關(guān)于公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的研究

王濤

（海南省公路管理局陵水公路分局,海南 陵水 572400）

關(guān)于公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的研究

王濤

（海南省公路管理局陵水公路分局,海南 陵水 572400）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人們生活的日益改善，車流量日益增多，公路橋梁的負(fù)荷也日益增大，影響橋梁的長期安全使用，因此加強公路橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)勢在必行，必須重視。主要對公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的必要性、水平的確定、時間的確定、實施等進(jìn)行了探討。該研究具有重要的現(xiàn)實意義，可對橋梁的養(yǎng)護(hù)工作提供參考。

公路橋梁；預(yù)防性；養(yǎng)護(hù)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,對交通運輸提出了更高要求,公路運輸對公路橋梁的通行能力和承載能力的要求也越來越高,而一些舊橋老化、破損等現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,許多舊橋難以適應(yīng)日趨增長的交通量需求。因此必須十分重視公路橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù),使橋梁能長期處于良好狀態(tài),提高公路橋梁的技術(shù)狀況及車輛通行能力,延長公路橋梁的使用年限。

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)就是在還沒有發(fā)生明顯病害之前就進(jìn)行的養(yǎng)護(hù),目的就是防止或減緩病害的發(fā)生,達(dá)到耐久性和延長使用壽命的目的。對已建成的橋梁,其內(nèi)在因素已經(jīng)定型,設(shè)計施工中的缺陷已經(jīng)存在,為了延長其耐久性,就必須針對存在的問題進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

1 公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的必要性

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念的核心在于防患于未然，基礎(chǔ)在于經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。也可以說，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)就是指在橋梁使用狀況衰減的初期，在最適當(dāng)?shù)臅r機應(yīng)用最適當(dāng)?shù)念A(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，以最小的壽命周期成本最大程度地延緩橋的退化。

應(yīng)用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)可以制止微小損壞，延遲進(jìn)程性損壞，減少糾正性養(yǎng)護(hù)。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)需在橋梁出現(xiàn)明顯破壞之前進(jìn)行；而糾正性養(yǎng)護(hù)則是用于道路系統(tǒng)使用功能與結(jié)構(gòu)遭到破壞時，兩者并存于一個全面的橋梁養(yǎng)護(hù)計劃中，并形成科學(xué)的相互關(guān)系。但橋梁養(yǎng)護(hù)的重點應(yīng)放在防止橋梁變化到需要糾正性養(yǎng)護(hù)，因為糾正性養(yǎng)護(hù)所需的費用比預(yù)防性養(yǎng)護(hù)高。

在不同的時間采取不同的養(yǎng)護(hù)措施所需的費用相差是很大的，這就需要確定路況良好時進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和橋梁破壞時進(jìn)行大中修的費用效益關(guān)系。因此，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是對現(xiàn)有橋梁有計劃的、經(jīng)濟(jì)有效的一項維護(hù)工具。以公路工程為例，美國公路管理部門從20世紀(jì)80年代以來，通過對幾十萬千米不同等級道路進(jìn)行跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)道路的使用性能和壽命有一個共同的變化特征：一條質(zhì)量合格的道路，在使用壽命75%的時間內(nèi)性能下降40%，這一階段稱為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段。此階段如不及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在隨后12%的使用壽命時間內(nèi)，性能將再次下降40%，而養(yǎng)護(hù)成本卻要增加3～10倍，這一階段稱為糾正性養(yǎng)護(hù)階段。研究表明采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的橋梁，其效益費用是不采取任何養(yǎng)護(hù)措施的橋梁的6～10倍。根據(jù)SHRP計劃估算，在整個橋梁壽命周期內(nèi)進(jìn)行3～4次的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)可以延長使用壽命10～15年，節(jié)約養(yǎng)護(hù)費用45%～50%。這就是重視預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)意義[1]。然而，目前國內(nèi)橋梁工程所采用的養(yǎng)護(hù)措施更多的是屬于糾正性養(yǎng)護(hù)。因此盡快引進(jìn)國外橋梁養(yǎng)護(hù)管理的先進(jìn)理念，以實際橋梁為應(yīng)用基礎(chǔ)，開展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)問題的研究，這在延緩橋梁使用性能惡化速率、延長其使用壽命，和節(jié)約壽命周期費用等方面具有重要意義。

2 公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平的確定

橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平的確定主要建立在結(jié)構(gòu)失效標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定上。結(jié)構(gòu)工程的失效大致可分為兩大類：結(jié)構(gòu)失效與條件失效。結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致倒塌，而條件失效只是意味著超過了某個預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)水平。條件失效被定義為結(jié)構(gòu)未能滿足最基本的功能要求，例如用最低安全性要求來防止結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的失效通常不是源于結(jié)構(gòu)失效而多半是由于條件失效。因此必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測以便發(fā)現(xiàn)條件失效。

在給定失效標(biāo)準(zhǔn)的情況下，橋梁養(yǎng)護(hù)人員可以對預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平進(jìn)行優(yōu)化。在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)成本與糾正性養(yǎng)護(hù)成本之間找到最佳平衡點。糾正性養(yǎng)護(hù)成本可能包括交通堵塞、繞行、載重量限制和橋梁停用等所造成的損失。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)取決于兩個決策變量：一是檢測率（頻率和精度），二是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平。兩者互相影響，高檢測率允許低預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平（最低到接近失效水平），低檢測率應(yīng)該有比失效水平更高的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平。定期更新模型能夠確定最優(yōu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平（近似的成本最優(yōu)）[2]。定期更新策略遵循如下規(guī)則：如果維修對象未發(fā)生失效，則按照預(yù)先確定的時間間隔進(jìn)行更新；如果發(fā)生失效，則立即實施更新。即以無限時間范圍的期望貼現(xiàn)成本做標(biāo)準(zhǔn)來比較不同的維修決策方案，從而在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)成本跟糾正性養(yǎng)護(hù)成本之間尋求平衡。

結(jié)構(gòu)的維修可以看作是一種離散的更新過程。這里的更新是指為使組件或構(gòu)件恢復(fù)到其初始狀態(tài)或足夠新的狀態(tài)所實施的各種措施。有限時間區(qū)間（0，n）更新期望貼現(xiàn)成本，用 E[K（n，α）]表示，可從以下迭代公式得到：

式中：ci和pi分別表示時間i時一次更新的成本和發(fā)生概率（i=1，2，3，…）；r是貼現(xiàn)率。根據(jù)離散更新理論，無限時間區(qū)間（0，n）更新期望貼現(xiàn)成本可由下式給出：

根據(jù)全壽命（成本）理論，要得到成本最優(yōu)的投資決策，需要在初始投資成本跟未來維修成本之間尋求最優(yōu)平衡。于是無限時間跨度的總支出就等于初始投資成本C0與式（2）所給出的期望貼

公路在役橋梁隨著環(huán)境條件的變化、大量超載車輛的運行、材料隨時間老化等因素的影響，橋梁的承載能力狀態(tài)也在變化并引起一些關(guān)鍵部位的特征參量（如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動、頻率）的變化。測量這些特征參量的變化，并根據(jù)所建立的評定模型或評定標(biāo)準(zhǔn)值來判斷橋梁的運營狀態(tài)及病害原因和程度，并對橋梁的安全給出適應(yīng)的評價，是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作實施的主要內(nèi)容，如圖2所示?，F(xiàn)未來成本之和，使該和最小的投資方案就是最優(yōu)決策[3]。

3 公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時間的確定

假設(shè)橋梁A第i測量位置的定期測量次序分別為 1，2，3，…，n，各次測量值分別為 yi1，yi2，yi3，…，yin，又假設(shè)該測點的典型值為yi0，則可得一比值系列，即Yj=yij/yi0，j=1～n。又設(shè)第j次測量距第1次測量的月數(shù)為 xj，j=1～n，其中，x1=0。將 Yj序列用曲線擬合，可以得到趨勢分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 橋梁狀態(tài)趨勢預(yù)測（指數(shù)曲線擬合）示意圖

依據(jù)最小二乘擬合方程，可以分別確定線性擬合方程、指數(shù)曲線方程和拋物線方程的參數(shù)。待參數(shù)確定后，即可分別確定誤差F，F(xiàn)最小者所對應(yīng)的擬合方程即可認(rèn)作橋梁狀態(tài)發(fā)展趨勢的預(yù)測方程。當(dāng)不容許狀態(tài)的門檻值Y確定后，即可依據(jù)所選定的橋梁狀態(tài)趨勢方程確定達(dá)到門檻值時的時間xf，則距最后一次的檢測時間為xf-xn。根據(jù)橋梁狀態(tài)發(fā)展趨勢的預(yù)測結(jié)果，可適當(dāng)調(diào)整監(jiān)測時間，若發(fā)展較快，應(yīng)縮短兩次監(jiān)測相距時間，若發(fā)展緩慢，可增長兩次監(jiān)測時間。根據(jù)橋梁狀態(tài)趨勢預(yù)測結(jié)果，合理安排維護(hù)時間和內(nèi)容[4]。

4 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的實施

圖2 公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)主要工作示意框圖

橋梁的重要性可分為特別重要、重要、一般三類，受地理位置和橋梁結(jié)構(gòu)的限制，橋梁監(jiān)測的難易程度可分為特難、難、易三類。對于特別重要的橋梁，若不能采用在線監(jiān)測，可將傳感器固定在監(jiān)測點處，用引線引至固定的接線盒處并進(jìn)行標(biāo)記，巡檢時將測量儀器分別與傳感器相接，即可進(jìn)行逐點巡檢。

對于較易監(jiān)測的重要橋梁，若考慮監(jiān)測成本，不需要在每個監(jiān)測部位永久固定傳感器，只是在巡檢時安裝，該點檢測完畢，將傳感器移至下一個監(jiān)測點即可，但在每個監(jiān)測點應(yīng)安裝便于傳感器安裝的附件。對于永久安裝的傳感器和安裝傳感器的附件，要注意安裝可靠性，并具有防水、防銹等功能。對于一般的橋梁，應(yīng)主要以人工視覺觀測為主，在觀測橋梁外觀的情況下，應(yīng)設(shè)置一些重點且固定的觀測部位，從定性和定量等方面進(jìn)行觀測，對于特別重要和重要的橋梁，也要設(shè)置一些人工視覺觀測部位進(jìn)行定性和定量觀測，并進(jìn)行定性評價，并開發(fā)適應(yīng)于公路橋梁安全監(jiān)測與維護(hù)的計算機軟件。

5 結(jié)語

對公路橋梁工程預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究分析具有重要的現(xiàn)實意義。本文首先介紹了公路橋梁開展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的必要性，其次通過定期更新模型來確定最優(yōu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)水平；并根據(jù)最小二乘法進(jìn)行了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)監(jiān)測時間的安排；最后在上述研究基礎(chǔ)上對公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作的實施進(jìn)行了探討，研究內(nèi)容可對橋梁的養(yǎng)護(hù)工作提供參考。

[1]董瑞琨，孫立軍.路面維護(hù)及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效益分析[J].公路，2004，3（3）：25-27.

[2]曹明蘭，黃僑，楊偉軍.基于條件狀態(tài)和基于可靠度的橋梁維修方法的比較研究[J].公路交通科技，2006，23（9）：46-50.

[3]胡善華.淺談橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)及其發(fā)展應(yīng)用[J].華東公路，2010（1）:53-55．

[4]張雅濤.高等級公路加強預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的意義及具體實施建議[J].交通世界，2006（4）：12-14.

U445.7

B

1009-7716（2017）10-0131-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.039

2017-04-20

王濤（1965-），男，海南瓊海人，工程師，從事道路與橋梁施工養(yǎng)護(hù)工作。