跨海斜拉橋結構退化分析及預養護時機選擇

徐懋剛

（寧波交通工程建設集團有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

橋梁結構預防性養護是定期的強制性保養、維修措施，是在橋梁尚未發生明顯結構性病害之前就進行的養護，以將病害處理在萌芽狀態，防止或延緩病害的發生，達到增強橋梁結構耐久性和延長使用壽命的目的。橋梁預防性養護可以通過橋梁的各種檢測程序，定期掌握橋梁技術狀況，及時發現結構的缺陷與病害，采取相應的養護措施，以改善橋梁的總體功能狀況、保持或提升橋梁服務水平。預防性養護時機選擇是預防性養護研究非常重要的內容，預防性養護的經濟效益主要由采取預防性養護的時機決定。時機選擇作為預防性養護研究的一個重要環節，必須和評價指標標準和性能退化模型相結合，最終服務于工程實踐。但是目前的研究成果大多僅僅提出養護措施時機選擇的理論方法，未能系統性應用全部預防性養護研究成果，也難以與真實的橋梁退化情況相匹配。目前，橋梁預防性養護還只是一個概念，尚未形成系統的理論框架和技術規范。本文以象山港大橋為研究對象，首先建立跨海鋼箱梁斜拉橋預防性養護的病害評分模型及預養護目標，然后在分析跨海鋼箱梁斜拉橋預養護病害的退化規律的基礎上，確定該類橋梁進行預防性養護的最佳時機。

1 病害評分模型

橋梁性能與狀態指標在橋梁預防性養護體系中占有非常重要的地位。評價指標的合理與否決定橋梁退化模型和橋梁養護時機選擇模型的合理程度，從而影響養護體系的實施效果。預防性養護研究的使用性能評價指標的選擇應注重三方面內容：一是選取的指標能夠表征橋梁的現有狀況，使得主觀評價與客觀實際最大的逼近，能夠最準確的反映客觀實際；二是評判此性能評價指標的標準明確、直觀、可靠，可以通過指標準確地評價橋梁所處狀態，為養護部門確定養護計劃提供依據；三是此指標適用于預防性養護體系，根據此指標可衡量預防性養護措施效益，確定措施實施時機。目前橋梁預防性養護體系多采用橋梁“技術狀況評分”D r或“技術狀況指數”B C I作為橋梁使用性能評價指標。D r或B C I反映的是橋梁整體技術狀況的退化規律，不能反映橋梁不同部件、不同病害的演變時程。而同一座橋梁不同部件、構件或不同病害的退化程度和速度不盡相同，所以獲得不同病害的評分模型更有助于預防性養護策略的建立。在《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）、《城市橋梁養護技術規范》（CJJ 99—2003）中，通過現場檢查可以對橋梁總體、上部結構、下部結構及橋面系三大部位等部件分別進行打分評定，而對具體病害則是以檢測指標的“標度”值進行評定。這里根據規范的評定細則，分析獲得類似橋梁總體評定的百分制的病害評定值。每個病害對應一個或多個檢測指標，而根據規范每個檢測指標的扣分值與該指標所能達到的最高等級類別有關，病害的評分值又與相關的構件數有關。舉例說明病害評分過程如下[1]。

假定構件數量為N，某個病害的評定標度值為xi（i=1～N），此類病害的構件數占比為β（1/N≤β≤1，反映該構件出現此類病害的比例）。根據規范，可以查得該病害評定標度所對應的扣分值DPi，然后仿照橋梁部件技術狀況評分算式可以計算該病害的評分值V：

式中：MDP為N個構件該類病害評分的平均值，即MDP=100-DPi×β；Mmin為N個構件中分值最低的構件的得分值，；t為規范中的與N有關的系數。

對于某類病害對應多個檢測指標的病害，其評分值V的計算過程與上面相似，只是在計算時對多個指標扣分值進行平均。通過式（1），一旦確定某類病害預防性養護的目標，即可據此確定此類病害達到何種嚴重程度時即可進行預防性養護。

2 病害預防性養護的時機選擇

（1）預防性養護的目標

預防性養護的效果與采取預防性養護措施時橋梁結構狀態有關，及早對橋梁實施預防性養護，可使橋梁長期處于較好的狀態，避免橋梁結構因退化嚴重而產生過大的維護費用，當然過早實施預防性養護可能達不到成本—效益最優化的目的，因此需要解決兩個問題，即：橋梁最低控制分數；預防性養護初次開展時間的合理范圍?！豆窐蛄杭夹g狀況評定標準》的橋梁技術狀況分類表明：結構分數為[80，100]（橋梁處于1類橋、2類橋狀態）時，橋梁結構處于較好的工作狀況，做好日常必要的維護即可；結構分數為 [60，80）（3類橋）時，結構盡管存在一定病害，但功能尚可，通過中小規模的維修即能將結構狀態提升至1類橋或2類橋；結構分數為[0，60）（4 類橋、5 類橋）時，橋梁結構存在較大或嚴重的病害，對結構的安全性及耐久性有很大影響，往往需要通過大中修、甚至改建才能將結構恢復到較好的水平，并將付出較大的維護成本。比較后認為將預防性養護中橋梁的最低控制分數定為60是合理的，即橋梁結構的總體狀態控制為不低于3類橋，避免橋梁出現過大的結構病害；結構的預防性養護的初次開展時間控制在80分左右是合適的，即結構尚處在2類橋時就可根據病害特點開展預防性養護工作，這使得結構的維護費用較少，比較經濟。具體到某一類病害，則需要考慮病害的成因、對結構的影響及所采用的預防性養護方法等方面，綜合確定預防性養護的開展時機。

（2）預防性養護對結構狀態的影響

預防性養護實施效果將影響預防性養護的策略制定，需對預防性養護實施后結構性能變化及發展趨勢進行評價，預防性養護方法實施后對結構的影響可分三種情況：不提高橋梁分數，延遲分數降低的時間，該時段內不再繼續退化，見圖1（a）；不提高橋梁分數，降低結構退化率，在固定時間內，退化率小于正常退化時結構的退化率，見圖1（b）；提高橋梁分數，退化率保持不變，仍按原退化規律發展，見圖1（c）。針對上述3種情況具體來說包括以下3方面內容：確定延遲分數降低的時間（如：防腐涂裝失效時間）；確定結構退化率的變化（如：鋼筋銹蝕維修后實際銹蝕速度）；確定結構分數的提高值（如：構件連接缺陷修復后結構分數提高多少）。

圖1 不同預防性養護方法的實施效果

（3）初次預防性養護時間

由于橋梁病害的成因不同，不同病害對結構的影響不同，不同病害所采取的預防性養護方式也不同，一般橋梁預防性養護實施有兩種方式：方式1：根據橋梁的總體技術狀況，在相同時間對橋梁不同病害實施預防性養護處理，在某些年份（比如t1、t2）統一對全部病害進行預防性養護工作。這一方式以對結構影響最重要（或權重最大）的病害作為預防性養護工作開展時機的依據，操作實施相對簡單；缺點是由于不同病害的機理及表現形式不同，且預防性養護實施的效果也不同，采用全橋統一的預防性養護時機勢必會因遷就某些病害而將其余病害的預防性養護時間提前或延后，使得預防性養護成本顯著提高。為了提高資金的使用效率，可考慮下面的方法：方式2：預防性養護工作的開展針對具體病害，對不同的病害提出不同的預防性養護時機并分別實施。方式2彌補了方式1的不足，使得預防性養護工作有的放矢；此外由于不同病害的預防性養護開展時間不同，可將預防性實施過程分散在橋梁的日常性養護工作的中。這里對象山港大橋主橋斜拉橋預防性養護的實施是以方式2作為依據來展開的。

3 跨海斜拉橋預養護時機

跨海斜拉橋預防性養護包括日常的周期性預養護和基于結構狀態的矯正性預養護兩個方面，日常的周期性預養護主要依據《公路橋涵養護規范》（JTG H11-2004）[2]、《城市橋梁養護技術規范》（CJJ99-2003）[3]以及美歐相關公路橋梁實施指南等技術文件，基于結構狀態的矯正性預養護主要依據前文研究結果。依據資料調研及相關研究結果，可歸納出跨海斜拉橋跨海斜拉橋預防性養護時機見表1。

表1 跨海斜拉橋預防性養護時機

續表1 跨海斜拉橋預防性養護時機

4 結論

（1）通過資料調研整理，結合實橋檢測，疏理給出了跨海鋼箱梁斜拉橋預防性養護的病害評分模型及預養護目標。

（2）依據跨海鋼箱梁斜拉橋預防性養護病害發展過程，給出了跨海鋼箱梁斜拉橋預防性養護的最佳時機。