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(tuán)晉南項(xiàng)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(shè)集團(tuán)有限公司,山西 太原 030006；4.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(huán)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(shù)狀況較差。近些年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，山西省有大量的橋梁存在安全性不足或?yàn)槲虻膯栴}，另有相當(dāng)數(shù)量的橋梁的技術(shù)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(xiàn)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(jù)相關(guān)調(diào)查資料表明，處于國、省主要干道的公路舊橋，由于設(shè)計(jì)時(shí)較低的荷載標(biāo)準(zhǔn)及近年來大型、重型車輛與日俱增，結(jié)構(gòu)的可靠性逐年降低，逐步成為阻礙山西省公路交通暢通發(fā)展的“瓶頸”。近年來山西省在提高公路貨車運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，出現(xiàn)了公路運(yùn)輸車輛荷載重量、總質(zhì)量以及外形尺寸超限的現(xiàn)象，即超重載運(yùn)輸。超重載交通條件下橋梁結(jié)構(gòu)長期處于超負(fù)荷運(yùn)營狀態(tài)，給處于道路咽喉的公路橋梁增加了額外的載重負(fù)擔(dān)，尤其對于公路舊橋的安全可靠性構(gòu)成巨大的威脅。近些年來公路主管部門通過橋梁試驗(yàn)和檢測等養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段積累了大量反映橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載性能與運(yùn)營狀態(tài)的大數(shù)據(jù)信息，如何采取有效方法將其轉(zhuǎn)化為橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠性評估所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是當(dāng)前公路橋梁領(lǐng)域正在研究的重大課題之一。因此，考慮管養(yǎng)大數(shù)據(jù)的有效性及在此基礎(chǔ)上建立公路舊橋時(shí)變可靠性與剩余技術(shù)壽命定量化計(jì)算模型，進(jìn)而對公路舊橋技術(shù)狀況評定制定量化條款已成為一個(gè)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(shè)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(jìn)的背景下，“十四五”期間，山西省將繼續(xù)推進(jìn)公路橋梁建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展。20世紀(jì)90年代末，隨著改革開放和社會主義市場經(jīng)濟(jì)的不斷深入，山西省的橋梁建設(shè)進(jìn)入“快車道”，一大批公路橋梁在該時(shí)期建造完成并投入運(yùn)營。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，山西省公路橋梁約40%已運(yùn)營20～30年，由于原有荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，加之近年來運(yùn)煤車輛、超載車輛等重載車型所占比例日益增加，導(dǎo)致其中技術(shù)等級偏低的帶病橋梁約占30%，相關(guān)調(diào)查表明：省內(nèi)某些地區(qū)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(dá)到80%,最大超載率超過300%。由于重載、超載現(xiàn)象的存在，實(shí)際運(yùn)行中的車輛荷載可能遠(yuǎn)超規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)營造成了極大的威脅,這也是近年來國內(nèi)眾多橋梁垮塌事件的重要原因之一[1-3]。

3 舊橋時(shí)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(huán)境的共同作用下，易發(fā)生混凝土開裂、梁體露筋及鋼筋銹蝕等一系列損傷，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力和可靠性能降低。近些年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，山西省有大量公路橋梁存在安全可靠性不足或?yàn)槲虻膯栴}，另有相當(dāng)數(shù)量的公路橋梁技術(shù)等級為三、四類。目前，省內(nèi)橋梁技術(shù)狀況評定主要依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG 5120—2021)和《公路舊橋承載能力鑒定方法》進(jìn)行，檢測結(jié)果的評定主要依據(jù)橋梁表觀質(zhì)量狀況或結(jié)合檢算分析進(jìn)行的技術(shù)狀況評定或承載能力鑒定，尚未涉及到基于橋梁結(jié)構(gòu)損傷的時(shí)變可靠性評定，且國內(nèi)目前也缺乏此類評價(jià)技術(shù)的系統(tǒng)研究。隨著山西省公路建設(shè)事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，工作重點(diǎn)也將逐步由建設(shè)轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)、維修與加固，而對橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性評定是上述一切工作的前提。因此，結(jié)合山西省公路橋梁的實(shí)際運(yùn)營環(huán)境與荷載特點(diǎn)，開展有關(guān)公路舊橋時(shí)變可靠性研究是十分必要的。

4 舊橋時(shí)變可靠性研究的主要內(nèi)容

1)在橋梁時(shí)變可靠性研究方面，目前廣泛采用的時(shí)變可靠指標(biāo)計(jì)算模型是在試驗(yàn)室的理想環(huán)境下構(gòu)建，只能作為度量可靠性的相對指標(biāo)，其精度有多大，在工程界是普遍質(zhì)疑的。如果一味追求“高精度”、完善的結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度模型，在應(yīng)用中多半要陷入缺乏可靠數(shù)據(jù)支持的泥潭之中。同時(shí)，既有橋梁可靠性評定及預(yù)測缺乏管養(yǎng)信息來對計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能評估和預(yù)測結(jié)論出現(xiàn)極大的偏差。橋梁的定期管理、養(yǎng)護(hù)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(yǎng)大數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行適時(shí)(對于檢測和維修)或?qū)崟r(shí)(對于監(jiān)測)地修正與預(yù)測，可以準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)繼續(xù)服役的安全程度，成為結(jié)構(gòu)安全評定的有效手段；在一般管養(yǎng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用和挖掘新信息，對結(jié)構(gòu)信息和可靠性計(jì)算模型進(jìn)行更新，則是一種動(dòng)態(tài)的思路。要對結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，必須基于其在管養(yǎng)過程中積累的大量靜態(tài)、動(dòng)態(tài)大數(shù)據(jù)信息對結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠性進(jìn)行定量化描述，才能得到更合理、準(zhǔn)確的時(shí)變可靠指標(biāo)。因此，綜合考慮公路舊橋管養(yǎng)大數(shù)據(jù)及抗力、荷載效應(yīng)等因素的時(shí)變特性，對結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠性進(jìn)行修正，在此基礎(chǔ)上提出公路舊橋時(shí)變可靠性及剩余技術(shù)壽命的量化表征方法，進(jìn)而能夠?qū)放f橋技術(shù)狀況進(jìn)行量化評定已成為一個(gè)迫切需要解決的問題。

2)目前公路舊橋加固設(shè)計(jì)方案的選擇主要考慮所選方案在技術(shù)上先進(jìn)、可行，在工程經(jīng)濟(jì)方面合理，尚未對公路舊橋維修加固的最佳時(shí)機(jī)及加固后的社會、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行充分考慮。實(shí)際上，公路舊橋加固時(shí)機(jī)的選擇主要考慮結(jié)構(gòu)的剩余技術(shù)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(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)合理性，未對其加固時(shí)機(jī)進(jìn)行分析、比較，是片面與不合理的。需從經(jīng)濟(jì)學(xué)原理出發(fā)，以系統(tǒng)分析和定量分析相結(jié)合的方法，對可能的加固備選時(shí)機(jī)建立相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型，運(yùn)用全壽命周期成本的觀點(diǎn),綜合考慮公路舊橋剩余技術(shù)壽命-效益-損失，確定其最優(yōu)加固時(shí)機(jī)，為公路管理部門提供科學(xué)的決策依據(jù)。

5 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，山西省公路橋梁上的運(yùn)營車輛發(fā)生了很大的變化，主要表現(xiàn)為運(yùn)煤車、超載車等重載車輛顯著增加，導(dǎo)致車輛參數(shù)(車重、軸重、軸距等)發(fā)生了一定的變化，而全國各地公路上營運(yùn)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(jù)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(guān)鍵問題之一。

5.2.2 管養(yǎng)大數(shù)據(jù)的有效化處理及時(shí)變可靠性定量化預(yù)測模型的構(gòu)建

山西省公路行業(yè)主管部門每年耗費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)用于公路橋梁養(yǎng)護(hù)與定期檢測，積累了大量有關(guān)公路舊橋承載能力與正常使用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息,且其精度、有效性有多高目前是存在普遍質(zhì)疑的，且目前既有公路舊橋可靠性評定及預(yù)測缺乏管養(yǎng)信息對計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能評估和預(yù)測結(jié)論出現(xiàn)極大的偏差。因此，如何對管養(yǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效化處理使其能夠成為公路舊橋時(shí)變可靠性與剩余技術(shù)壽命定量化預(yù)測模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠?qū)放f橋技術(shù)狀況進(jìn)行定量化評定是關(guān)鍵問題之一。

5.2 創(chuàng)新點(diǎn)

結(jié)合山西省公路超重載交通所占比例大的特點(diǎn)，通過理論研究與實(shí)際工程應(yīng)用，提出一種基于既有橋梁管養(yǎng)大數(shù)據(jù)信息且準(zhǔn)確、高效、適應(yīng)性廣的公路舊橋時(shí)變可靠性與剩余技術(shù)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(gè)準(zhǔn)確、快速的把握，為輔助公路管理部門對公路舊橋技術(shù)狀況進(jìn)行定量化評定、確定公路舊橋維修加固最佳時(shí)機(jī)，為公路全壽命周期內(nèi)養(yǎng)護(hù)投資效益提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)支撐。

6 結(jié)束語

通過針對性地實(shí)施技術(shù)驗(yàn)證，對研究成果進(jìn)行實(shí)踐論證，進(jìn)而完善研究成果，指導(dǎo)工程實(shí)踐，為后續(xù)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(yǎng)護(hù)技術(shù)水平,輔助公路管理部門對公路舊橋技術(shù)狀況進(jìn)行定量化評定、確定公路舊橋維修加固最佳時(shí)機(jī)，為提高公路全壽命周期內(nèi)養(yǎng)護(hù)投資效益提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)支撐。因此，無論是行業(yè)發(fā)展導(dǎo)向還是實(shí)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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