公路混凝土橋梁的周期性預(yù)防養(yǎng)護研究

路方哲

(平頂山市公路交通勘察設(shè)計院，河南 平頂山 467000)

公路橋梁養(yǎng)護主要是預(yù)防性養(yǎng)護和維修性養(yǎng)護，當前的橋梁養(yǎng)護主要是維修養(yǎng)護，這種養(yǎng)護方式已經(jīng)無法滿足交通運輸?shù)囊?，預(yù)防性正成為公路橋梁養(yǎng)護及管理的重要途徑，對公路橋梁開展周期性的預(yù)防養(yǎng)護，能夠及早發(fā)現(xiàn)橋梁病害潛在風(fēng)險，并及時處理此風(fēng)險，從而確保公路交通安全。當前，我國公路橋梁養(yǎng)護中存在諸多不足，如未認識到公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護的重要性，相關(guān)養(yǎng)護決策的主觀性比較強，缺乏相應(yīng)的養(yǎng)護體系及評估體系。本研究以G311徐西線沙河橋梁工程為研究對象，探明混凝土橋梁的主要病害特征，并以實證分析的方式解決公路混凝土橋梁周期性養(yǎng)護問題。

1 公路混凝土橋梁病害評定方法

公路混凝土橋梁在通車使用后，受各種因素的影響會產(chǎn)生剝蝕、銹蝕及裂縫等病害，若不及時養(yǎng)護，會降低橋梁的結(jié)構(gòu)性能，危及橋梁承載力及使用壽命。所以，應(yīng)對公路混凝土橋梁進行周期性養(yǎng)護。從混凝土橋梁養(yǎng)護效果看，主要有糾正性和預(yù)防性兩種養(yǎng)護方式，預(yù)防性養(yǎng)護主要是小修與正常保養(yǎng)，而糾正性養(yǎng)護則是大修、中修和加固性改造。預(yù)防性養(yǎng)護對象主要是輕度損害，不影響使用功能，或是中度損害，能正常使用但卻超出預(yù)防養(yǎng)護范圍。依據(jù)公路橋梁評估標準要求，對橋梁全橋、全結(jié)構(gòu)及部件、構(gòu)件、橋面系等進行評估，以確定橋梁病害程度及類型，本文以此方法確定公路混凝土橋梁的病害。在橋梁技術(shù)評估中應(yīng)考慮橋梁交通路折損，參照文獻[1]，且引入了超載系數(shù)

(1)

(2)

其中:WPMCIl為上部結(jié)構(gòu)；WBMCIl為下部結(jié)構(gòu)，WDMCIl橋面系l構(gòu)件得分，取值范圍為0～100；Uz構(gòu)件評估扣分值決定下的變量。

依據(jù)公式(2)及分層評估法，橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)及橋面系i類部件得分可以確定為WPCCIl、WBCCIl、WDCCIl，橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)、橋面系得分分別為WSPCI、WSBCI及WBDCI，橋梁總體得分為Dy，在交通量影響下的預(yù)防病害為：針對橋梁病害類型、嚴重程度及位置的構(gòu)件評分為WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl。假設(shè)除公式(2)中設(shè)計的構(gòu)件之外，其與構(gòu)件得分均100分，橋梁部件狀況的評分表示為WSPCI、WSBCI、WDCCN；假設(shè)除公式(3)之外其他部件狀況得分是100分，依據(jù)部件位置實施的橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)及橋面系狀況得分分別表示為WSPCI、WSBCI及WBDCI，假設(shè)橋梁總體狀況得分DI為1或2時為橋梁病害時，考慮到分層評論中各項權(quán)重的差異，將主部件超標度低于3的病害種類納入預(yù)防養(yǎng)護，橋梁次部件超標度低于2的病害種類納入預(yù)防養(yǎng)護。為此，表1針對病害種類與病害特點，對橋梁技術(shù)狀況進行定量描述和定性描述評定。

表1 公路混凝土橋梁病害種類與特點

如表所示橋梁混凝土構(gòu)件的病害種類較多，而支座結(jié)構(gòu)間的缺陷因素，導(dǎo)致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成支座一側(cè)外鼓問題。并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力傳遞形式的變化，進而對上部結(jié)構(gòu)、橋面系、下部構(gòu)件的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

2 橋梁技術(shù)狀況的退化預(yù)測

2.1 構(gòu)建退化模型

由于橋梁技術(shù)退化的影響因素比較多，而線性模型無法全面反映其衰減規(guī)律，以及技術(shù)退化后的影響因素具有非線性特征，參照文獻[2]研究成果，選擇非線性退化模型分析橋梁技術(shù)情況

(3)

式中:t小于等于t1，且大于零；D(t)為橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平，是t(時間)的函數(shù)；t1為初始退化時間；D0為初始技術(shù)水平取值；α為退化指數(shù)；β為環(huán)境及外界荷載影響參數(shù)，而荷載取值均依據(jù)橋梁自然劣化監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。退化預(yù)測數(shù)據(jù)表明：橋梁技術(shù)退化參數(shù)值同橋梁所在地交通等級、橋梁結(jié)構(gòu)形式、橋址環(huán)境等相關(guān)。

2.2 養(yǎng)護前后預(yù)防效果預(yù)測

橋梁養(yǎng)護的策略比較多，不同養(yǎng)護策略所產(chǎn)生的養(yǎng)護效果、養(yǎng)護費用也不同。假定預(yù)防養(yǎng)護間隔時間相同、養(yǎng)護效應(yīng)時間相同，且單次養(yǎng)護后影響指標增量也相同，每次養(yǎng)護指標值低于初始值。養(yǎng)護后，tpD(養(yǎng)護效應(yīng)持續(xù)時間)內(nèi)，以相同退化規(guī)律的退化，超過養(yǎng)護效應(yīng)的持續(xù)時間后，又以初始未養(yǎng)護的退化率進行退化。按照初始退化時間(t1)、首次養(yǎng)護時間(tp1)及養(yǎng)護間隔(tp)、養(yǎng)護效應(yīng)持續(xù)時間等的相互關(guān)系，構(gòu)建四種養(yǎng)護的時間約束關(guān)系，也就是四種養(yǎng)護的策略。同時按照公式(3)的退化模型及此養(yǎng)護策略，能夠構(gòu)建和計算任意時刻的橋梁養(yǎng)護效果?？舍槍蛄航煌氛蹞p種類和特征，制定四種養(yǎng)護策略。

策略1：未初始退化時沒有養(yǎng)護，養(yǎng)護間隔不超過養(yǎng)護效應(yīng)持續(xù)時間；策略2：未初始退化時沒有養(yǎng)護，養(yǎng)護間隔超過養(yǎng)護時間的持續(xù)間隔；策略3：未初始退化時即已養(yǎng)護，養(yǎng)護間隔低于養(yǎng)護效應(yīng)的持續(xù)時間；策略4：未初始退化時即已養(yǎng)護，養(yǎng)護間隔超過養(yǎng)護效應(yīng)的持續(xù)時間。

3 公路混凝土橋梁周期性預(yù)防養(yǎng)護策略的優(yōu)化

3.1 混凝土橋梁周期性預(yù)防養(yǎng)護成本

間隔養(yǎng)護中存在時機優(yōu)化問題，間隔養(yǎng)護過晚不能體現(xiàn)其養(yǎng)護價值，間隔養(yǎng)護過早又會浪費養(yǎng)護資金，只有找到間隔養(yǎng)護時間及費用的最佳點，才是預(yù)防養(yǎng)護的最佳時機，可按照橋梁生命周期的最低養(yǎng)護費用去確定其最佳間隔養(yǎng)護時機。依據(jù)橋梁養(yǎng)護監(jiān)測數(shù)據(jù)、信息融合技術(shù)文獻[3]，在考慮資金時間價值情況下，橋梁周期性預(yù)防養(yǎng)護費用模型如下

(4)

式中:C(tp1,tp)為養(yǎng)護總費用；Ci(tp1,tp)為單次預(yù)防養(yǎng)護的費用；n(tp1,tp)為養(yǎng)護次數(shù)；tp為間隔時間；tp1為初始時間。確定養(yǎng)護方案后，橋梁預(yù)防養(yǎng)護的成本有管理成本CM、用戶成本CU及社會成本CS構(gòu)成，其中管理成本主要是檢測費用、管理費、加固費、養(yǎng)護費，均由橋梁管理單位及實際調(diào)查確定。用戶成本主要是燃油消耗、車損、交通延誤等費用，可從交通仿真軟件中模擬獲得該費用。

3.2 養(yǎng)護初始時間及周期優(yōu)化

參照文獻[4]研究成果，應(yīng)用單指標優(yōu)化模型(5)式，在滿足橋梁壽命周期內(nèi)技術(shù)條件的最小養(yǎng)護成本進行優(yōu)化，優(yōu)化變量為tp1與tp，目標函數(shù)為C(tp1,tp)，邊界條件為技術(shù)約束，且把橋梁限定于高性能2類及1類病害，為確保其最大化的服役時間，壽命周期內(nèi)的預(yù)防養(yǎng)護費用模型為

(5)

D(t)≥80,s.t

(6)

預(yù)防養(yǎng)護最遲開始時間要不小于tp1，t小于T。C(tp1,tp)為橋梁養(yǎng)護總費用，以D(t)為橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)情況，按照不同養(yǎng)護策略所得，T為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命。養(yǎng)護優(yōu)化模型研究可有效提升管養(yǎng)決策的客觀性[3-4]。

4 實證分析

4.1 G311公路混凝土橋梁概況

以G311徐西線沙河橋改造工程為例，此橋始建于20世紀70年代，1998年調(diào)研該橋營運狀況時顯示：沙河橋為瀝青混凝土橋面，車流量日均2.3萬輛，貨車達1.3萬輛，貨車超載率達72%，平均超載量18%左右。按照現(xiàn)場檢查情況，該橋梁狀況總體良好，上部結(jié)構(gòu)存在梁底板刮擦病害，鉸縫外勾縫部分脫落，下部結(jié)構(gòu)部分橋臺銹脹或掉角，橋面系存在伸縮縫破損及車轍、堵塞等病害。

將交通量折損納入技術(shù)狀況評估中，按照公式(1)對其超載系數(shù)進行計算，計算出γex值為0.073，把γex值代入公式(2)，對此橋梁技術(shù)情況進行分層次打分，獲得橋梁狀況評估結(jié)果，結(jié)果顯示橋梁技術(shù)整體得分88.97，為2類橋梁，主要構(gòu)件病害類型超過3類，次要構(gòu)件病害類型超過2類，所以，此橋梁與橋梁病害均滿足預(yù)防性養(yǎng)護的條件。

4.2 預(yù)防養(yǎng)護開始時間預(yù)測

由于橋梁整體狀況得分88.97，類似與不養(yǎng)護情況下第12年的技術(shù)水平，按照公式(3)由橋梁技術(shù)層面明確預(yù)防養(yǎng)護的最佳時機，也就是其最遲開始時間是由現(xiàn)在起的第五年，結(jié)果見圖1。

圖1 橋梁技術(shù)狀況評估結(jié)果圖

4.3 混凝土橋梁預(yù)防防護總費用分析

混凝土橋梁預(yù)防養(yǎng)護總費用主要包括工程量、養(yǎng)護措施、單價等，直接成本8.520 5萬元。因G311徐西線沙河橋梁進入退化期，按照前文公路混凝土橋梁周期性養(yǎng)護成本的最低優(yōu)化的四種養(yǎng)護策略，橋梁預(yù)防養(yǎng)護需要利用策略1和策略2，養(yǎng)護策略中設(shè)計的參數(shù)主要是tp1、tp、tpD、t1和r，而r、t1、tpD均依據(jù)既有統(tǒng)計分析來確定，其值分別為3、3和7，按照周期性養(yǎng)護費用效益的最優(yōu)化確定tp1與tp值。在約束條件限制下，策略2未能得到最優(yōu)化的預(yù)防養(yǎng)護結(jié)果，所以策略1為本橋梁預(yù)防養(yǎng)護的最優(yōu)方案。據(jù)此，2013年，當?shù)亟煌ú块T對G311徐西線沙河橋進行預(yù)防性加固改建，在保證預(yù)防性加固效果的前提下縮減養(yǎng)護經(jīng)費。本研究表明：預(yù)防養(yǎng)護能夠提高橋梁技術(shù)狀況，也能降低其劣化速率。應(yīng)用此養(yǎng)護策略能夠使橋梁于設(shè)計壽命內(nèi)將其從2類橋轉(zhuǎn)為3類橋推遲17年左右。

5 結(jié) 論

通過分析G311徐西線沙河橋梁技術(shù)狀況評估的相關(guān)模型，并以非線性模型預(yù)測橋梁預(yù)防養(yǎng)護最佳時機，且以實證分析驗證了上述模型，并得出如下結(jié)論。

(1)橋梁技術(shù)情況為2類、1類的橋梁能夠滿足預(yù)防養(yǎng)護條件，此類公路混凝土橋梁能夠進行預(yù)防養(yǎng)護。在考慮超載系數(shù)的情況下展開分層評定，確定交通量對橋梁預(yù)防養(yǎng)護病害的影響。(2)非線性退化模型能夠?qū)蛄杭夹g(shù)狀況的退化情況進行合理預(yù)測，從而確定其最佳預(yù)防養(yǎng)護時機。(3)預(yù)防養(yǎng)護能有效降低橋梁技術(shù)下降速率，延遲其退化時間。(4)預(yù)防養(yǎng)護策略及退化模型能夠預(yù)測橋梁預(yù)防養(yǎng)護的最佳時機，并能對其養(yǎng)護成本和總效益進行優(yōu)化。