供了新思路。立足于解決公路橋梁技術狀況評定中的檢測貴、檢測復雜[11]等問題，結合文獻[12-15]無人機檢測、圖像識別在橋梁中的應用情況，在公路橋梁狀況評定方法的應用方面，利用智能檢測識別技術進行病害的檢測；基于文獻[16-18]國內外現(xiàn)有橋梁評價體系，參考國內現(xiàn)有的橋梁等級、農(nóng)村公路的評定體系方法、運用《公路橋梁技術狀況評定標準》[19](JTGT H21—2011)的評定方法的基本理論和步驟，提出了一套適用于陜西省鎮(zhèn)巴縣的簡易快速評定體系；參考國內外學者關于圬工、混凝土收縮徐變的退化損傷機理研究[20-23]，從石砌體材料的風化和拱圈結構裂縫的損傷破壞的角度進行了石拱橋多因素影響下的退化損傷分析，并對評價體系進行了修正；最后以獅兒壩橋為實例，并使用有限元軟件模擬了橋梁的撓度變化。

1 調研數(shù)據(jù)

在2020年12月底，到陜西鎮(zhèn)巴縣開展了農(nóng)村橋涵狀況實地調研。在實地調研過程中，了解到鎮(zhèn)巴縣近年來大力建設交通基礎設施,如：橋梁、涵洞、隧道。根據(jù)鎮(zhèn)巴縣交通局的數(shù)據(jù)，截止至2020年底，鎮(zhèn)巴縣各等級公路占比統(tǒng)計如圖1所示。其中還存在極少部分的等級外公路，由于地理環(huán)境復雜道路技術指標難以滿足，因而四級公路占比最多。

圖1 鎮(zhèn)巴縣各等級公路統(tǒng)計比例

截止至2020年底，本文對鎮(zhèn)巴縣公路橋梁各行政等級道路占年底到達數(shù)按跨徑和使用年限分別也做了統(tǒng)計。在使用年限方面，絕大多數(shù)是永久性的橋梁，半永久性和臨時性的橋梁占比非常少。根據(jù)SPSS相關性分析，橋梁的數(shù)量與鎮(zhèn)巴縣各行政道路里程數(shù)呈正相關，村道中橋梁的數(shù)量最多，國道中橋梁的數(shù)量最少。就跨徑而言，大、中、小橋由于跨徑和數(shù)量的影響，大橋數(shù)量少，跨徑大，所以延米數(shù)總和相差并不大。不論是按跨徑還是按使用年限都是村道占比最多，縣道和省道相差不大，但由于村道的跨徑普遍較小，所以單跨徑而言村道與其他等級道路相差不是很大。就使用年限而言，絕大多數(shù)的半永久性和臨時性橋梁都是村道。具體見圖2。

圖2 鎮(zhèn)巴縣2020年公路橋梁各行政等級道路占年底到達數(shù)(按使用年限分)

對于重要的危橋數(shù)量最多是縣道，在鎮(zhèn)巴縣現(xiàn)存的橋梁中大部分為石拱橋，并且由于使用年限已有半個世紀左右，所以危橋也多為石拱橋，危橋數(shù)目占比最多的是省道，與第二的縣道相差不大，村道占比小的原因在交通量小，行駛的車輛較少，危橋的占比相對少。

2 石拱橋病害分析

2.1 鎮(zhèn)巴石拱橋主要病害類型

根據(jù)實地調研，發(fā)現(xiàn)鎮(zhèn)巴縣石拱橋的病害主要集中在四類：

(1) 欄桿缺失、損壞：欄桿對于橋梁荷載和結構的影響不大，但對行人和車輛安全造成一定隱患。

(2) 灰縫脫落:灰縫中的砂漿由于長期風化而松動脫落，加之雨水的沖刷，導致脫落。

(3) 橋臺和橋基沖刷:在山區(qū)的鄉(xiāng)村道路由于水流湍急、季節(jié)性雨水大因素，臺基沖刷也是常見橋涵病害。

(4) 拱圈及腹拱裂紋:這類病害占的比例少，但對橋梁的安全性和壽命的影響巨大。

通過走訪調查發(fā)現(xiàn)，陜西省鎮(zhèn)巴縣農(nóng)村橋涵主要以石拱橋為主(占比達98%)；技術等級分為二至五級，集中在二級；根據(jù)交通局維修統(tǒng)計數(shù)據(jù)，病害歸為10種類別，調研統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 鎮(zhèn)巴縣10種常見病害類型統(tǒng)計

2.2 結合大數(shù)據(jù)橋梁編碼對橋梁病害的統(tǒng)計

鄉(xiāng)村地區(qū)使用的橋梁多為早期設計，加之西部農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展滯后，沒有足夠的經(jīng)費去檢測橋梁的損傷情況，這也是調研病害數(shù)據(jù)的成因之一。在當前基于橋梁信息化的大背景下，借鑒BIM技術可對橋梁等項目進行監(jiān)控，實現(xiàn)動態(tài)、集成和可視化管理。為鄉(xiāng)村地區(qū)的老舊橋梁進行編碼作為唯一識別的“身份證”[7]，并將該橋梁修建時間、材料、養(yǎng)護次數(shù)及措施等記錄在案，助力農(nóng)村老舊橋梁公路的養(yǎng)護管理。Duan等[8]建立了可實時更新橋梁損傷特征的橋梁信息模型，能準確地反映當前橋梁狀況。胡興意等[9]提出了一種融合BIM與影像建模技術的橋梁檢測新方法，建立了橋梁運維管養(yǎng)BIM模型數(shù)據(jù)庫。Colin等[10]建立了橋梁數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)自帶的數(shù)據(jù)分析功能，識別橋梁常見問題，提出維修加固方法。橋梁編碼至少應包括橋梁所在地，所處公路路網(wǎng)道路行政等級，橋梁名稱。以陜西省漢中市鎮(zhèn)巴縣為例ZB。具體構成見表2，行政地區(qū)編碼即為橋梁所在地區(qū)名縮寫，如陜西省漢中市鎮(zhèn)巴縣為SN-HZ-ZB。路線編碼以橋梁所屬公路行政等級為開頭。橋梁屬性編碼以橋梁用途為開頭，如L為公路橋、T為鐵路橋、J為公鐵兩用橋、Q為其他用途橋梁，以獅兒壩橋為例，其編碼為：CN-SN-HZ-ZB-Y016610728-L-K16+678。

表2 橋梁編碼代號

3 石拱橋的快速評價體系的建立

3.1 快速評價體系的提出

目前，我國農(nóng)村小橋涵路況檢評還未制定相關標準，普遍參考2011年開始實施的推薦性《公路橋梁技術狀況評定標準》[19](JTGT H21—2011)進行橋涵病害調查和評價(以下簡稱標準)。嚴格來說，標準的方法是目前比較全面科學的評定方法，它細化橋梁病害等級，但在評分步驟和病害判定等方面的應用還存在諸多問題，尤其不適用西部農(nóng)村地區(qū)的石拱橋，有時忽略某一病害嚴重程度，過于關注病害數(shù)量會出現(xiàn)評分偏差，同時還有現(xiàn)場檢測工作量大、計算步驟復雜等問題[11]。

調研的鎮(zhèn)巴縣雨水豐富，山高路陡，境內石拱橋眾多。然而由于農(nóng)村地區(qū)管養(yǎng)資金匱乏和橋涵數(shù)量大，時間成本高等問題，急需一套簡單、快速、費用少的石拱橋評價方法。

3.2 結合無人機檢測對石拱橋病害的快速評價方法

在《標準》[19]中，對老舊石拱橋病害的劃分和判別方法繁瑣，這對農(nóng)村地區(qū)管養(yǎng)人員造成了很大的困擾。因此，通過對鎮(zhèn)巴縣農(nóng)村128座石拱橋進行調查，分析當?shù)夭『Φ念悇e及特征規(guī)律，利用Excel和Spss對鎮(zhèn)巴縣石拱橋的各類病害進行了歸類、分析，同時結合無人機技術和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等圖像識別前沿技術，建立了一套快速評定方法。

傳統(tǒng)病害檢測中需用到橋梁檢測車等大型設備，由于檢測費用昂貴、檢測效率低下、對通車不利等問題，不適用于農(nóng)村地區(qū)石拱橋的管養(yǎng)。而無人機可利用高空飛行優(yōu)勢，達到橋梁任何構件，檢測數(shù)據(jù)可靠，安全性高。

在橋梁智能檢測技術方面，針對鎮(zhèn)巴縣等農(nóng)村地區(qū)GPS信號常有不穩(wěn)定情況，Jung等[12]提出了一種基于即時定位與地圖構建(SLAM)系統(tǒng)的無人機-橋梁自動監(jiān)測技術，通過在無人機上安裝可傾斜的3D激光雷達和單眼攝像機，解決了特殊環(huán)境中智能檢測無人機GPS信號弱的問題，并實現(xiàn)了復雜環(huán)境中橋梁結構的智能安全評估。Alani等[13]提出了一種新穎的“綜合”整體無損檢測系統(tǒng)，將衛(wèi)星遙感技術植入到GPR和InSAR集成的檢測裝置中，實現(xiàn)了對砌體拱橋結構以及結構連接精確位置的測定。

在圖像識別及處理方面，Abdelkader等[14]采用了自適應的兩層方法，基于飛蛾優(yōu)化算法設計了混合圖像過濾協(xié)議，該算法可用于檢測噪聲和恢復橋梁缺陷圖像。楊杰文等[15]提出了一種結合U-net和Haar-like算法的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習算法，可對橋梁裂縫的面積、長度和平均寬度進行定量計算。

為了摸清病害發(fā)展的規(guī)律，按照《標準》中石拱橋梁技術狀況評定采用分層綜合評定與單項指標控制相結合的方法,同時考慮石拱橋上部結構、下部結構、支座和附屬設施的區(qū)別，確定各部件的權重值及指標,針對鎮(zhèn)巴縣實際調研數(shù)據(jù)調整評價指標,將無人機、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等圖像識別前沿技術和鎮(zhèn)巴縣當?shù)氐牟『?shù)據(jù)深度融合，建立了適用于鎮(zhèn)巴縣農(nóng)村石拱橋的SBCI快速評價體系具體流程[16]。根據(jù)《標準》，用SBCI以表征橋梁結構的完好程度，分五個等級。A級：完好狀態(tài)，SBCI達到81～100，應進行日常保養(yǎng)；B級：良好狀態(tài)，SBCI達到61～80，應進行日常保養(yǎng)和小修；C級：合格狀態(tài)，SBCI達到41～60，應進行專項檢測后保養(yǎng)、小修；D級：不合格狀態(tài)，SBCI達到21～40，應檢測后進行中修或大修工程；E級：危險狀態(tài)，SBCI達到0～20，應檢測評估后進行大修、加固或改擴建工程[17]。如圖3所示。

圖3 農(nóng)村公路的SBCI快速評價體系

對于橋涵的病害，通過運用無人機飛機成像識別技術進行檢測，同時分析該地區(qū)石拱橋的病害類型及數(shù)量比例與 《標準》[19]中的病害技術評定和計算方法結合，以建立不同等級石拱橋病害為變量的SBCI值簡易計算式，實現(xiàn)石拱橋病害狀況的快速評價[18]。SBCI值計算式如下：

SBCI=w1×S1+w2×S2+w3×S3

(1)

其中，S1、S2、S3分別為橋涵上部結構得分、橋涵下部結構得分、橋面系得分。根據(jù)《標準》[19]在評定時考慮了未出現(xiàn)或者缺失要素權重二次分配，上部結構w1為0.4;下部結構w2為0.4，橋面系w3為0.2。

由《標準》[19]中拱橋的權重值，表3對于上部結構的病害類型為拱圈、腹拱裂縫裂紋和拱上結構及橋面板灰縫脫落兩大類(權重分別為0.7和0.3)，S1可用公式(2)可計算：

表3 石拱橋各構件權重值

S1=0.7×Q1+0.3×Q2

(2)

其中：Q1為上部結構拱圈、腹拱裂縫裂紋的分值(標度一級為81分～100分，取中位數(shù)90分作為Q1的值；同理二級、三級、四級、五級的得分分別為70分、50分、30分、10分)；Q2為拱上結構及橋面板灰縫脫落的分值。

以上部結構為例，無人機成像識別結合《標準》的標度對橋涵的病害上部結構進行評定；從而得到S1的分值；S2為橋涵下部結構的分值，根據(jù)表3的權重可得到S2的計算表達式：

S2=0.33×p1+0.33×p2+0.34×p3

(3)

式中：p1、p2、p3分別為下部橋墩裂縫、橋臺裂縫、基礎裂縫的分值。

S3為橋面系的分值可歸為三部分：橋面鋪裝裂縫；欄桿、護欄損壞或缺失；標志脫落、缺失；根據(jù)表格3可得到S3的計算表達式：

S3=0.80×R1+0.12×R2+0.08×R3

(4)

式中：R1、R2、R3分別為下部橋墩裂縫、橋臺裂縫、基礎裂縫的分值。

將式(2)—式(4)代入式(1)，可得到SBCI分值，從而由SBCI的分值可得到橋涵的病害狀況。此評價采用無人機采集病害數(shù)據(jù)，直接降低檢測成本，運用SBCI值簡易計算式也達到了快速簡評的效果。

3.3 綜合石拱橋的退化損傷影響修正評價體系

老舊石拱橋由于服役時間長久, 拱圈、腹拱和拱上結構及橋面板等部位都出現(xiàn)了不同程度的風化和損傷，而結合無人機檢測手段的評價體系僅考慮了外觀的病害，考慮拱橋病害的內部退化損傷機理至關重要。

3.3.1 拱橋砌體結構裂縫的損傷破壞

Sellier提出裂紋的起始、擴展和寬度是根據(jù)局部應變來確定的，而不對離散元件的位置或方向進行任何初始假設。因此，裂紋和損傷區(qū)是由行為定律的軟化階段引起的應變局部化過程的結果。

而砌體的力學行為可通過一個簡單的三維各向異性損傷模型來描述，它能夠考慮局部裂縫的萌發(fā)和擴展?，F(xiàn)有的模型中，由于通常不可能從石拱橋提取各種構件的代表性體積，但只能在不同材料中鉆取芯樣，并考慮石材-砂漿界面特性，因此模型使用數(shù)值均勻化過程來確定砌體體積行為規(guī)律的力學參數(shù)。因該數(shù)值模型能夠模擬裂縫擴展，裂縫可以在空間的任何方向上發(fā)展[20]。

Sellier所描述的方法能夠考慮現(xiàn)有控制條件，當有額外的影響因素增加如：較大的交通荷載、列車速度的增加、額外位移、以及結構上的加寬或加固，也可對結構響應開展預估。而從石拱橋的幾何形狀上來看，最大的應力發(fā)生在拱門的中間高度。因此，石拱橋可能會由于荷載效應而產(chǎn)生較大應力發(fā)生失效。由于拱橋的環(huán)境條件、交通影響以及地震和山體滑坡等動態(tài)影響，石拱橋拱橋的破壞機制比在其他結構中進展迅速。因此，必須在橋梁上進行定期維護，在修復后的橋梁不得承受高于規(guī)定值的載荷[21]。

3.3.2 材料風化損傷計算公式

受自然(如溫度﹑水流沖刷、風化作用)和人為(交通量、重型車的影響)因素的共同作用,橋梁結構的幾何形狀、材料強度及其他物理性質等都發(fā)生了相應的退化和損傷[22]。

老舊石拱橋在風化作用下，石材性能退化，導致截面減小、脫落等問題，承載能力降低。相應地，退化和損傷將直接影響材料截面有效面積及強度。對于石拱橋截面損傷的綜合評定值定義為D，表達式如下：

D=ξ(D1b1+D2b2)

(5)

式中：D1為材料風化指標的評定標度值；D2為材料損傷指標的評定標度值；b1為材料風化指標的權重值；b2為材料損傷檢測指標的權重值[23]；ξ為截面折減系數(shù)，結合鎮(zhèn)巴縣統(tǒng)計分析；ξ當取得0.87，截面應力已達極限狀態(tài)，當小于此值時,橋梁則需進行整改。

表4 截面風化損傷折減表

3.4 計算實例

根據(jù)交通局數(shù)據(jù)，獅兒壩橋位于茶太路上，于1989年建成通車，管養(yǎng)單位為鎮(zhèn)巴縣農(nóng)村公路管理局。Y016茶太路為四級路，設計速度20 km/h，橋梁上部結構為1×13.0 m實腹式拱橋，下部結構為漿砌塊石重力式橋臺。橋長20.0 m,橋寬7.0 m。橋面鋪裝為水泥混凝土，見圖4。該橋設計汽車荷載等級為汽-I5、掛-80。在最新的橋梁定期檢查中，獅兒壩橋總體技術狀況評定等級為3類。

圖4 獅兒壩橋圖

根據(jù)實地無人機拍攝的數(shù)據(jù)，獅兒壩橋的上部結構中，拱圈、腹拱裂縫裂紋：橫向裂縫縫長≤截面尺寸的1/8，縫寬≤0.1 mm，得分為70分；拱上結構及橋面板灰縫脫落：累計長度單處長度≤1.0 m，得分為51分。其余各部分評分根據(jù)該項分幾類而得分如4類得分依次為13、38、63、88；3類為17、50、84。具體分類及評定與《標準》[19]相同。

計算得分：

SBCI=56.8

SBCI分值評定結果為第Ⅲ類橋型，應進行專項檢測后保養(yǎng)、小修。與鎮(zhèn)巴縣交通局評價類型吻合，模型評價體系比較準確。

3.5 評價體系驗證

為了驗證快速評價體系的準確性，本文通過有限元分析建立模型來模擬實際情況下時間對材料性能的影響。依據(jù)實際工程，建立拱橋三維有限元模型，計算模型如圖5所示，其中的漿砌石和C35混凝土的材料屬性如表5所示。

圖5 有限元模型圖

表5 材料屬性表

荷載包括自重、收縮徐變，自重系數(shù)取1.04，其他荷載按梁體實際荷載輸入，模型的邊界條件為固結；同時建立施工階段，并考慮31 a的收縮徐變。

通過有限元軟件分析得到如下結果，其成橋位移如圖6(a)所示，31 a收縮徐變效應的拱橋撓度見圖6(b)。

圖6 有限元位移圖

由圖7可知，當拱橋成橋時的跨中撓度為8.70 mm，31 a收縮徐變后跨中撓度為13.30 mm。31 a間在收縮徐變作用下?lián)隙仍黾恿?2.9%，撓度在規(guī)定的允許范圍內，應該進行檢測后的保養(yǎng)、小修；因而通過有限元模型驗證了評價體系的準確性。

圖7 成橋與31 a收縮徐變變化位移對比圖

4 結 語

(1) 以陜西省漢中市鎮(zhèn)巴縣實地調研的橋梁、道路情況，統(tǒng)計了截止2020關于農(nóng)村公路橋涵的各項比例，調研發(fā)現(xiàn)石拱橋和四級公路占比最多。

(2) 根據(jù)實地調研統(tǒng)計了石拱橋的常見病害。結合大數(shù)據(jù)提出使用橋梁編碼的方式對橋梁后期管理與養(yǎng)護，將橋梁修建時間、使用材料、養(yǎng)護歷史等錄入系統(tǒng)，對每座橋梁采取智能化管理。

(3) 老舊石拱橋病害可借助無人機進行識別，本文提出了一種適用于西部農(nóng)村公路橋梁的簡易快速評價體系，并綜合考慮退化損傷機理修正了評價體系。以獅兒壩橋為例，使用有限元軟件模擬了橋梁的跨中撓度變化，驗證了評價體系的準確性。

同時，無人機識別技術當下發(fā)展迅猛，在病害識別算法及其相關技術方面，在本文中未深入展開，在下一步的研究計劃中將深入分析這些問題。

感謝鎮(zhèn)巴縣交通局為本文研究提供的支持！