跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)退化分析及預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇

徐懋剛

（寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是定期的強(qiáng)制性保養(yǎng)、維修措施，是在橋梁尚未發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)性病害之前就進(jìn)行的養(yǎng)護(hù)，以將病害處理在萌芽狀態(tài)，防止或延緩病害的發(fā)生，達(dá)到增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性和延長(zhǎng)使用壽命的目的。橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)可以通過(guò)橋梁的各種檢測(cè)程序，定期掌握橋梁技術(shù)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的缺陷與病害，采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，以改善橋梁的總體功能狀況、保持或提升橋梁服務(wù)水平。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究非常重要的內(nèi)容，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益主要由采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)決定。時(shí)機(jī)選擇作為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必須和評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和性能退化模型相結(jié)合，最終服務(wù)于工程實(shí)踐。但是目前的研究成果大多僅僅提出養(yǎng)護(hù)措施時(shí)機(jī)選擇的理論方法，未能系統(tǒng)性應(yīng)用全部預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究成果，也難以與真實(shí)的橋梁退化情況相匹配。目前，橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)還只是一個(gè)概念，尚未形成系統(tǒng)的理論框架和技術(shù)規(guī)范。本文以象山港大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，首先建立跨海鋼箱梁斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的病害評(píng)分模型及預(yù)養(yǎng)護(hù)目標(biāo)，然后在分析跨海鋼箱梁斜拉橋預(yù)養(yǎng)護(hù)病害的退化規(guī)律的基礎(chǔ)上，確定該類橋梁進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)。

1 病害評(píng)分模型

橋梁性能與狀態(tài)指標(biāo)在橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)體系中占有非常重要的地位。評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理與否決定橋梁退化模型和橋梁養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇模型的合理程度，從而影響?zhàn)B護(hù)體系的實(shí)施效果。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究的使用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇應(yīng)注重三方面內(nèi)容：一是選取的指標(biāo)能夠表征橋梁的現(xiàn)有狀況，使得主觀評(píng)價(jià)與客觀實(shí)際最大的逼近，能夠最準(zhǔn)確的反映客觀實(shí)際；二是評(píng)判此性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)明確、直觀、可靠，可以通過(guò)指標(biāo)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)橋梁所處狀態(tài)，為養(yǎng)護(hù)部門確定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供依據(jù)；三是此指標(biāo)適用于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)體系，根據(jù)此指標(biāo)可衡量預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施效益，確定措施實(shí)施時(shí)機(jī)。目前橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)體系多采用橋梁“技術(shù)狀況評(píng)分”D r或“技術(shù)狀況指數(shù)”B C I作為橋梁使用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。D r或B C I反映的是橋梁整體技術(shù)狀況的退化規(guī)律，不能反映橋梁不同部件、不同病害的演變時(shí)程。而同一座橋梁不同部件、構(gòu)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(píng)分模型更有助于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略的建立。在《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）、《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ 99—2003）中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查可以對(duì)橋梁總體、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及橋面系三大部位等部件分別進(jìn)行打分評(píng)定，而對(duì)具體病害則是以檢測(cè)指標(biāo)的“標(biāo)度”值進(jìn)行評(píng)定。這里根據(jù)規(guī)范的評(píng)定細(xì)則，分析獲得類似橋梁總體評(píng)定的百分制的病害評(píng)定值。每個(gè)病害對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)指標(biāo)，而根據(jù)規(guī)范每個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的扣分值與該指標(biāo)所能達(dá)到的最高等級(jí)類別有關(guān)，病害的評(píng)分值又與相關(guān)的構(gòu)件數(shù)有關(guān)。舉例說(shuō)明病害評(píng)分過(guò)程如下[1]。

假定構(gòu)件數(shù)量為N，某個(gè)病害的評(píng)定標(biāo)度值為xi（i=1～N），此類病害的構(gòu)件數(shù)占比為β（1/N≤β≤1，反映該構(gòu)件出現(xiàn)此類病害的比例）。根據(jù)規(guī)范，可以查得該病害評(píng)定標(biāo)度所對(duì)應(yīng)的扣分值DPi，然后仿照橋梁部件技術(shù)狀況評(píng)分算式可以計(jì)算該病害的評(píng)分值V：

式中：MDP為N個(gè)構(gòu)件該類病害評(píng)分的平均值，即MDP=100-DPi×β；Mmin為N個(gè)構(gòu)件中分值最低的構(gòu)件的得分值，；t為規(guī)范中的與N有關(guān)的系數(shù)。

對(duì)于某類病害對(duì)應(yīng)多個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的病害，其評(píng)分值V的計(jì)算過(guò)程與上面相似，只是在計(jì)算時(shí)對(duì)多個(gè)指標(biāo)扣分值進(jìn)行平均。通過(guò)式（1），一旦確定某類病害預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的目標(biāo)，即可據(jù)此確定此類病害達(dá)到何種嚴(yán)重程度時(shí)即可進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

2 病害預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)選擇

（1）預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的目標(biāo)

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的效果與采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，及早對(duì)橋梁實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，可使橋梁長(zhǎng)期處于較好的狀態(tài)，避免橋梁結(jié)構(gòu)因退化嚴(yán)重而產(chǎn)生過(guò)大的維護(hù)費(fèi)用，當(dāng)然過(guò)早實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)可能達(dá)不到成本—效益最優(yōu)化的目的，因此需要解決兩個(gè)問(wèn)題，即：橋梁最低控制分?jǐn)?shù)；預(yù)防性養(yǎng)護(hù)初次開(kāi)展時(shí)間的合理范圍?！豆窐蛄杭夹g(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的橋梁技術(shù)狀況分類表明：結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為[80，100]（橋梁處于1類橋、2類橋狀態(tài)）時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)處于較好的工作狀況，做好日常必要的維護(hù)即可；結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為 [60，80）（3類橋）時(shí)，結(jié)構(gòu)盡管存在一定病害，但功能尚可，通過(guò)中小規(guī)模的維修即能將結(jié)構(gòu)狀態(tài)提升至1類橋或2類橋；結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為[0，60）（4 類橋、5 類橋）時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)存在較大或嚴(yán)重的病害，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性有很大影響，往往需要通過(guò)大中修、甚至改建才能將結(jié)構(gòu)恢復(fù)到較好的水平，并將付出較大的維護(hù)成本。比較后認(rèn)為將預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中橋梁的最低控制分?jǐn)?shù)定為60是合理的，即橋梁結(jié)構(gòu)的總體狀態(tài)控制為不低于3類橋，避免橋梁出現(xiàn)過(guò)大的結(jié)構(gòu)病害；結(jié)構(gòu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的初次開(kāi)展時(shí)間控制在80分左右是合適的，即結(jié)構(gòu)尚處在2類橋時(shí)就可根據(jù)病害特點(diǎn)開(kāi)展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作，這使得結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用較少，比較經(jīng)濟(jì)。具體到某一類病害，則需要考慮病害的成因、對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及所采用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法等方面，綜合確定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的開(kāi)展時(shí)機(jī)。

（2）預(yù)防性養(yǎng)護(hù)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施效果將影響預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的策略制定，需對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施后結(jié)構(gòu)性能變化及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法實(shí)施后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可分三種情況：不提高橋梁分?jǐn)?shù)，延遲分?jǐn)?shù)降低的時(shí)間，該時(shí)段內(nèi)不再繼續(xù)退化，見(jiàn)圖1（a）；不提高橋梁分?jǐn)?shù)，降低結(jié)構(gòu)退化率，在固定時(shí)間內(nèi)，退化率小于正常退化時(shí)結(jié)構(gòu)的退化率，見(jiàn)圖1（b）；提高橋梁分?jǐn)?shù)，退化率保持不變，仍按原退化規(guī)律發(fā)展，見(jiàn)圖1（c）。針對(duì)上述3種情況具體來(lái)說(shuō)包括以下3方面內(nèi)容：確定延遲分?jǐn)?shù)降低的時(shí)間（如：防腐涂裝失效時(shí)間）；確定結(jié)構(gòu)退化率的變化（如：鋼筋銹蝕維修后實(shí)際銹蝕速度）；確定結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)的提高值（如：構(gòu)件連接缺陷修復(fù)后結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)提高多少）。

圖1 不同預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法的實(shí)施效果

（3）初次預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)間

由于橋梁病害的成因不同，不同病害對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不同，不同病害所采取的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方式也不同，一般橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施有兩種方式：方式1：根據(jù)橋梁的總體技術(shù)狀況，在相同時(shí)間對(duì)橋梁不同病害實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)處理，在某些年份（比如t1、t2）統(tǒng)一對(duì)全部病害進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作。這一方式以對(duì)結(jié)構(gòu)影響最重要（或權(quán)重最大）的病害作為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作開(kāi)展時(shí)機(jī)的依據(jù)，操作實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是由于不同病害的機(jī)理及表現(xiàn)形式不同，且預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施的效果也不同，采用全橋統(tǒng)一的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)勢(shì)必會(huì)因遷就某些病害而將其余病害的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)間提前或延后，使得預(yù)防性養(yǎng)護(hù)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(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作的開(kāi)展針對(duì)具體病害，對(duì)不同的病害提出不同的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)并分別實(shí)施。方式2彌補(bǔ)了方式1的不足，使得預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作有的放矢；此外由于不同病害的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)開(kāi)展時(shí)間不同，可將預(yù)防性實(shí)施過(guò)程分散在橋梁的日常性養(yǎng)護(hù)工作的中。這里對(duì)象山港大橋主橋斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的實(shí)施是以方式2作為依據(jù)來(lái)展開(kāi)的。

3 跨海斜拉橋預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

跨海斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)包括日常的周期性預(yù)養(yǎng)護(hù)和基于結(jié)構(gòu)狀態(tài)的矯正性預(yù)養(yǎng)護(hù)兩個(gè)方面，日常的周期性預(yù)養(yǎng)護(hù)主要依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004）[2]、《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）[3]以及美歐相關(guān)公路橋梁實(shí)施指南等技術(shù)文件，基于結(jié)構(gòu)狀態(tài)的矯正性預(yù)養(yǎng)護(hù)主要依據(jù)前文研究結(jié)果。依據(jù)資料調(diào)研及相關(guān)研究結(jié)果，可歸納出跨海斜拉橋跨海斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)見(jiàn)表1。

表1 跨海斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

續(xù)表1 跨海斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

4 結(jié)論

（1）通過(guò)資料調(diào)研整理，結(jié)合實(shí)橋檢測(cè)，疏理給出了跨海鋼箱梁斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的病害評(píng)分模型及預(yù)養(yǎng)護(hù)目標(biāo)。

（2）依據(jù)跨海鋼箱梁斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)病害發(fā)展過(guò)程，給出了跨海鋼箱梁斜拉橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)。