公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略

張昊偉

（天津市公路事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300000）

0 引言

在現(xiàn)代公路橋梁領(lǐng)域，主要存在兩種養(yǎng)護(hù)方案，一種為矯正性養(yǎng)護(hù)，即路橋使用過程中出現(xiàn)病害后，管理單位針對病害的情況予以處理，以保證路橋能夠正常使用。采用這種養(yǎng)護(hù)方案，表明路橋已經(jīng)出現(xiàn)病害，對路橋的功能與使用造成了一定影響，進(jìn)行病害處理需要投入較高的成本，不符合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展要求。另一種為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，即在路橋工程設(shè)計(jì)、建造周期內(nèi)，在未出現(xiàn)嚴(yán)重病害前采取有效的方式對路橋進(jìn)行處理，以降低路橋出現(xiàn)病害的概率，從而延長路橋使用壽命。

1 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)病害的確定

在相關(guān)規(guī)定中，針對橋梁的具體情況，將其技術(shù)狀況劃分成5 個(gè)等級，分別為：1 級，表示無損傷，橋梁功能完善；2 級，表示輕微損傷，對橋梁無干擾；3 級，表示中等損傷，對橋梁使用造成較小的干擾；4 級，表示大損傷，對橋梁使用帶來嚴(yán)重干擾；5 級，表示嚴(yán)重?fù)p傷，橋梁無法正常使用，存在較大的坍塌風(fēng)險(xiǎn)[1]。其中，出現(xiàn)3 級以上的技術(shù)狀況后，需要對橋梁進(jìn)行修復(fù)，因而在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方面，僅涉及1 級與2 級技術(shù)狀況的橋梁。因此，認(rèn)為主要構(gòu)件病害低于3 級，一般構(gòu)件病害低于2 級就要進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況評估時(shí)，需要采用超載系數(shù)分析交通量的折損情況，采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

以此可獲得橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)，如公式（2）所示：

式（2）中：WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl表示橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及橋面部件l 的得分，數(shù)值在0～100 區(qū)間內(nèi)；Ux表示修正量，根據(jù)指標(biāo)扣分情況設(shè)置。

以上述公式為基礎(chǔ)，結(jié)合層次分析的方法，即可推導(dǎo)出基于交通量的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)病害范圍，主要包括：

一是根據(jù)病害類型，結(jié)合其嚴(yán)重程度、位置等信息，能夠得到WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl。

二是假設(shè)在橋梁當(dāng)中，除了構(gòu)件l，其余所有構(gòu)件都是 100 分，可推導(dǎo)出技術(shù)狀況評分WPCCIi、WBCCIi與WDCCIi。

三是根據(jù)推導(dǎo)出來各構(gòu)件的技術(shù)狀況評分，結(jié)合這些構(gòu)件所處位置，可推導(dǎo)出各結(jié)構(gòu)的評分，即WSPCI、WSBCI與WBDCI。

四是根據(jù)各結(jié)構(gòu)的評分，能夠推導(dǎo)出整個(gè)橋梁的技術(shù)狀況評分，即Dr。

五是當(dāng)Dr=1 或2 時(shí)，表明其屬于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)病害。

按照上述公式與流程分析，即可確定最終的養(yǎng)護(hù)性預(yù)防病害，如表1 所示[2]。

表1 預(yù)防性病害表

2 橋梁技術(shù)狀況預(yù)測

2.1 構(gòu)建技術(shù)狀況退化模型

橋梁技術(shù)狀況與很多因素有關(guān)，如溫度、使用時(shí)間、橋梁自身情況等，因而其退化模型屬于非線性模型[3]。針對橋梁技術(shù)狀況的實(shí)際情況，可將其劃分成兩個(gè)階段，并分別構(gòu)建出兩個(gè)階段的數(shù)學(xué)模型，具體如公式（3）所示：

式（3）中：D()t表示技術(shù)狀況模型，為時(shí)間t函數(shù)；t1表示開始出現(xiàn)退化的時(shí)間，設(shè)定成4；D0表示剛剛開始出現(xiàn)退化時(shí)的技術(shù)狀況參數(shù)，設(shè)定成95；α表示退化速率，設(shè)定成0.55；β表示外界干擾系數(shù)，設(shè)定成0.0025。

通過計(jì)算后，能夠得到橋梁技術(shù)狀況退化結(jié)果，如表2 所示。通過對表2 的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在自然情況下，橋梁使用11 年時(shí)，退化評分將降低到90 以下，屬于2 級橋梁；使用時(shí)間達(dá)到15 年時(shí)，退化評分降低到85 分以下，屬于2 級橋梁；使用時(shí)間達(dá)到17 年時(shí)，退化評分降低到80 分，屬于2 級橋梁。所以，在橋梁施工過程中，應(yīng)將預(yù)防性養(yǎng)護(hù)控制在第16 年以前。

表2 技術(shù)狀況退化結(jié)果表

2.2 基于不同預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略的橋梁技術(shù)狀況評估

該研究共設(shè)計(jì)4 種養(yǎng)護(hù)策略：

第一，無初始退化無養(yǎng)護(hù)，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔小于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)橋梁技術(shù)狀況出現(xiàn)退化后，才對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)后，橋梁技術(shù)狀況明顯改善，假設(shè)改善值為γ；之后，以養(yǎng)護(hù)后的技術(shù)狀態(tài)為基準(zhǔn)，利用上述公式（3）所述模型，再次對橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行預(yù)測，因養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔較短，處于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間以內(nèi)，因而在養(yǎng)護(hù)后，技術(shù)退化規(guī)律無改變[3]。

第二，無初始退化無養(yǎng)護(hù)，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔大于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)橋梁技術(shù)狀況出現(xiàn)退化后，才對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)后，橋梁技術(shù)狀況明顯改善，假設(shè)改善值為γ。之后，以養(yǎng)護(hù)后的技術(shù)狀態(tài)為基準(zhǔn)，利用上述公式（3）所述模型，再次對橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行預(yù)測。因養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔較長，處于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間以外，因而在養(yǎng)護(hù)后，技術(shù)退化規(guī)律出現(xiàn)改變。也就是說，處于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，利用每次養(yǎng)護(hù)后的參數(shù)當(dāng)作初始值，反復(fù)利用公式（3）進(jìn)行運(yùn)算，若得到的結(jié)果處于持續(xù)時(shí)間之外，則以無養(yǎng)護(hù)為條件，按照相應(yīng)的退化率退化[4]。

第三，無初始退化已養(yǎng)護(hù)，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔小于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間。對于養(yǎng)護(hù)來說，處于橋梁技術(shù)狀況出現(xiàn)退化前，可以是1 次，也可以是多次。養(yǎng)護(hù)后，技術(shù)狀況基本不變，依然處于初始水平。因間隔較短，處于持續(xù)時(shí)間以內(nèi)，若出現(xiàn)退化后，再進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其變化情況與第一種策略基本一致。

第四，無初始退化已養(yǎng)護(hù)，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔大于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間。對于養(yǎng)護(hù)來說，處于橋梁技術(shù)狀況出現(xiàn)退化前，可以是1 次，也可以是多次。養(yǎng)護(hù)后，技術(shù)狀況基本不變，依然處于初始水平。因間隔較長，處于持續(xù)時(shí)間以外，若出現(xiàn)退化后，再進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其變化情況與第二種策略基本一致。

3 全生命周期內(nèi)橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的選擇

3.1 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)成本

進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，時(shí)機(jī)選擇至關(guān)重要，過晚不能起到預(yù)防性的目的，過早則會(huì)造成資金浪費(fèi)。所以，在做預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略選擇時(shí)，應(yīng)以投入成本最低原則為基礎(chǔ)，確定最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。通過大量實(shí)踐可知，在進(jìn)行橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)，成本主要與三個(gè)方面有關(guān)：

一是管理單位成本CM，這屬于直接成本，如橋梁使用時(shí)的運(yùn)維成本、加固成本等，可從橋梁管理機(jī)構(gòu)查詢相關(guān)資料獲取。

二是用戶成本CU，這屬于間接成本，如車輛行駛時(shí)的損耗成本、交通延誤成本等，可以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，利用相應(yīng)的仿真系統(tǒng)推導(dǎo)而得。

三是社會(huì)成本CS，如環(huán)境保護(hù)成本、事故傷亡成本等，與用戶成本基本相同，可利用相應(yīng)的仿真系統(tǒng)推導(dǎo)而得[5]。

3.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間與周期

養(yǎng)護(hù)時(shí)間與周期的確定，應(yīng)以單指標(biāo)模型為基礎(chǔ)，以橋梁全壽命周期內(nèi)符合技術(shù)狀況條件下的最低養(yǎng)護(hù)成本為目標(biāo)，構(gòu)建養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)分析模型，具體如公式（4）～式（5）所示：

式（4）～式（5）中：C(tpl,tp)表示總成本；D(t)表示技術(shù)狀況水平；T表示橋梁設(shè)計(jì)的壽命值[6]。

4 案例分析

4.1 案例概況

某公路工程于1992 年投入使用，其中，上部結(jié)構(gòu)采用的是混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)采用的是樁柱式橋臺(tái)，橋面為瀝青混凝土路面。公路投入使用后，日均車流量為25000 輛，其中，貨車約12000 輛，有85%的貨車存在超載的問題，超載量在20%左右。通過檢查發(fā)現(xiàn)，該橋梁整體狀態(tài)良好，僅有一些輕微的病害：梁底板略有刮痕，橋臺(tái)輕微掉角與銹脹，橋面車轍破損等。通過技術(shù)狀況退化計(jì)算后，可以得到表3 所示結(jié)果。

表3 某公路工程技術(shù)狀況退化計(jì)算結(jié)果

通過對表3 的分析可得，在總體方面，技術(shù)狀況得分為89.79，處于3 級范圍內(nèi)，主要構(gòu)件病害為3 級，一般構(gòu)件病害為2 級，可對其進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

4.2 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)間預(yù)測

由上述技術(shù)狀況可以預(yù)測，該公路處于無養(yǎng)護(hù)條件、路橋工程使用11 年時(shí)的技術(shù)水平，因而在預(yù)防時(shí)間方面，選擇的是從當(dāng)前開始的第5 年。

4.3 效益分析

以上述預(yù)防時(shí)間為基準(zhǔn)，分別對4 種養(yǎng)護(hù)策略進(jìn)行分析可知，相對于前兩種方案，后兩種方案更復(fù)雜，所需要的成本明顯更高，因而直接將其忽略。采用方案1，進(jìn)行首次預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)，于2019 年起的第4 年開始，也就是說tpl=4a（2023 年），tp=7a，由此表明，在橋梁規(guī)定的生命周期內(nèi)，開展3 次養(yǎng)護(hù)即可。采用方案2 時(shí)，當(dāng)橋梁使用到2035 年，其技術(shù)狀況將會(huì)明顯降低，低于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的要求，即便后續(xù)再進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，2040 年后，橋梁技術(shù)狀態(tài)也會(huì)下降到規(guī)定值之下。所以，該公路應(yīng)采用第1 種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案。

5 結(jié)語

綜上所述，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是現(xiàn)代公路橋梁管理中的重要工作之一，這項(xiàng)工作的開展情況直接關(guān)系到整個(gè)公路橋梁的后續(xù)使用效果。為了更好地使用公路橋梁，應(yīng)對其技術(shù)狀況進(jìn)行評估，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合養(yǎng)護(hù)成本最低化原則，確定最佳的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案，以延緩公路技術(shù)狀況等級的下降，確保其在設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)發(fā)揮出應(yīng)有的作用。