关于公路桥梁预防性养护的研究

2017-11-02王涛

城市道桥与防洪 2017年10期

关键词：预防性桥梁公路

王涛

（海南省公路管理局陵水公路分局,海南陵水 572400）

关于公路桥梁预防性养护的研究

王涛

（海南省公路管理局陵水公路分局,海南陵水 572400）

随着我国社会经济的快速发展、人们生活的日益改善，车流量日益增多，公路桥梁的负荷也日益增大，影响桥梁的长期安全使用，因此加强公路桥梁的预防性养护势在必行，必须重视。主要对公路桥梁预防性养护的必要性、水平的确定、时间的确定、实施等进行了探讨。该研究具有重要的现实意义，可对桥梁的养护工作提供参考。

公路桥梁；预防性；养护

0 引言

随着我国国民经济的迅猛发展,对交通运输提出了更高要求,公路运输对公路桥梁的通行能力和承载能力的要求也越来越高,而一些旧桥老化、破损等现象日趋严重,许多旧桥难以适应日趋增长的交通量需求。因此必须十分重视公路桥梁的预防性养护,使桥梁能长期处于良好状态,提高公路桥梁的技术状况及车辆通行能力,延长公路桥梁的使用年限。

预防性养护就是在还没有发生明显病害之前就进行的养护,目的就是防止或减缓病害的发生,达到耐久性和延长使用寿命的目的。对已建成的桥梁,其内在因素已经定型,设计施工中的缺陷已经存在,为了延长其耐久性,就必须针对存在的问题进行预防性养护。

1 公路桥梁预防性养护的必要性

预防性养护理念的核心在于防患于未然，基础在于经济性最优。也可以说，预防性养护就是指在桥梁使用状况衰减的初期，在最适当的时机应用最适当的预防性养护措施，以最小的寿命周期成本最大程度地延缓桥的退化。

应用预防性养护可以制止微小损坏，延迟进程性损坏，减少纠正性养护。预防性养护需在桥梁出现明显破坏之前进行；而纠正性养护则是用于道路系统使用功能与结构遭到破坏时，两者并存于一个全面的桥梁养护计划中，并形成科学的相互关系。但桥梁养护的重点应放在防止桥梁变化到需要纠正性养护，因为纠正性养护所需的费用比预防性养护高。

在不同的时间采取不同的养护措施所需的费用相差是很大的，这就需要确定路况良好时进行预防性养护和桥梁破坏时进行大中修的费用效益关系。因此，预防性养护是对现有桥梁有计划的、经济有效的一项维护工具。以公路工程为例，美国公路管理部门从20世纪80年代以来，通过对几十万千米不同等级道路进行跟踪调查，发现道路的使用性能和寿命有一个共同的变化特征：一条质量合格的道路，在使用寿命75%的时间内性能下降40%，这一阶段称为预防性养护阶段。此阶段如不及时进行养护，在随后12%的使用寿命时间内，性能将再次下降40%，而养护成本却要增加3～10倍，这一阶段称为纠正性养护阶段。研究表明采取预防性养护的桥梁，其效益费用是不采取任何养护措施的桥梁的6～10倍。根据SHRP计划估算，在整个桥梁寿命周期内进行3～4次的预防性养护可以延长使用寿命10～15年，节约养护费用45%～50%。这就是重视预防性养护的经济意义[1]。然而，目前国内桥梁工程所采用的养护措施更多的是属于纠正性养护。因此尽快引进国外桥梁养护管理的先进理念，以实际桥梁为应用基础，开展预防性养护问题的研究，这在延缓桥梁使用性能恶化速率、延长其使用寿命，和节约寿命周期费用等方面具有重要意义。

2 公路桥梁预防性养护水平的确定

桥梁预防性养护水平的确定主要建立在结构失效标准的设定上。结构工程的失效大致可分为两大类：结构失效与条件失效。结构失效导致倒塌，而条件失效只是意味着超过了某个预先确定的标准水平。条件失效被定义为结构未能满足最基本的功能要求，例如用最低安全性要求来防止结构处于不安全状态。结构的失效通常不是源于结构失效而多半是由于条件失效。因此必须对结构进行监测以便发现条件失效。

在给定失效标准的情况下，桥梁养护人员可以对预防性养护水平进行优化。在预防性养护成本与纠正性养护成本之间找到最佳平衡点。纠正性养护成本可能包括交通堵塞、绕行、载重量限制和桥梁停用等所造成的损失。预防性养护取决于两个决策变量：一是检测率（频率和精度），二是预防性养护水平。两者互相影响，高检测率允许低预防性养护水平（最低到接近失效水平），低检测率应该有比失效水平更高的预防性养护水平。定期更新模型能够确定最优的预防性养护水平（近似的成本最优）[2]。定期更新策略遵循如下规则：如果维修对象未发生失效，则按照预先确定的时间间隔进行更新；如果发生失效，则立即实施更新。即以无限时间范围的期望贴现成本做标准来比较不同的维修决策方案，从而在预防性养护成本跟纠正性养护成本之间寻求平衡。

结构的维修可以看作是一种离散的更新过程。这里的更新是指为使组件或构件恢复到其初始状态或足够新的状态所实施的各种措施。有限时间区间（0，n）更新期望贴现成本，用 E[K（n，α）]表示，可从以下迭代公式得到：

式中：ci和pi分别表示时间i时一次更新的成本和发生概率（i=1，2，3，…）；r是贴现率。根据离散更新理论，无限时间区间（0，n）更新期望贴现成本可由下式给出：

根据全寿命（成本）理论，要得到成本最优的投资决策，需要在初始投资成本跟未来维修成本之间寻求最优平衡。于是无限时间跨度的总支出就等于初始投资成本C0与式（2）所给出的期望贴

公路在役桥梁随着环境条件的变化、大量超载车辆的运行、材料随时间老化等因素的影响，桥梁的承载能力状态也在变化并引起一些关键部位的特征参量（如应力、应变、位移、振动、频率）的变化。测量这些特征参量的变化，并根据所建立的评定模型或评定标准值来判断桥梁的运营状态及病害原因和程度，并对桥梁的安全给出适应的评价，是预防性养护工作实施的主要内容，如图2所示。现未来成本之和，使该和最小的投资方案就是最优决策[3]。

3 公路桥梁预防性养护时间的确定

假设桥梁A第i测量位置的定期测量次序分别为 1，2，3，…，n，各次测量值分别为 yi1，yi2，yi3，…，yin，又假设该测点的典型值为yi0，则可得一比值系列，即Yj=yij/yi0，j=1～n。又设第j次测量距第1次测量的月数为 xj，j=1～n，其中，x1=0。将 Yj序列用曲线拟合，可以得到趋势分析结果如图1所示。

图1 桥梁状态趋势预测（指数曲线拟合）示意图

依据最小二乘拟合方程，可以分别确定线性拟合方程、指数曲线方程和抛物线方程的参数。待参数确定后，即可分别确定误差F，F最小者所对应的拟合方程即可认作桥梁状态发展趋势的预测方程。当不容许状态的门槛值Y确定后，即可依据所选定的桥梁状态趋势方程确定达到门槛值时的时间xf，则距最后一次的检测时间为xf-xn。根据桥梁状态发展趋势的预测结果，可适当调整监测时间，若发展较快，应缩短两次监测相距时间，若发展缓慢，可增长两次监测时间。根据桥梁状态趋势预测结果，合理安排维护时间和内容[4]。

4 预防性养护的实施

图2 公路桥梁预防性养护主要工作示意框图

桥梁的重要性可分为特别重要、重要、一般三类，受地理位置和桥梁结构的限制，桥梁监测的难易程度可分为特难、难、易三类。对于特别重要的桥梁，若不能采用在线监测，可将传感器固定在监测点处，用引线引至固定的接线盒处并进行标记，巡检时将测量仪器分别与传感器相接，即可进行逐点巡检。

对于较易监测的重要桥梁，若考虑监测成本，不需要在每个监测部位永久固定传感器，只是在巡检时安装，该点检测完毕，将传感器移至下一个监测点即可，但在每个监测点应安装便于传感器安装的附件。对于永久安装的传感器和安装传感器的附件，要注意安装可靠性，并具有防水、防锈等功能。对于一般的桥梁，应主要以人工视觉观测为主，在观测桥梁外观的情况下，应设置一些重点且固定的观测部位，从定性和定量等方面进行观测，对于特别重要和重要的桥梁，也要设置一些人工视觉观测部位进行定性和定量观测，并进行定性评价，并开发适应于公路桥梁安全监测与维护的计算机软件。