高速公路改擴建工程橋梁改造方案探究

■尹棟佳 游德泉 周國華

（1.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，武漢 430051；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

高速公路是中國社會經(jīng)濟發(fā)展的必然產(chǎn)物，中國第一批高速公路大部分分布在國內(nèi)較發(fā)達地區(qū)。隨著迅猛發(fā)展，早期建設的高速公路承載能力日益飽和，服務水平明顯下降。高速公路改擴建工程是在充分考慮資源環(huán)境約束力和承載力的前提下，通過集約利用運輸通道、土地資源和路產(chǎn)資源，以優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)、提高運輸能力、提升服務質(zhì)量為目的的公路建設形式[1]。高速公路的差異性大，而目前高速公路改擴建的工程實踐還相對較少，因此改擴建過程中存在著較多重大技術(shù)問題亟待解決。橋梁改造設計方案是整個項目的控制性因素，對工程建設的影響較大。通過滬渝高速公路漢宜段改擴建前期工作的研究成果，對高速公路改擴建工程既有橋梁技術(shù)狀況評價和設計方案綜合評價問題進行探討，以期為設計同仁提供參考。

1 工程概況

項目起點位于武漢市蔡甸區(qū)與京港澳高速交叉武漢西樞紐互通，途經(jīng)武漢市、漢川市、仙桃市、潛江市、荊州市、宜昌市，論證終點位于與鴉猇高速公路交叉高家店樞紐互通。路線總長約265.6 km，高速公路現(xiàn)狀設計速度分路段為120、100、60 km/h，路基有28.0、24.5、24.0 m 等多種寬度。雙向四車道通行，改擴建完成后，將達到路基寬度42.0 m，設計速度120 km/h，雙向八車道技術(shù)標準。

改擴建工程現(xiàn)狀主線共設置橋梁598 座，其中4198 m/12 座，中橋2231 m/44 座，小橋2840 m/180 座，通道橋362 座。橋梁年檢顯示，全線1 類橋梁149 座，占比24.9%，2 類橋梁449 座，占比75.1%。本項目的特點是橋涵數(shù)量眾多，現(xiàn)狀橋涵以中小橋/通道為主。改擴建設計將進行專項橋梁檢測，科學的檢測評定方式和改造建設方案綜合評價對建設方案的影響巨大。

2 既有橋涵技術(shù)狀況評價

既有橋涵技術(shù)狀況評定主要依據(jù)是《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11-2004）和《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG TH21-2011），采用分層綜合評定法對橋梁主體構(gòu)件進行分項評定后，對橋梁總體技術(shù)狀況進行評定分級。構(gòu)件技術(shù)狀況評分計算如式（1）所示。

式（1）中：MCIl為構(gòu)件（上構(gòu)、下構(gòu)、橋面系）第類構(gòu)件構(gòu)件的得分，值域為0～100 分；k 為第類部件構(gòu)件出現(xiàn)扣分的指標的種類數(shù)；U、x 為引入的變量。

《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（下稱 《評定標準》）是為橋梁養(yǎng)護決策提供依據(jù)，與改擴建工程的側(cè)重點不同，適用標準需要進一步探討和優(yōu)化。（1）既有橋梁檢測和評價是橋梁改擴建設計的基礎。改擴建工程與橋梁日常養(yǎng)護各有側(cè)重，《評定標準》將結(jié)構(gòu)性病害與非結(jié)構(gòu)性病害進行分層綜合評價，表觀病害與結(jié)構(gòu)病害對評分有同等影響；而改擴建工程更注重橋涵結(jié)構(gòu)能否滿足安全運營需求，滿足改擴建后一段時間內(nèi)的承載能力和正常使用可靠度水平[2]。（2）剩余使用壽命是評價橋梁改擴建的重要指標，是改擴建工程中評定橋梁改造方案的重要方面，對衡量方案經(jīng)濟性影響較大。（3）平原區(qū)高速公路以中小橋涵為主，數(shù)量眾多但類型相對單一，病害存在規(guī)律性?！对u定標準》針對橋涵單體做出逐個評定，具有局限性；而改擴建工程需要對病害進行統(tǒng)計分類，整理出常見病害及個別病害，從而分析病害產(chǎn)生的主要原因。（4）高速公路橋梁養(yǎng)護較多，部分橋梁進行加固維修，對原有病害進行了掩蓋，《評定標準》對于加固維修后的構(gòu)件評分沒有明確規(guī)定，檢測評定分數(shù)偏高，導致結(jié)果失真。

根據(jù)現(xiàn)場專項檢測結(jié)果和實地勘察情況，對評定結(jié)果提出如下改進措施：（1）根據(jù)改擴建項目的這一特點，將病害評價權(quán)重分成兩類。一類是結(jié)構(gòu)性裂縫、跨中撓度、結(jié)構(gòu)變位等涉及結(jié)構(gòu)安全的結(jié)構(gòu)性病害，另一類是蜂窩麻面、剝落掉角等易修復性的耐久性病害。評定時先進行第一類病害技術(shù)評價，以確定結(jié)構(gòu)的安全性能，當結(jié)構(gòu)評分達到設定的下限值時，即判定為不宜利用；（2）混凝土碳化和鋼筋腐蝕是影響橋梁耐久性和使用壽命的重要因素，項目提出結(jié)合混凝土強度、碳化深度、鋼筋銹蝕等指標判斷結(jié)構(gòu)耐久性，當結(jié)構(gòu)無明顯的結(jié)構(gòu)性病害，且耐久性良好時，第二類病害結(jié)果才可作為正常養(yǎng)護利用的依據(jù)；（3）對橋梁結(jié)構(gòu)病害進行分類匯總，結(jié)合結(jié)構(gòu)驗算成果，分析病害主因。橋梁檢測結(jié)果提供了海量的病害數(shù)據(jù)，不同孔跨、跨徑的橋梁因構(gòu)件數(shù)量不同、單項病害種類不同等因素，得出的技術(shù)狀況評分易出現(xiàn)倒置情況，如部分橋梁病害較嚴重，但因構(gòu)件較多、病害類型少等導致得分較高情況。為解決這類問題，將同跨徑同類型橋梁病害進行分類整理，尋找出共性病害和差異性病害，繪制結(jié)構(gòu)病害分布圖，分析不同部位的病害頻次和嚴重程度。建立結(jié)構(gòu)模型驗算，相互印證病害產(chǎn)生因素。（4）加固維修橋梁病害根據(jù)加固構(gòu)件破壞的危害后果重新定級。以項目中20 m 普通鋼筋混凝土T 梁為例，大部分采用鋼板或碳纖維布對梁腹板和底板進行加固（圖1），結(jié)構(gòu)耐久性比健康橋梁相差很多。技術(shù)狀況根據(jù)現(xiàn)有病害情況進行評定，不能反映真實的梁體健康程度。鑒于此，將進行過承載能力加固的橋梁狀況等級自動遞減一級，以原設計標準進行承載能力檢測計算。表觀病害修復的構(gòu)件計入原病害情況，對評定分數(shù)進行扣減，糾正加固橋梁的評定分值偏高的問題。

圖1 20 m 鋼筋混凝土T 梁加固實景

3 既有橋梁改造方案綜合評價體系

既有橋梁檢測與評價是橋梁改擴建設計的重要基礎，改造方案綜合評價體系則是在此基礎上更深入的研究，綜合考慮橋梁既有狀態(tài)、可行性、經(jīng)濟性、耐久性、施工難度、環(huán)境影響等諸多方面，難以用確定的數(shù)學模型加以量化，是橋梁改擴建方案的難點之一。模糊數(shù)學為多因素模糊評價問題提供有力工具，通過模糊變換原理和最大隸屬度原則，從而對看來相當復雜的模糊系統(tǒng)進行定量的描述和處理，形成更加有效和有效率的決策。以專家調(diào)查法和層次分析法為基礎，建立模糊綜合評價體系，力求建立較為全面、科學、準確的橋梁改擴建方案[3]。

橋梁改擴建方案主要分三類：直接利用，加固利用或拆除重建。影響橋梁改擴建方案的因素眾多（圖2），為方便操作，指導實踐，選取橋梁既有狀態(tài)（安全性）、方案造價（經(jīng)濟性）、施工難易程度（可操作性）、對保通影響（建設協(xié)調(diào)性）、剩余使用壽命（耐久性）等5 項主要因素作為方案優(yōu)劣的評價指標，將問題簡化為一級模糊綜合評價模型。

圖2 橋梁改擴建方案綜合評價指標

基于一級模糊理論評價指標體系分析步驟如下：（1）以選取的方案評價五項主要影響因素建立評價子目標集：U=（u1，u2，…，un），即U=（安全性，經(jīng)濟性，可操作性，建設協(xié)調(diào)性，耐久性）；（2）由于每個指標的評價值的不同，往往會形成不同的等級，根據(jù)檢測結(jié)果及方案優(yōu)劣分成：好D1=[0.8,1）、較好D2=[0.6,0.8）、一般D3=[0.4,0.6）、較差D4=[0.2,0.4）、差D5=[0,0.2），共5 個等級，對應評價體系計算的分值形成評級集：V=（v1，v2，…，vn）；（3）根據(jù)層次分析法建立評價目標權(quán)重分配集：wi=（wi1，wi2，…，wik）；i=1，2，…，k。各評價目標權(quán)重分配根據(jù)評價體系的側(cè)重點進行分配，wi=（0.25，0.25，0.2，0.15，0.15）。同時引入安全性一票否決制，即當安全性評價分值低于0.4 分時，即安全性評定為較差或差等級時，其余各項評分為0，采取拆除重建方案；（4）請數(shù)個專家對各指標通過方案研究進行評價，按照九級標度法對影響因素進行評分。各位專家對每個設計方案的5 項指標獨立進行評分，評分標準為0.1～0.9 分9 個標度，對應評價集中的5 個優(yōu)劣等級及中間判斷狀態(tài)。以平均得分作為指標的最終得分，得到評價模糊矩陣：

4 綜合評價體系應用實例

以東荊河大橋為例，東荊河大橋全長730 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用30 m 和40 m 預應力T 梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩和柱式橋臺。經(jīng)橋梁專項檢測，按照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/TH21-2011）中的評定方法，全橋得分81.43，評定為二類橋梁。

圖3 東荊河大橋現(xiàn)狀

制定兩側(cè)拼寬、分離拼寬、拆除重建3 種建設方案，邀請5 位技術(shù)專家對橋梁方案的評價子目標集進行打分，以評分均值作為子項得分。以兩側(cè)方案的經(jīng)濟性指標為例，專家評分分別為0.8、0.9、0.8、0.9、0.9，平均得分為0.86，即R12=0.86。以此類推，得到評價模糊矩陣：

式（3）中，每行分別代表3 個方案，每列分別代表1 項評價子目標的平均評分值。可知：

即兩側(cè)拼寬、分離拼寬、拆除重建的綜合評價分值分別為0.734、0.770 和0.704，由此得知，第二種方案分離拼寬優(yōu)于其他兩種方案，確定為設計推薦方案。通過模糊理論評價使方案優(yōu)劣能夠定量分析，從而得到較為科學的評定結(jié)論。

5 結(jié)語

（1）高速公路改擴建工程遠比新建工程復雜，橋梁改擴建方案是工程建設重要的控制因素，應重視頂層設計。（2）既有橋梁技術(shù)狀況評價和以指導養(yǎng)護為目的的規(guī)范之間的目標存在較大的差異，現(xiàn)有橋涵技術(shù)狀況評定標準需要在實踐中給予修正。（3）改造方案的綜合評價體系受到多因素影響，定性分析往往不能正確決策，基于模糊數(shù)學的定量分析方法提供了研究方向。