桥梁检修条件现状调查与设计对策研究

白金超 张澎涛

(上海市市政规划设计研究院，上海200031)

1 引言

桥梁在服役过程中，由于受到诸如施工缺陷、材料退化、极端荷载和偶然事故等各种内外因素的作用和影响，结构安全性不能得到完全保障，需通过检测、养护、维修加固等检修措施确保运营安全。从全寿命管理的角度出发，桥梁设计时需充分吸收运营养护管理中的经验，将后期养护维修操作的可能性、经济性、安全性等方面纳入设计范围，在建设时将结构巡检通道、易损件的更换条件、结构安全永久观测点等检修条件一并建成，实现结构主要部件的可到达、可检修、可更换，为结构运营管养提供全面、有力的保证［1－3］。

国外在工程设计阶段对后期养护维修普遍较为重视，如美国、日本、英国等，要求设计做到结构易检查、易养护［4－6］。国内在重要的桥梁工程建设过程中对后期的运营养护、检修也有一定的思考和实践，一些特大型桥梁如卢浦大桥、苏通大桥等都配备了专门的巡检通道，在结构运营养护中发挥了积极作用;但总体来看，我国桥梁工程全寿命周期管理的理念尚未完全形成，工程规划、设计、施工、运营等环节脱节，在设计过程中对后期运营养护维修重视程度不够，缺乏针对运营管理和维护标准的要求以及全寿命周期成本核算的考虑，桥梁建成后缺少必要的巡检通道、维修平台等附属设施，给运营检查、养护、维修带来诸多不便［7］;随着大量桥梁运营时间的增长，养护检修的迫切需求与相应的设施条件缺乏之间的矛盾日益突出。

本文以上海地区各类桥梁检修条件现状调研为工作基础，系统梳理桥梁检修中存在的主要问题及困难，提出桥梁检修设计应考虑的主要内容，以期为桥梁检修设计提供参考，提升桥梁全寿命管理水平。

2 桥梁检修条件主要问题

2．1 大型桥梁检修

大型桥梁以斜拉桥、拱桥、悬索桥为主，具有投资规模大、社会影响广、建设条件高、结构复杂等特点。调查发现，大部分大型桥梁在设计中均考虑了运营检修需求，但也存在一定的检修盲区。下面按照构件形式进行梳理与总结。

2．1．1 主梁

大型桥梁跨度大、净空高，多跨越江河或交通要道，梁底检修无法直接采用支架、登高车等传统设施，需借助梁底桁车;调研发现大部分桥梁的桁车存在操作复杂、故障频发等问题。

主梁侧面是景观灯、助航设施、风嘴、过桥线缆等设施的集中区域，由于位置特殊，往往是检修的盲区和难点［8］。

大多数主梁内部可通过检修孔进入而进行检修，但梁体内部普遍存在进出和通行不便的问题，主要表现在:①人孔数量不足、位置不当，人员出入不方便，尤其是长大桥梁，内部检修费时费力;②单箱多室结构箱内各室之间缺乏通道，仅个别室内可以到达;③梁内通行条件不佳，如未考虑横隔板等部位的细节构造而给通行带来障碍，典型的如图1所示;④缺乏必要的通风、照明条件，梁内环境不佳;⑤部分钢箱梁内部狭小，缺少必要的养护维修空间。

2．1．2 索塔

索塔具有体型大、景观要求高等特点，外侧检修较为困难。目前国内外主要利用吊篮作为索塔外侧的检修平台;吊篮作业受环境条件影响大、风险高。

索塔内侧大多都设置有爬梯或电梯供通行，基本可满足检修需求;但因内部空间限制、设计不周等原因，实际使用中存在一定的不便之处。

图1 某大桥钢箱梁横隔板人孔Fig．1 Manhole in diaphragm plate of steel box girder

2．1．3 拱肋

拱肋具有体型大、空间形式复杂等特点，外侧检修主要借助拱上挂篮的方式，高空危险且效率低下;部分拱桥甚至存在外侧无法检修的现实问题。

2．1．4 拉索

拉索日常养护检查的重点是上下锚头及索体。锚头一般可结合主梁或索塔巡检通道进行检修。索体检查目前主要借助望远镜采用人工目测的方式进行，但效果有限，索体损伤难于发现和修复。

近年来，国内外已有多座斜拉桥进行了拉索更换。拉索更换时存在的问题集中于旧索锚头拆除困难，主要表现为旧索锚具被混凝土封住、锚具损伤、螺母锈死、索道孔损坏或内部杂物无法彻底清理等。

2．1．5 吊杆

大多数拱桥吊杆锚固采用将吊杆穿过拱肋和梁体，锚固于拱肋顶及梁体下端的方式。上锚头检查需攀爬至拱肋上部，检修作业存在一定安全隐患;而部分桥梁的上锚头被封死，无法检测。下锚头检修需借助支架、登高车、船只、梁底桁车等辅助设施。吊杆索体检查主要借助望远镜，难以确保检测质量。

目前吊杆更换采用的方法基本都是设置临时替代物，经过两次体系转换而完成［9］。从国内已完成的多座拱桥吊杆更换情况来看，由于部分桥梁未考虑吊杆的可更换性，更换时存在如下方面的问题:①旧锚头拆除及取出困难;②需采取特别措施以确保吊杆更换时的结构整体或局部安全，代价较大;③旧吊杆状况，如导管内填充物、位置误差等影响新吊杆的安装，施工进度缓慢。

2．1．6 缆索

大型悬索桥对检修设计考虑较为充分，基本可实现主缆、鞍座、锚固部位的可达、可检。而自锚式悬索桥在检修方面则存在较多问题，出于造型、美观等方面的考虑，其缆索系统的检修条件相对不完善，检修作业需要借助登高车或设置专门平台，影响交通且效率不高;塔部鞍座的检修也较为不易。

2．2 中小桥梁检修

中小桥梁以梁式桥为主，量大面广，养护管理工作量大。相对于大型桥梁，公路和城市中小桥普遍缺乏专门的检修条件，在构件的可达、可检、可修、可换等方面存在较多问题。

2．2．1 主梁

据统计，95%以上的公路及城市中小桥未设置永久性的梁底检修通道，检修作业需借助支架、桥检车、登高车等设施，影响桥面或桥下交通。

由于梁高限制，部分梁体未设置出入孔，致使内部无法检修;部分箱梁虽设有检修人孔，但存在如下问题:①单箱多室结构仅个别室内可以到达;②人孔数量太少;③通气孔缺失或堵塞，箱内环境恶劣;④部分钢箱梁结构，尤其是人行天桥等，内部狭小，缺少必要的检修空间。

2．2．2 墩台

地面上的墩柱检修目前主要借助登高车、支架等设施，存在影响地面交通的问题。对于河海中的墩柱，目前尚无有效的检修方式。

2．2．3 支座

城市和公路中小桥普遍未设置专门的支座检修通道，日常养护、检测需借助桥检车或登高车等设施。支座检修中最突出的问题是更换，由于更换顶升需要有反力支撑点，当盖梁或桥墩不具备作为顶升支撑点的条件时，则需另外搭建支撑墩，要求桥下场地有一定的支撑能力，且影响桥下交通，直接和间接成本均较高。

2．3 结构安全连续观测

在桥梁上布设永久性观测点，对结构进行定期控制观测，对获取桥梁状态参数、确保安全运营具有重要作用。

2．3．1 大型桥梁

从调研情况看，大型桥梁比较重视几何线形、索力等指标的连续性控制检测;但在实际操作中，存在永久观测点设置时机及位置不当、保护措施不到位等典型问题，在施工及运营过程中，观测点往往几易其位，导致信息不连续，无法全面掌握结构状态。

部分大型桥梁设置有健康监测系统，监测内容较为全面，但在实践中也存在如下方面的问题:①健康监测系统缺乏统一的设计、实施标准;②与大桥使用寿命相比，传感、信号传输等元器件的寿命较短，传感器更换及更换后信息连续的技术难题尚未有效突破;③监测系统在指导结构养护方面的作用尚有待提升。

2．3．2 中小桥梁

中小桥梁普遍缺乏控制检测点。桥梁检测时，观测点多为临时性选取，获取的结构信息不连续，无法准确获取墩台沉降、梁体线形变化等信息，给历次检测结果的综合分析带来困难。

3 桥梁检修设计内容及基本原则

3．1 桥梁检修设计的内容和思路

调研中发现的各类桥梁检修问题表明，在今后的桥梁设计过程中，需从全寿命管理的理念出发，系统地进行桥梁检修设计，降低全寿命成本，确保结构耐久和安全。

桥梁检修设计的主要内容是根据全寿命期的管养需求，为桥梁配备必要的巡检通道、易损件更换条件、结构安全永久观测点等检修条件。桥梁检修设计的基本思路为:在可行性研究阶段，桥梁设计构思开始时，即引入全寿命管理的思想，结合环境特点选取便于维护的结构形式，估计拟建桥梁的检修要求;在初步设计阶段，确定各个构件的巡检要求及方式、非永久性构件更换方法及周期;在施工图设计阶段，详细确定各个构件的巡检通道、构件更换方法及条件、结构永久性观测内容及测点设置方案。

3．2 桥梁检修设计的基本原则

桥梁检修作业具有重复性、长期性、突发性、综合性、复杂性等特点，检修设计应全面考虑桥梁全寿命期的养护及维修需求，从保障结构安全、降低全寿命期管养成本的角度出发，综合考虑安全、经济、美观等因素进行设计。

桥梁巡检通道设计的基本原则包括:①巡检通道的设置应以人为本，利于检修人员安全、便捷地接近检查目标及开展检修作业;②可有效保证管养人员的人身和生产安全;③不影响正常交通，或对交通的影响降至最低;④能防止无关人员进入，确保设施安全;⑤对于密闭单元，需考虑必要的通风照明条件;⑥检修通道本身具有一定的耐久性。

对于拉索、吊杆、支座、伸缩缝等非永久性构件，设计时应确保具有可更换性，设计原则包括:①设计时明确构件的更换条件和更换方法，以及正常使用条件下的更换周期;②优先选用安全性、耐久性较好的构件，减少服役期内的更换次数;③分析构件更换对结构整体及局部安全的影响;④构造上预留构件更换所需的操作空间。

结构永久性观测点设置原则:①依结构形式选取可有效表征结构安全的关键观测指标;②测点应牢固可靠、不易损坏;③根据设计分析明确各观测项目的预警阈值及处置方案;④确保全寿命期内观测数据的连续性。

4 桥梁巡检通道设计建议

4．1 斜拉桥巡检通道

斜拉桥巡检通道设计主要针对主梁、索塔、拉索等构件，设计要点包括:

(1)箱梁应设置足够的检修出入孔，并对箱内通道进行合理规划，确保梁内各个角落可达;对于多箱结构，宜为每个箱室单独提供通道，并在不同箱室之间设置连通道。

(2)梁底需设置养护车，一般可采用悬挂式桁车，桁车应能承受日常巡检、养护及换索等工况下的检修荷载;桁车高度、宽度、轨道梁间距等根据梁底形式而定。

(3)梁体侧面的检修，可通过在梁底桁车上设置可伸至梁体外侧的升降平台来实现，亦可结合实际情况设置简易挂篮作为检修通道。

(4)空心塔柱内应设置人行爬梯，有条件时尽量采用电动升降梯;人行爬梯应包括梯道、栏杆、休息平台等。

(5)较高的索塔应配置专用吊篮以便索塔外侧的养护维修，吊篮设计需符合相关专业标准要求。相对不高的索塔可结合实际情况在塔身上直接设置攀登梯级及平台以供检修使用。

(6)拉索锚头的检修可借助索塔及主梁巡检通道，必要时尚应配备专用的巡检通道。

(7)支座、伸缩缝及各附属设施的巡检通道宜结合主梁、墩台的巡检通道进行综合考虑;无直接到达条件时，尚应配备专用通道。

4．2 系杆拱桥巡检通道

系杆拱桥巡检通道设计主要针对主梁、拱肋、吊杆、系杆等构件，设计要点包括:

(1)跨径较大或受场地条件限制不宜采用常规设施进行检修的桥梁，应设置梁底检修桁车。

(2)钢拱肋应设置检修出入孔，并对内部通道进行合理规划，确保各个角落可达。拱肋内部巡检通道宜设置爬梯以便于行走。

(3)结合结构特点、景观要求等，在拱肋外部预留猫道或移动吊篮挂点，以便于外侧检修。

(4)结合拱肋巡检通道综合考虑风撑的巡检方式，预留内部检修出入孔及外侧挂篮吊点。

(5)拱端锚头应根据其设置方式，在拱肋背部或内部设置巡检通道以便到达;梁端锚头的巡检通道结合主梁巡检方式而定。

(6)箱梁内部、支座、伸缩缝的巡检通道设置要求与斜拉桥相似。

4．3 梁式桥巡检通道

梁式桥巡检通道设计应考虑如下内容:

(1)箱梁应设置检修出入孔。对于大跨或多联箱梁结构，应设置多个出入孔，人孔距离不宜超过200 m，宜在每联(连续梁)或每孔(简支梁)箱梁的梁端部设置检修孔。

(2)箱梁内部的巡检通道应进行合理规划，在横隔板处设置人孔，确保检修人员可以到达梁内各个角落;对于多箱结构，尽量沿其纵向单独提供通道，并在不同箱室之间设置连通道。

(3)梁底检修可借助支架、登高车、桥检车等设施，宜结合结构特点、场地条件、养护成本等因素综合选取适宜的检修方式。

(4)对于受场地条件限制不宜采用常规设施进行检修的桥梁，应设置梁底桁车等永久性的巡检通道。

(5)对于钢结构，构造设计应充分考虑养护维修空间要求。对于有可能受到水、潮湿空气或其它腐蚀性物质侵蚀的部位，应从构造上预留检查、养护及维修的空间和条件［10］。

4．4 桥梁下部结构巡检通道

位于地面的桥梁墩台，应设置桥下养护维修便道及巡检限制区，除路灯、消防设施及防噪屏外，桥下限制区内不宜有其它结构物或影响检修作业的障碍物。

对于涉水桥墩、较高的桥墩以及无法直接在桥下开展检修作业的墩台，应预留人员和设备的到达通道，可采用如下形式:①墩柱上设置爬梯，墩顶设置巡检平台;②空心墩墩底和墩顶设置检修出入孔，墩柱内设置爬梯;③实体墩墩顶设置检查坑;④墩顶设置挂篮吊点，以便利用吊篮进行墩柱检修。

5 非永久性构件可更换设计建议

5．1 拉(吊)索

(1)选用可更换的拉(吊)索产品;在锚固部位及索道管的设计方面尤需充分考虑拉(吊)索更换的细节问题。

(2)设计方案中明确拉(吊)索的更换条件、更换方法，以及正常使用条件下的更换周期。

(3)结构整体及局部受力分析时，需考虑更换拉(吊)索的影响，详细分析换索对结构产生的不利影响。

(4)索塔(拱肋)及主梁的构造应满足拉(吊)索更换时所需的操作空间。

5．2 支座

(1)墩台顶面预留支座更换所需的操作空间，具体可结合支座吨位及千斤顶产品情况而定。板式橡胶支座吨位与高度关系如图2所示。

图2 板式橡胶支座吨位与高度对照图Fig．2 Comparison diagram of bearing capacity and height of laminated rubber bearing

(2)校核支座更换时千斤顶安放位置相关构件的局部受力状况，以及梁体在向上强制位移(可按10 mm考虑)作用下的受力状况;在设计图纸上标出支座更换时的千斤顶作用点。

5．3 伸缩缝

(1)优先选用工作性能好、寿命长的产品。(2)伸缩缝应由可更换的标准件组成，以便在桥面部分通车的情况下进行更换。

(3)有条件时，可在梁体下方预留一定空间，便于从梁体下方进行伸缩缝的检查和维修。

6 结构安全永久性观测点设置建议

(1)特大桥、特殊结构桥梁和单孔跨径60 m及以上的大桥，须设置永久性观测点，在设计方案中明确永久性观测内容及相应的技术要求，提供数据分析必要的参数，并确定各观测项目的预警阈值及处置方案。

(2)根据结构形式确定可以有效表征结构安全的关键观测指标，斜拉桥以基础沉降、主梁线形、索力、结构动力特性等指标为主;系杆拱桥的观测指标以拱肋空间姿态、主梁线形、系杆及吊杆索力、结构动力特性为主;梁式桥的观测指标以基础沉降、主梁线形、结构动力特性为主。

(3)永久性观测点的设置位置应便于安全地开展测设作业;测点应牢固可靠，采用不易破坏、老化、腐蚀的专业测设器材;并制定详细的测点保护方案。

(4)对特别重要的桥梁，宜建立符合自身特点的健康监测系统。当监测系统出现数据缺失或离散性较大时，应采用人工监测予以补充或校核。

(5)主体结构维修、加固或改建前后，必须进行控制测量，以保持观测资料的连续性。若控制点有变动，应及时观测，建立基准数据，并做好数据连续的处理工作。

7 结语

在桥梁建设时即为后期管养配备必要的检修条件，是桥梁全寿命管理的重要支撑条件，也是桥梁运营管养的迫切现实需求。调研发现的各类桥梁检修难题，需要在桥梁建设中引起重视;在今后的桥梁设计中，应贯彻全寿命管理的理念，及时吸纳运营养护中的经验，切实提升桥梁检修设计水准;同时，应加强桥梁检修设计的系统研究，在桥梁设计规范中完善检修方面的相关要求。

［1］ 向中富，刘忠．桥梁建设与使用中的有关问题［J］．重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(z2):1233-1236．Xiang Zhongfu，Liu Zhong．Some concerns in bridge construction and bridge conditions in service［J］．Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Sciences)，2011，30(z2):1233-1236．(in Chinese)

［2］ 金伟良，钟小平，胡琦忠．可持续发展工程结构全寿命周期设计理论体系研究［J］．防灾减灾工程学报，2010，30(z1):401-406．Jin Weiliang，Zhong Xiaoping，Hu Qizhong．Sustainable development-oriented design theory of engineering structures in whole life-cycle［J］．Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2010，30(z1):401-406．(in Chinese)

［3］ 王中文．大型桥梁成本控制与全寿命周期成本分析［J］．桥梁建设，2010(2):25-28．Wang Zhongwen．Cost control and life cycle cost analysis of major bridge［J］．Bride Construction，2010(2):25-28．(in Chinese)

［4］ 刘钊．关于中美桥规设计准则的对比及思考［J］．世界桥梁，2007(6):34-37．Liu Zhao．Comparison and consideration of design philosophy in Chinese and American bridge design specifications［J］．Bridge Construction，2007(6):34-37．(in Chinese)

［5］ Long A E，Basheer P A M，Taylor S E，et al．Sustainable bridge construction through innovative advances［J］．Bridge Engineering，2008(BE4):183-188．

［6］ 黄信基．对客运专线圬工梁维护的建议［J］．铁道勘测与设计，2008(2):26-33．Huang Xinji．Some suggestions for maintenance of masonry bridge in passenger dedicated line［J］．Railway Survey and Design，2008(2):26-33．(in Chinese)

［7］ 鲍会丽，王涛，罗文龙，等．桥梁及其检修设备发展现状之浅析［C］．2007年全国施工机械化新技术交流会论文集，2007:294-296．Bao Huile，Wang Tao，Luo Wenlong，et al．Devetopment sytuation of brige and its maintenance equipment［C］．Proceedings of 2007 National Construction Mechanization New Technology Conference，2007:294-296．(in Chinese)

［8］ 董晓勇．从桥梁风嘴维护中引发的思考［J］．城市道桥与防洪，2009(9):163-166．Dong Xiaoyong．Thinking about maintenance of bridge wind fairing［J］．Urban Roads Bridges and Flood Control，2009(9):163-166．(in Chinese)

［9］ 杨亚林，武俊彦，庞志华，等．拱桥吊杆更换系统研究［J］．公路交通科技(应用技术版)，2012(6):68-71．Yang Yalin，Wu Junyan，Pang Zhihua，et al．Construction system for replacement of suspenders of arch bridges［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development(Application Technology Edition)，2012，(6):68-71．(in Chinese)

［10］ 上海市城乡建设和交通委员会．上海市城市道路和公路设计指导意见(试行)［S］．上海:2009．Ministry of Construction of Shanghai．Guiding opinions on design of urban roads and highways(try out)［S］．Shanghai，2009．(in Chinese)