公路混凝土橋梁的周期性預(yù)防養(yǎng)護(hù)研究

路方哲

(平頂山市公路交通勘察設(shè)計(jì)院，河南 平頂山 467000)

公路橋梁養(yǎng)護(hù)主要是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和維修性養(yǎng)護(hù)，當(dāng)前的橋梁養(yǎng)護(hù)主要是維修養(yǎng)護(hù)，這種養(yǎng)護(hù)方式已經(jīng)無法滿足交通運(yùn)輸?shù)囊螅A(yù)防性正成為公路橋梁養(yǎng)護(hù)及管理的重要途徑，對(duì)公路橋梁開展周期性的預(yù)防養(yǎng)護(hù)，能夠及早發(fā)現(xiàn)橋梁病害潛在風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)處理此風(fēng)險(xiǎn)，從而確保公路交通安全。當(dāng)前，我國(guó)公路橋梁養(yǎng)護(hù)中存在諸多不足，如未認(rèn)識(shí)到公路橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的重要性，相關(guān)養(yǎng)護(hù)決策的主觀性比較強(qiáng)，缺乏相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)體系及評(píng)估體系。本研究以G311徐西線沙河橋梁工程為研究對(duì)象，探明混凝土橋梁的主要病害特征，并以實(shí)證分析的方式解決公路混凝土橋梁周期性養(yǎng)護(hù)問題。

1 公路混凝土橋梁病害評(píng)定方法

公路混凝土橋梁在通車使用后，受各種因素的影響會(huì)產(chǎn)生剝蝕、銹蝕及裂縫等病害，若不及時(shí)養(yǎng)護(hù)，會(huì)降低橋梁的結(jié)構(gòu)性能，危及橋梁承載力及使用壽命。所以，應(yīng)對(duì)公路混凝土橋梁進(jìn)行周期性養(yǎng)護(hù)。從混凝土橋梁養(yǎng)護(hù)效果看，主要有糾正性和預(yù)防性兩種養(yǎng)護(hù)方式，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)主要是小修與正常保養(yǎng)，而糾正性養(yǎng)護(hù)則是大修、中修和加固性改造。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)對(duì)象主要是輕度損害，不影響使用功能，或是中度損害，能正常使用但卻超出預(yù)防養(yǎng)護(hù)范圍。依據(jù)公路橋梁評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)橋梁全橋、全結(jié)構(gòu)及部件、構(gòu)件、橋面系等進(jìn)行評(píng)估，以確定橋梁病害程度及類型，本文以此方法確定公路混凝土橋梁的病害。在橋梁技術(shù)評(píng)估中應(yīng)考慮橋梁交通路折損，參照文獻(xiàn)[1]，且引入了超載系數(shù)

(1)

(2)

其中:WPMCIl為上部結(jié)構(gòu)；WBMCIl為下部結(jié)構(gòu)，WDMCIl橋面系l構(gòu)件得分，取值范圍為0～100；Uz構(gòu)件評(píng)估扣分值決定下的變量。

依據(jù)公式(2)及分層評(píng)估法，橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)及橋面系i類部件得分可以確定為WPCCIl、WBCCIl、WDCCIl，橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)、橋面系得分分別為WSPCI、WSBCI及WBDCI，橋梁總體得分為Dy，在交通量影響下的預(yù)防病害為：針對(duì)橋梁病害類型、嚴(yán)重程度及位置的構(gòu)件評(píng)分為WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl。假設(shè)除公式(2)中設(shè)計(jì)的構(gòu)件之外，其與構(gòu)件得分均100分，橋梁部件狀況的評(píng)分表示為WSPCI、WSBCI、WDCCN；假設(shè)除公式(3)之外其他部件狀況得分是100分，依據(jù)部件位置實(shí)施的橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)及橋面系狀況得分分別表示為WSPCI、WSBCI及WBDCI，假設(shè)橋梁總體狀況得分DI為1或2時(shí)為橋梁病害時(shí)，考慮到分層評(píng)論中各項(xiàng)權(quán)重的差異，將主部件超標(biāo)度低于3的病害種類納入預(yù)防養(yǎng)護(hù)，橋梁次部件超標(biāo)度低于2的病害種類納入預(yù)防養(yǎng)護(hù)。為此，表1針對(duì)病害種類與病害特點(diǎn)，對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行定量描述和定性描述評(píng)定。

表1 公路混凝土橋梁病害種類與特點(diǎn)

如表所示橋梁混凝土構(gòu)件的病害種類較多，而支座結(jié)構(gòu)間的缺陷因素，導(dǎo)致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成支座一側(cè)外鼓問題。并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力傳遞形式的變化，進(jìn)而對(duì)上部結(jié)構(gòu)、橋面系、下部構(gòu)件的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

2 橋梁技術(shù)狀況的退化預(yù)測(cè)

2.1 構(gòu)建退化模型

由于橋梁技術(shù)退化的影響因素比較多，而線性模型無法全面反映其衰減規(guī)律，以及技術(shù)退化后的影響因素具有非線性特征，參照文獻(xiàn)[2]研究成果，選擇非線性退化模型分析橋梁技術(shù)情況

(3)

式中:t小于等于t1，且大于零；D(t)為橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平，是t(時(shí)間)的函數(shù)；t1為初始退化時(shí)間；D0為初始技術(shù)水平取值；α為退化指數(shù)；β為環(huán)境及外界荷載影響參數(shù)，而荷載取值均依據(jù)橋梁自然劣化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定。退化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表明：橋梁技術(shù)退化參數(shù)值同橋梁所在地交通等級(jí)、橋梁結(jié)構(gòu)形式、橋址環(huán)境等相關(guān)。

2.2 養(yǎng)護(hù)前后預(yù)防效果預(yù)測(cè)

橋梁養(yǎng)護(hù)的策略比較多，不同養(yǎng)護(hù)策略所產(chǎn)生的養(yǎng)護(hù)效果、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也不同。假定預(yù)防養(yǎng)護(hù)間隔時(shí)間相同、養(yǎng)護(hù)效應(yīng)時(shí)間相同，且單次養(yǎng)護(hù)后影響指標(biāo)增量也相同，每次養(yǎng)護(hù)指標(biāo)值低于初始值。養(yǎng)護(hù)后，tpD(養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間)內(nèi)，以相同退化規(guī)律的退化，超過養(yǎng)護(hù)效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間后，又以初始未養(yǎng)護(hù)的退化率進(jìn)行退化。按照初始退化時(shí)間(t1)、首次養(yǎng)護(hù)時(shí)間(tp1)及養(yǎng)護(hù)間隔(tp)、養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間等的相互關(guān)系，構(gòu)建四種養(yǎng)護(hù)的時(shí)間約束關(guān)系，也就是四種養(yǎng)護(hù)的策略。同時(shí)按照公式(3)的退化模型及此養(yǎng)護(hù)策略，能夠構(gòu)建和計(jì)算任意時(shí)刻的橋梁養(yǎng)護(hù)效果。可針對(duì)橋梁交通路折損種類和特征，制定四種養(yǎng)護(hù)策略。

策略1：未初始退化時(shí)沒有養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)間隔不超過養(yǎng)護(hù)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間；策略2：未初始退化時(shí)沒有養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)間隔超過養(yǎng)護(hù)時(shí)間的持續(xù)間隔；策略3：未初始退化時(shí)即已養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)間隔低于養(yǎng)護(hù)效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間；策略4：未初始退化時(shí)即已養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)間隔超過養(yǎng)護(hù)效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。

3 公路混凝土橋梁周期性預(yù)防養(yǎng)護(hù)策略的優(yōu)化

3.1 混凝土橋梁周期性預(yù)防養(yǎng)護(hù)成本

間隔養(yǎng)護(hù)中存在時(shí)機(jī)優(yōu)化問題，間隔養(yǎng)護(hù)過晚不能體現(xiàn)其養(yǎng)護(hù)價(jià)值，間隔養(yǎng)護(hù)過早又會(huì)浪費(fèi)養(yǎng)護(hù)資金，只有找到間隔養(yǎng)護(hù)時(shí)間及費(fèi)用的最佳點(diǎn)，才是預(yù)防養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)，可按照橋梁生命周期的最低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用去確定其最佳間隔養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。依據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、信息融合技術(shù)文獻(xiàn)[3]，在考慮資金時(shí)間價(jià)值情況下，橋梁周期性預(yù)防養(yǎng)護(hù)費(fèi)用模型如下

(4)

式中:C(tp1,tp)為養(yǎng)護(hù)總費(fèi)用；Ci(tp1,tp)為單次預(yù)防養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用；n(tp1,tp)為養(yǎng)護(hù)次數(shù)；tp為間隔時(shí)間；tp1為初始時(shí)間。確定養(yǎng)護(hù)方案后，橋梁預(yù)防養(yǎng)護(hù)的成本有管理成本CM、用戶成本CU及社會(huì)成本CS構(gòu)成，其中管理成本主要是檢測(cè)費(fèi)用、管理費(fèi)、加固費(fèi)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)，均由橋梁管理單位及實(shí)際調(diào)查確定。用戶成本主要是燃油消耗、車損、交通延誤等費(fèi)用，可從交通仿真軟件中模擬獲得該費(fèi)用。

3.2 養(yǎng)護(hù)初始時(shí)間及周期優(yōu)化

參照文獻(xiàn)[4]研究成果，應(yīng)用單指標(biāo)優(yōu)化模型(5)式，在滿足橋梁壽命周期內(nèi)技術(shù)條件的最小養(yǎng)護(hù)成本進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化變量為tp1與tp，目標(biāo)函數(shù)為C(tp1,tp)，邊界條件為技術(shù)約束，且把橋梁限定于高性能2類及1類病害，為確保其最大化的服役時(shí)間，壽命周期內(nèi)的預(yù)防養(yǎng)護(hù)費(fèi)用模型為

(5)

D(t)≥80,s.t

(6)

預(yù)防養(yǎng)護(hù)最遲開始時(shí)間要不小于tp1，t小于T。C(tp1,tp)為橋梁養(yǎng)護(hù)總費(fèi)用，以D(t)為橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)情況，按照不同養(yǎng)護(hù)策略所得，T為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命。養(yǎng)護(hù)優(yōu)化模型研究可有效提升管養(yǎng)決策的客觀性[3-4]。

4 實(shí)證分析

4.1 G311公路混凝土橋梁概況

以G311徐西線沙河橋改造工程為例，此橋始建于20世紀(jì)70年代，1998年調(diào)研該橋營(yíng)運(yùn)狀況時(shí)顯示：沙河橋?yàn)闉r青混凝土橋面，車流量日均2.3萬輛，貨車達(dá)1.3萬輛，貨車超載率達(dá)72%，平均超載量18%左右。按照現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，該橋梁狀況總體良好，上部結(jié)構(gòu)存在梁底板刮擦病害，鉸縫外勾縫部分脫落，下部結(jié)構(gòu)部分橋臺(tái)銹脹或掉角，橋面系存在伸縮縫破損及車轍、堵塞等病害。

將交通量折損納入技術(shù)狀況評(píng)估中，按照公式(1)對(duì)其超載系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出γex值為0.073，把γex值代入公式(2)，對(duì)此橋梁技術(shù)情況進(jìn)行分層次打分，獲得橋梁狀況評(píng)估結(jié)果，結(jié)果顯示橋梁技術(shù)整體得分88.97，為2類橋梁，主要構(gòu)件病害類型超過3類，次要構(gòu)件病害類型超過2類，所以，此橋梁與橋梁病害均滿足預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的條件。

4.2 預(yù)防養(yǎng)護(hù)開始時(shí)間預(yù)測(cè)

由于橋梁整體狀況得分88.97，類似與不養(yǎng)護(hù)情況下第12年的技術(shù)水平，按照公式(3)由橋梁技術(shù)層面明確預(yù)防養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)，也就是其最遲開始時(shí)間是由現(xiàn)在起的第五年，結(jié)果見圖1。

圖1 橋梁技術(shù)狀況評(píng)估結(jié)果圖

4.3 混凝土橋梁預(yù)防防護(hù)總費(fèi)用分析

混凝土橋梁預(yù)防養(yǎng)護(hù)總費(fèi)用主要包括工程量、養(yǎng)護(hù)措施、單價(jià)等，直接成本8.520 5萬元。因G311徐西線沙河橋梁進(jìn)入退化期，按照前文公路混凝土橋梁周期性養(yǎng)護(hù)成本的最低優(yōu)化的四種養(yǎng)護(hù)策略，橋梁預(yù)防養(yǎng)護(hù)需要利用策略1和策略2，養(yǎng)護(hù)策略中設(shè)計(jì)的參數(shù)主要是tp1、tp、tpD、t1和r，而r、t1、tpD均依據(jù)既有統(tǒng)計(jì)分析來確定，其值分別為3、3和7，按照周期性養(yǎng)護(hù)費(fèi)用效益的最優(yōu)化確定tp1與tp值。在約束條件限制下，策略2未能得到最優(yōu)化的預(yù)防養(yǎng)護(hù)結(jié)果，所以策略1為本橋梁預(yù)防養(yǎng)護(hù)的最優(yōu)方案。據(jù)此，2013年，當(dāng)?shù)亟煌ú块T對(duì)G311徐西線沙河橋進(jìn)行預(yù)防性加固改建，在保證預(yù)防性加固效果的前提下縮減養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)。本研究表明：預(yù)防養(yǎng)護(hù)能夠提高橋梁技術(shù)狀況，也能降低其劣化速率。應(yīng)用此養(yǎng)護(hù)策略能夠使橋梁于設(shè)計(jì)壽命內(nèi)將其從2類橋轉(zhuǎn)為3類橋推遲17年左右。

5 結(jié) 論

通過分析G311徐西線沙河橋梁技術(shù)狀況評(píng)估的相關(guān)模型，并以非線性模型預(yù)測(cè)橋梁預(yù)防養(yǎng)護(hù)最佳時(shí)機(jī)，且以實(shí)證分析驗(yàn)證了上述模型，并得出如下結(jié)論。

(1)橋梁技術(shù)情況為2類、1類的橋梁能夠滿足預(yù)防養(yǎng)護(hù)條件，此類公路混凝土橋梁能夠進(jìn)行預(yù)防養(yǎng)護(hù)。在考慮超載系數(shù)的情況下展開分層評(píng)定，確定交通量對(duì)橋梁預(yù)防養(yǎng)護(hù)病害的影響。(2)非線性退化模型能夠?qū)蛄杭夹g(shù)狀況的退化情況進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，從而確定其最佳預(yù)防養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。(3)預(yù)防養(yǎng)護(hù)能有效降低橋梁技術(shù)下降速率，延遲其退化時(shí)間。(4)預(yù)防養(yǎng)護(hù)策略及退化模型能夠預(yù)測(cè)橋梁預(yù)防養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)，并能對(duì)其養(yǎng)護(hù)成本和總效益進(jìn)行優(yōu)化。