公路橋梁預防性養護策略

張昊偉

（天津市公路事業發展服務中心，天津 300000）

0 引言

在現代公路橋梁領域，主要存在兩種養護方案，一種為矯正性養護，即路橋使用過程中出現病害后，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。采用這種養護方案，表明路橋已經出現病害，對路橋的功能與使用造成了一定影響，進行病害處理需要投入較高的成本，不符合現代社會的發展要求。另一種為預防性養護，即在路橋工程設計、建造周期內，在未出現嚴重病害前采取有效的方式對路橋進行處理，以降低路橋出現病害的概率，從而延長路橋使用壽命。

1 預防性養護病害的確定

在相關規定中，針對橋梁的具體情況，將其技術狀況劃分成5 個等級，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，對橋梁使用帶來嚴重干擾；5 級，表示嚴重損傷，橋梁無法正常使用，存在較大的坍塌風險[1]。其中，出現3 級以上的技術狀況后，需要對橋梁進行修復，因而在預防性養護方面，僅涉及1 級與2 級技術狀況的橋梁。因此，認為主要構件病害低于3 級，一般構件病害低于2 級就要進行預防性養護。

進行橋梁技術狀況評估時，需要采用超載系數分析交通量的折損情況，采用公式（1）進行計算：

以此可獲得橋梁技術狀況評定標準，如公式（2）所示：

式（2）中：WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl表示橋梁上部結構、下部結構及橋面部件l 的得分，數值在0～100 區間內；Ux表示修正量，根據指標扣分情況設置。

以上述公式為基礎，結合層次分析的方法，即可推導出基于交通量的預防性養護病害范圍，主要包括：

一是根據病害類型，結合其嚴重程度、位置等信息，能夠得到WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl。

二是假設在橋梁當中，除了構件l，其余所有構件都是 100 分，可推導出技術狀況評分WPCCIi、WBCCIi與WDCCIi。

三是根據推導出來各構件的技術狀況評分，結合這些構件所處位置，可推導出各結構的評分，即WSPCI、WSBCI與WBDCI。

四是根據各結構的評分，能夠推導出整個橋梁的技術狀況評分，即Dr。

五是當Dr=1 或2 時，表明其屬于預防性養護病害。

按照上述公式與流程分析，即可確定最終的養護性預防病害，如表1 所示[2]。

表1 預防性病害表

2 橋梁技術狀況預測

2.1 構建技術狀況退化模型

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

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

通過計算后，能夠得到橋梁技術狀況退化結果，如表2 所示。通過對表2 的觀察可以發現，在自然情況下，橋梁使用11 年時，退化評分將降低到90 以下，屬于2 級橋梁；使用時間達到15 年時，退化評分降低到85 分以下，屬于2 級橋梁；使用時間達到17 年時，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，應將預防性養護控制在第16 年以前。

表2 技術狀況退化結果表

2.2 基于不同預防性養護策略的橋梁技術狀況評估

該研究共設計4 種養護策略：

第一，無初始退化無養護，且養護時間間隔小于養護效應持續時間。當橋梁技術狀況出現退化后，才對其進行養護，養護后，橋梁技術狀況明顯改善，假設改善值為γ；之后，以養護后的技術狀態為基準，利用上述公式（3）所述模型，再次對橋梁技術狀況進行預測，因養護時間間隔較短，處于養護效應持續時間以內，因而在養護后，技術退化規律無改變[3]。

第二，無初始退化無養護，且養護時間間隔大于養護效應持續時間。當橋梁技術狀況出現退化后，才對其進行養護。養護后，橋梁技術狀況明顯改善，假設改善值為γ。之后，以養護后的技術狀態為基準，利用上述公式（3）所述模型，再次對橋梁技術狀況進行預測。因養護時間間隔較長，處于養護效應持續時間以外，因而在養護后，技術退化規律出現改變。也就是說，處于養護效應持續時間內，利用每次養護后的參數當作初始值，反復利用公式（3）進行運算，若得到的結果處于持續時間之外，則以無養護為條件，按照相應的退化率退化[4]。

第三，無初始退化已養護，且養護時間間隔小于養護效應持續時間。對于養護來說，處于橋梁技術狀況出現退化前，可以是1 次，也可以是多次。養護后，技術狀況基本不變，依然處于初始水平。因間隔較短，處于持續時間以內，若出現退化后，再進行養護，其變化情況與第一種策略基本一致。

第四，無初始退化已養護，且養護時間間隔大于養護效應持續時間。對于養護來說，處于橋梁技術狀況出現退化前，可以是1 次，也可以是多次。養護后，技術狀況基本不變，依然處于初始水平。因間隔較長，處于持續時間以外，若出現退化后，再進行養護，其變化情況與第二種策略基本一致。

3 全生命周期內橋梁預防性養護時機的選擇

3.1 預防性養護成本

進行預防性養護，時機選擇至關重要，過晚不能起到預防性的目的，過早則會造成資金浪費。所以，在做預防性養護策略選擇時，應以投入成本最低原則為基礎，確定最佳預防性養護時機。通過大量實踐可知，在進行橋梁預防性養護時，成本主要與三個方面有關：

一是管理單位成本CM，這屬于直接成本，如橋梁使用時的運維成本、加固成本等，可從橋梁管理機構查詢相關資料獲取。

二是用戶成本CU，這屬于間接成本，如車輛行駛時的損耗成本、交通延誤成本等，可以實際情況為基礎，利用相應的仿真系統推導而得。

三是社會成本CS，如環境保護成本、事故傷亡成本等，與用戶成本基本相同，可利用相應的仿真系統推導而得[5]。

3.2 養護時間與周期

養護時間與周期的確定，應以單指標模型為基礎，以橋梁全壽命周期內符合技術狀況條件下的最低養護成本為目標，構建養護時機分析模型，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)表示技術狀況水平；T表示橋梁設計的壽命值[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，上部結構采用的是混凝土空心板梁，下部結構采用的是樁柱式橋臺，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。通過檢查發現，該橋梁整體狀態良好，僅有一些輕微的病害：梁底板略有刮痕，橋臺輕微掉角與銹脹，橋面車轍破損等。通過技術狀況退化計算后，可以得到表3 所示結果。

表3 某公路工程技術狀況退化計算結果

通過對表3 的分析可得，在總體方面，技術狀況得分為89.79，處于3 級范圍內，主要構件病害為3 級，一般構件病害為2 級，可對其進行預防性養護。

4.2 預防性養護時間預測

由上述技術狀況可以預測，該公路處于無養護條件、路橋工程使用11 年時的技術水平，因而在預防時間方面，選擇的是從當前開始的第5 年。

4.3 效益分析

以上述預防時間為基準，分別對4 種養護策略進行分析可知，相對于前兩種方案，后兩種方案更復雜，所需要的成本明顯更高，因而直接將其忽略。采用方案1，進行首次預防性養護時，于2019 年起的第4 年開始，也就是說tpl=4a（2023 年），tp=7a，由此表明，在橋梁規定的生命周期內，開展3 次養護即可。采用方案2 時，當橋梁使用到2035 年，其技術狀況將會明顯降低，低于預防性養護的要求，即便后續再進行預防性養護，2040 年后，橋梁技術狀態也會下降到規定值之下。所以，該公路應采用第1 種預防性養護方案。

5 結語

綜上所述，預防性養護是現代公路橋梁管理中的重要工作之一，這項工作的開展情況直接關系到整個公路橋梁的后續使用效果。為了更好地使用公路橋梁，應對其技術狀況進行評估，并以此為基礎，結合養護成本最低化原則，確定最佳的預防性養護方案，以延緩公路技術狀況等級的下降，確保其在設計生命周期內發揮出應有的作用。