山西省舊橋性能評估及維修加固對策研究

李慶宏，趙慧靜，申鐵軍，李毓麒

(1.山西路橋集團晉南項目管理有限公司，山西 太原 030006；2.山西路橋第七工程有限公司,山西 晉城 048000；3.山西路橋建設集團有限公司,山西 太原 030006；4.東北大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110000)

0 前 言

隨著車輛荷載的快速增長以及酸雨、溫差等各種環境因素影響，大量公路橋梁將步入老化期，橋梁總體狀況是低等級橋梁所占比例大、橋梁總體技術狀況較差。近些年的統計結果顯示，山西省有大量的橋梁存在安全性不足或為危橋的問題，另有相當數量的橋梁的技術等級為三、四類橋，這部分橋梁存在較大安全隱患，加之近幾年來頻繁出現的橋梁傾覆、垮塌事件，使得全社會對公路橋梁的安全性、耐久性越來越重視。

1 研究的必要性

據相關調查資料表明，處于國、省主要干道的公路舊橋，由于設計時較低的荷載標準及近年來大型、重型車輛與日俱增，結構的可靠性逐年降低，逐步成為阻礙山西省公路交通暢通發展的“瓶頸”。近年來山西省在提高公路貨車運輸經濟效益的同時，出現了公路運輸車輛荷載重量、總質量以及外形尺寸超限的現象，即超重載運輸。超重載交通條件下橋梁結構長期處于超負荷運營狀態，給處于道路咽喉的公路橋梁增加了額外的載重負擔，尤其對于公路舊橋的安全可靠性構成巨大的威脅。近些年來公路主管部門通過橋梁試驗和檢測等養護技術手段積累了大量反映橋梁結構實際承載性能與運營狀態的大數據信息，如何采取有效方法將其轉化為橋梁結構時變可靠性評估所需的基礎數據，是當前公路橋梁領域正在研究的重大課題之一。因此，考慮管養大數據的有效性及在此基礎上建立公路舊橋時變可靠性與剩余技術壽命定量化計算模型，進而對公路舊橋技術狀況評定制定量化條款已成為一個迫切需要解決的問題。

2 山西省舊橋服役情況及舊橋承載能力鑒定評估的必要性

近幾十年來,山西省在公路橋梁建設方面取得了巨大成就，截止2017 年底，已建成并投入使用的公路橋梁3 530座，共17.74萬延米/3 530座。其中：大橋7.92萬延米/400座；中橋5.53萬延米/872座；小橋4.29萬延米/2 258座。在“一帶一路”倡議加速推進的背景下，“十四五”期間，山西省將繼續推進公路橋梁建設事業的高速發展。20世紀90年代末，隨著改革開放和社會主義市場經濟的不斷深入，山西省的橋梁建設進入“快車道”，一大批公路橋梁在該時期建造完成并投入運營。據不完全統計，山西省公路橋梁約40%已運營20～30年，由于原有荷載設計標準普遍偏低，加之近年來運煤車輛、超載車輛等重載車型所占比例日益增加，導致其中技術等級偏低的帶病橋梁約占30%，相關調查表明：省內某些地區10 t以上的重型貨車的超載比例在40%以上，某些治超管理松懈的路段達到80%,最大超載率超過300%。由于重載、超載現象的存在，實際運行中的車輛荷載可能遠超規范標準，將急劇加劇公路舊橋的損傷劣化及其積累，對橋梁的安全運營造成了極大的威脅,這也是近年來國內眾多橋梁垮塌事件的重要原因之一[1-3]。

3 舊橋時變可靠性研究的必要性

在山西省的公路橋梁中，混凝土橋梁占有較大比例，混凝土橋梁在荷載、環境的共同作用下，易發生混凝土開裂、梁體露筋及鋼筋銹蝕等一系列損傷，從而導致結構承載能力和可靠性能降低。近些年的統計結果表明，山西省有大量公路橋梁存在安全可靠性不足或為危橋的問題，另有相當數量的公路橋梁技術等級為三、四類。目前，省內橋梁技術狀況評定主要依據《公路橋涵養護規范》(JTG 5120—2021)和《公路舊橋承載能力鑒定方法》進行，檢測結果的評定主要依據橋梁表觀質量狀況或結合檢算分析進行的技術狀況評定或承載能力鑒定，尚未涉及到基于橋梁結構損傷的時變可靠性評定，且國內目前也缺乏此類評價技術的系統研究。隨著山西省公路建設事業的持續發展，工作重點也將逐步由建設轉向養護、維修與加固，而對橋梁結構的安全可靠性評定是上述一切工作的前提。因此，結合山西省公路橋梁的實際運營環境與荷載特點，開展有關公路舊橋時變可靠性研究是十分必要的。

4 舊橋時變可靠性研究的主要內容

1)在橋梁時變可靠性研究方面，目前廣泛采用的時變可靠指標計算模型是在試驗室的理想環境下構建，只能作為度量可靠性的相對指標，其精度有多大，在工程界是普遍質疑的。如果一味追求“高精度”、完善的結構時變可靠度模型，在應用中多半要陷入缺乏可靠數據支持的泥潭之中。同時，既有橋梁可靠性評定及預測缺乏管養信息來對計算模型進行實時修正，可能會導致結構性能評估和預測結論出現極大的偏差。橋梁的定期管理、養護工作為解決上述問題提供了一種思路：利用前期積累的管養大數據對橋梁結構可靠性進行適時(對于檢測和維修)或實時(對于監測)地修正與預測，可以準確地把握結構繼續服役的安全程度，成為結構安全評定的有效手段；在一般管養大數據統計規律的基礎上，利用和挖掘新信息，對結構信息和可靠性計算模型進行更新，則是一種動態的思路。要對結構的時變可靠性能進行準確的評估，必須基于其在管養過程中積累的大量靜態、動態大數據信息對結構的時變可靠性進行定量化描述，才能得到更合理、準確的時變可靠指標。因此，綜合考慮公路舊橋管養大數據及抗力、荷載效應等因素的時變特性，對結構的時變可靠性進行修正，在此基礎上提出公路舊橋時變可靠性及剩余技術壽命的量化表征方法，進而能夠對公路舊橋技術狀況進行量化評定已成為一個迫切需要解決的問題。

2)目前公路舊橋加固設計方案的選擇主要考慮所選方案在技術上先進、可行，在工程經濟方面合理，尚未對公路舊橋維修加固的最佳時機及加固后的社會、經濟效益進行充分考慮。實際上，公路舊橋加固時機的選擇主要考慮結構的剩余技術壽命、加固方案投資效益及加固方案引起的直接與間接損失。因此，僅考慮公路舊橋加固方案的技術先進性與經濟合理性，未對其加固時機進行分析、比較，是片面與不合理的。需從經濟學原理出發，以系統分析和定量分析相結合的方法，對可能的加固備選時機建立相關的技術經濟分析模型，運用全壽命周期成本的觀點,綜合考慮公路舊橋剩余技術壽命-效益-損失，確定其最優加固時機，為公路管理部門提供科學的決策依據。

5 關鍵技術及創新點

5.1 關鍵技術

5.1.1 山西省公路典型重載交通路段車輛荷載譜及荷載代表值的確定

近年來隨著經濟的發展，山西省公路橋梁上的運營車輛發生了很大的變化，主要表現為運煤車、超載車等重載車輛顯著增加，導致車輛參數(車重、軸重、軸距等)發生了一定的變化，而全國各地公路上營運的車輛狀況也不盡相同，使得目前山西省公路典型重載交通路段的車輛荷載形式極不明確且無據可依。因此，提出適合于山西省公路典型重載交通路段車輛荷載的分布形式繼而明確其代表值是關鍵問題之一。

5.2.2 管養大數據的有效化處理及時變可靠性定量化預測模型的構建

山西省公路行業主管部門每年耗費大量的經費用于公路橋梁養護與定期檢測，積累了大量有關公路舊橋承載能力與正常使用狀態的數據信息,且其精度、有效性有多高目前是存在普遍質疑的，且目前既有公路舊橋可靠性評定及預測缺乏管養信息對計算模型進行實時修正，可能會導致結構性能評估和預測結論出現極大的偏差。因此，如何對管養大數據進行有效化處理使其能夠成為公路舊橋時變可靠性與剩余技術壽命定量化預測模型的基礎數據，進而能夠對公路舊橋技術狀況進行定量化評定是關鍵問題之一。

5.2 創新點

結合山西省公路超重載交通所占比例大的特點，通過理論研究與實際工程應用，提出一種基于既有橋梁管養大數據信息且準確、高效、適應性廣的公路舊橋時變可靠性與剩余技術壽命量化表征方法，為公路舊橋的安全可靠性評定提供一個準確、快速的把握，為輔助公路管理部門對公路舊橋技術狀況進行定量化評定、確定公路舊橋維修加固最佳時機，為公路全壽命周期內養護投資效益提供科學依據及技術支撐。

6 結束語

通過針對性地實施技術驗證，對研究成果進行實踐論證，進而完善研究成果，指導工程實踐，為后續交通管制與維修加固決策提供參考。為提升山西省公路橋梁養護技術水平,輔助公路管理部門對公路舊橋技術狀況進行定量化評定、確定公路舊橋維修加固最佳時機，為提高公路全壽命周期內養護投資效益提供科學依據及技術支撐。因此，無論是行業發展導向還是實際工作需求，本課題的研究都具有十分重要的意義。

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