技術(shù)和數(shù)據(jù)是長(zhǎng)大橋梁管養(yǎng)的未來(lái)

文/圖

長(zhǎng)大橋梁面臨的管養(yǎng)挑戰(zhàn)

我國(guó)長(zhǎng)大橋梁數(shù)量多，超大跨徑橋梁管養(yǎng)難度大。中國(guó)改革開放四十多年來(lái)，交通事業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。截至2018年底，高速公路通車?yán)锍踢_(dá)14.26萬(wàn)公里，其中特大橋超過(guò)3000座，大橋超過(guò)54000座。橋梁的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)是公路安全可靠運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵一環(huán)，以科學(xué)合理的投入確保橋梁安全服役、可靠耐久是橋梁養(yǎng)護(hù)的核心問(wèn)題。巨大的存量規(guī)模帶來(lái)了管養(yǎng)壓力，同時(shí)也給超大跨徑橋梁帶來(lái)了管養(yǎng)難度。

特大橋（座）（長(zhǎng)度1000米或跨徑150米）

大橋（座）（長(zhǎng)度百米以上、千米以下或跨徑40米以上、150米以下）

橋型種類多，技術(shù)復(fù)雜，不同的橋型適用不同的建設(shè)條件。同時(shí)新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷發(fā)展與進(jìn)步，邁向橋梁建設(shè)強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)等，都對(duì)橋梁管養(yǎng)技術(shù)進(jìn)步提出了更高的要求。

構(gòu)件類型多，檢測(cè)評(píng)定與維護(hù)決策面臨挑戰(zhàn)。橋梁種類各異且構(gòu)件類型繁多，使用功能、工作條件、材料類型、重要程度等各異，檢測(cè)、評(píng)估、維護(hù)等技術(shù)各不相同。也正是這些原因，橋梁的技術(shù)狀態(tài)很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的分?jǐn)?shù)來(lái)衡量，整座橋梁的準(zhǔn)確評(píng)估難度較大，也很難對(duì)未來(lái)的技術(shù)狀態(tài)發(fā)展做出科學(xué)預(yù)測(cè)，由此，養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策面臨挑戰(zhàn)。

大跨徑橋梁檢測(cè)盲區(qū)多，難以精準(zhǔn)掌握技術(shù)狀態(tài)。大跨徑橋梁可能存在較多的檢測(cè)盲區(qū)或者難度較大的檢測(cè)區(qū)域，例如：隱蔽、深埋、高聳、包裹等情況，甚至存在不可更換、不可探測(cè)且難以確保百年服役壽命的特殊情況，很難精確把握構(gòu)件及整橋技術(shù)狀態(tài)。

數(shù)據(jù)歸集困難，價(jià)值低，評(píng)估難度大。我們總是希望基于更多的數(shù)據(jù)獲得橋梁技術(shù)狀態(tài)演變的規(guī)律，也存在各種各樣獲取數(shù)據(jù)的渠道，但總體上存在難以獲得、難以理解、歸集困難、大量錯(cuò)誤和價(jià)值偏低的問(wèn)題，這給進(jìn)一步的評(píng)估和決策帶來(lái)了困難。在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)有效積累、數(shù)據(jù)管理和價(jià)值挖掘方面仍有大量工作要做。

另外，行業(yè)在建養(yǎng)銜接上尚有短板，建養(yǎng)一盤棋、全壽命周期的總體考慮還不充分。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)缺少全面的“養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)”，建設(shè)環(huán)節(jié)缺少對(duì)后期運(yùn)維的統(tǒng)籌考慮。一座大橋能否以合理的管養(yǎng)安全服役百年，很大程度是設(shè)計(jì)建造階段的“基因”決定的。

綜上所述，長(zhǎng)大橋梁在管養(yǎng)中面臨特殊而又突出的難題，針對(duì)這些問(wèn)題，以下簡(jiǎn)單介紹管養(yǎng)政策、檢測(cè)手段、評(píng)估決策三個(gè)方面的應(yīng)對(duì)措施。

政策上的應(yīng)對(duì)措施

在制度層面，長(zhǎng)大橋梁執(zhí)行的管養(yǎng)制度分為三個(gè)層級(jí)：第一個(gè)層級(jí)是交通運(yùn)輸部頒布實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；第二個(gè)層級(jí)是各省份交通主管部門根據(jù)自身情況，在滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實(shí)施的地方標(biāo)準(zhǔn)；第三個(gè)層級(jí)是長(zhǎng)大橋梁管養(yǎng)單位制定的標(biāo)準(zhǔn)，是結(jié)合自身需求制定的相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中，第二個(gè)層級(jí)主要是江蘇、浙江、廣東等交通較為發(fā)達(dá)、長(zhǎng)大橋梁管養(yǎng)壓力較大的區(qū)域編制的地方標(biāo)準(zhǔn)；第三個(gè)層級(jí)主要是特色管養(yǎng)單位例如杭州灣跨海大橋、江陰長(zhǎng)江大橋等編制的企業(yè)級(jí)管養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層面，從2004年開始，《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》頒布實(shí)施，《規(guī)范》將橋梁作為重點(diǎn)養(yǎng)護(hù)對(duì)象從公路養(yǎng)護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中獨(dú)立出來(lái)。后續(xù)又發(fā)布實(shí)施了《公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作制度》《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理的若干意見》《公路長(zhǎng)大橋隧養(yǎng)護(hù)管理和安全運(yùn)行若干規(guī)定》等相關(guān)制度標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展完善了長(zhǎng)大橋梁管養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。

為了督促制度落實(shí)，同時(shí)加強(qiáng)行業(yè)技術(shù)指導(dǎo)，自2011年起，由交通運(yùn)輸部組織實(shí)施全國(guó)干線公路養(yǎng)護(hù)管理大檢查（簡(jiǎn)稱“國(guó)檢”）制度，每年從全國(guó)抽查40座橋梁，檢查內(nèi)容包括橋梁的技術(shù)狀態(tài)和各項(xiàng)管理制度的落實(shí)情況。自“國(guó)檢”以來(lái)，全國(guó)橋梁垮塌事故明顯降低，各省橋梁規(guī)范化管養(yǎng)水平逐步提升，相應(yīng)也促進(jìn)了長(zhǎng)大橋梁管養(yǎng)技術(shù)和規(guī)范化程度的提升。

幾種常用的檢測(cè)技術(shù)與手段

實(shí)施“國(guó)檢”制度后的橋梁垮塌事故發(fā)生率曲線示意

檢測(cè)是獲得結(jié)構(gòu)狀態(tài)最直接有效的手段，針對(duì)不同的目的有不同的檢測(cè)技術(shù)和手段，也催生了大量的高科技裝備，但最普遍常見的仍是借助簡(jiǎn)單工具的目視檢測(cè)。隨著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度的提高、數(shù)據(jù)管理技術(shù)的不斷進(jìn)步，病害及狀態(tài)的時(shí)間軸變化將發(fā)揮更大的價(jià)值，目視檢測(cè)也會(huì)更加重要。這里簡(jiǎn)單介紹幾種其他適用長(zhǎng)大橋梁的檢測(cè)技術(shù)與手段。

長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)。交通運(yùn)輸部在《公路工程特殊結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件編制辦法》中，要求在新建長(zhǎng)大橋項(xiàng)目中采用結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)。從十幾年的發(fā)展實(shí)踐來(lái)看，很多長(zhǎng)大橋梁上都安裝了可進(jìn)行長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)的傳感器感知系統(tǒng)。在氣象監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等方面取得了不錯(cuò)的效果，在數(shù)據(jù)層面支撐了橋梁的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估，但也存在建設(shè)和維護(hù)成本過(guò)高、性價(jià)比低的問(wèn)題，數(shù)據(jù)的價(jià)值與期待之間尚有距離。但隨著通信技術(shù)和感知技術(shù)的進(jìn)步及傳感器低成本化，這項(xiàng)技術(shù)在橋梁技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估中依然前景廣闊。

短期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)。短期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)近幾年得到了比較廣泛的應(yīng)用，可快速完成部署，連續(xù)幾個(gè)月采集數(shù)據(jù)，業(yè)主不需要購(gòu)買監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而是購(gòu)買數(shù)據(jù)服務(wù)，大大降低了運(yùn)營(yíng)成本。由于更具針對(duì)性且布置了更多的傳感器實(shí)現(xiàn)更多數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，可以針對(duì)更加具體的問(wèn)題甚至聚焦某條裂縫的發(fā)展變化，可以描繪溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)的變化，還可以在荷載試驗(yàn)時(shí)快速高效捕獲海量數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)更加全面準(zhǔn)確。短期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為大跨徑橋梁綜合評(píng)估的重要檢測(cè)手段，且在重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別排查、特殊情況應(yīng)急監(jiān)測(cè)中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

組圖：短期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)可具體針對(duì)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

高聳結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)。高聳結(jié)構(gòu)內(nèi)部檢測(cè)可以通過(guò)檢修通道抵近檢查，但外部檢查難以人工抵近，一般采用高清攝像、無(wú)人機(jī)、纜索機(jī)器人等實(shí)現(xiàn)常規(guī)檢測(cè)，在確保檢測(cè)質(zhì)量的同時(shí)可以大幅節(jié)約成本。

隱蔽結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)。深埋、遮擋、包裹、水下等隱蔽結(jié)構(gòu)檢測(cè)是長(zhǎng)大橋梁養(yǎng)護(hù)經(jīng)常碰到的難題，技術(shù)的進(jìn)步使得部分此類問(wèn)題已得到有效解決，例如：水下機(jī)器人取代人工探摸檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)，斜拉索通過(guò)“開窗”實(shí)現(xiàn)鋼絲檢測(cè)，主纜通過(guò)全景式觀察窗實(shí)現(xiàn)日常目視可檢。還有部分關(guān)鍵構(gòu)件不可檢的情況，例如：主纜有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)錨下鋼絲銹蝕等。

荷載試驗(yàn)。通常情況下，長(zhǎng)大橋在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，需要全面檢測(cè)評(píng)定，荷載試驗(yàn)是必不可少的評(píng)定手段之一。通過(guò)特定荷載條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，與理論值、既往荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，全面評(píng)定結(jié)構(gòu)承載能力狀況。荷載試驗(yàn)需要封閉交通以施加預(yù)定的荷載，獲得精確的結(jié)構(gòu)響應(yīng)值。一種新的不中斷交通自由流荷載試驗(yàn)技術(shù)也在發(fā)展中，盡管結(jié)果還不夠精確，但持續(xù)性觀測(cè)所獲得的大數(shù)據(jù)通過(guò)分析可能會(huì)使結(jié)果具有足夠的使用價(jià)值。

數(shù)據(jù)管理技術(shù)。獲取數(shù)據(jù)是所有檢測(cè)技術(shù)的根本目的，各種各樣的數(shù)據(jù)需要科學(xué)有序管理，才能發(fā)揮更大價(jià)值，才能積累沿時(shí)間軸變化帶來(lái)的價(jià)值。這項(xiàng)技術(shù)是軟性的，但卻是至關(guān)重要的，包含了一系列數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化建設(shè)，要使不同時(shí)期、不同單位采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上具有可比性，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)。以往，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)缺少重視，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠，難以跟蹤研究，數(shù)據(jù)僅能發(fā)揮當(dāng)期價(jià)值，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

隱蔽結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用，在一定程度上緩解了長(zhǎng)大橋養(yǎng)護(hù)難度。

蘇通大橋通車十年全橋評(píng)估荷載測(cè)試

應(yīng)用于長(zhǎng)大橋檢測(cè)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

基于數(shù)據(jù)的決策與評(píng)估

長(zhǎng)大橋養(yǎng)護(hù)分類分級(jí)專項(xiàng)評(píng)估系統(tǒng)示意圖

通常情況下，橋梁的檢查通常分為經(jīng)常檢查、定期檢查、專門檢查和應(yīng)急檢查。在檢查基礎(chǔ)上，可以對(duì)橋梁進(jìn)行一般評(píng)定，根據(jù)評(píng)定的結(jié)果將橋梁分級(jí)，根據(jù)分級(jí)的結(jié)果確定需要采取的維修對(duì)策。如果橋梁的分級(jí)較低，還需要進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)定，進(jìn)一步?jīng)Q定需要采取的維修對(duì)策。上述技術(shù)路徑更多的還是基于管理的需求，而不是基于技術(shù)的需求，更加適用于中小橋梁。而對(duì)于大跨徑橋梁，面對(duì)具體的問(wèn)題，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件繁多，這樣的決策支持技術(shù)路徑顯然還不夠全面準(zhǔn)確，也不夠科學(xué)合理。

對(duì)于長(zhǎng)大橋梁，較為適用的是分類分級(jí)的專項(xiàng)評(píng)估方法，將評(píng)估內(nèi)容分為宏觀受力、耐久性能、易損性能和使用性能四個(gè)方面開展專項(xiàng)評(píng)估，針對(duì)不同的專項(xiàng)廣泛收集檢測(cè)數(shù)據(jù)完成專項(xiàng)評(píng)估，在專項(xiàng)評(píng)估基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評(píng)定，然后有針對(duì)性提供決策支持和維修處置建議，這樣的評(píng)定方法數(shù)據(jù)更加全面，結(jié)論也更加準(zhǔn)確合理。但對(duì)于專項(xiàng)評(píng)估，廣泛的數(shù)據(jù)歸集融合十分重要，為了規(guī)避難以獲得、難以理解、歸集困難、大量錯(cuò)誤和價(jià)值偏低的問(wèn)題，持續(xù)性開展檢測(cè)數(shù)據(jù)管理是重要前提。在此基礎(chǔ)上，將不同時(shí)期、不同項(xiàng)目、來(lái)自不同參與單位的數(shù)據(jù)融合分析，結(jié)合補(bǔ)充檢測(cè)、短期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和荷載試驗(yàn)等進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)估。

根據(jù)杭州灣跨海大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋等多座長(zhǎng)大橋梁實(shí)踐，基于廣泛的數(shù)據(jù)積累，通過(guò)專項(xiàng)評(píng)估進(jìn)行綜合評(píng)定，是長(zhǎng)大橋梁管養(yǎng)決策支持的重要技術(shù)發(fā)展方向。可進(jìn)一步在以下四個(gè)方面重點(diǎn)研究：統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)與數(shù)據(jù)融合歸集；新型智能檢測(cè)裝備與人工智能數(shù)據(jù)處理；短期監(jiān)測(cè)技術(shù)與自由流荷載試驗(yàn)；構(gòu)件層級(jí)劣化評(píng)定與專項(xiàng)評(píng)估。

綜上所述，長(zhǎng)大橋梁管養(yǎng)有其特殊性，面臨越來(lái)越多的管養(yǎng)挑戰(zhàn)。要更多地依靠技術(shù)進(jìn)步來(lái)應(yīng)對(duì)，減小壓力，以合理的投入確保橋梁在一定的技術(shù)狀態(tài)下服役百年；要更多地依靠數(shù)據(jù)，重視數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)，重視數(shù)據(jù)積累，發(fā)揮數(shù)據(jù)在決策支持中的基礎(chǔ)性作用。

分類分級(jí)專項(xiàng)評(píng)估是長(zhǎng)大橋養(yǎng)護(hù)決策未來(lái)的支撐