陕西老旧石拱桥快速评价体系构建

2021-09-17熊治华罗靖雨罗建华朱厚达

水利与建筑工程学报 2021年4期

张煜，熊治华，罗靖雨，罗建华，朱厚达

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

石拱桥是我国20世纪50年代—90年代大量修建的桥梁，其优点在于取材方便、造价经济、技术简单、造型优美等，但经历了几十年的使用后，结构上容易出现诸多问题如：主拱圈横(纵)向开裂、灰缝脱落、台基冲刷以及块石表面风化等[1-3]。近年来，农村地区规模巨大的老旧公路桥涵，逐步进入管理和养护的高峰，伴随着管养繁琐、技术落后、病害不清及资金匮乏等问题，特别是西北地区农村经济发展相对滞后，问题更为突出。因此本文提出一套基于无人机检测桥涵病害的快速评价体系，它能够经济快速地对石拱桥进行大致评级。

本文结合实地调研病害数据和常见石拱桥病害的原因[4-6]、类型，针对陕西镇巴县石拱桥病害展开研究与讨论。在大数据背景下，利用现有的桥梁编码技术[7-10]，结合陕西省镇巴县路网中的桥梁情况，提出了一套适用于该地的桥梁编码，为指导桥梁管理部门快速准确评定桥梁技术状况提供了新思路。立足于解决公路桥梁技术状况评定中的检测贵、检测复杂[11]等问题，结合文献[12-15]无人机检测、图像识别在桥梁中的应用情况，在公路桥梁状况评定方法的应用方面，利用智能检测识别技术进行病害的检测；基于文献[16-18]国内外现有桥梁评价体系，参考国内现有的桥梁等级、农村公路的评定体系方法、运用《公路桥梁技术状况评定标准》[19](JTGT H21—2011)的评定方法的基本理论和步骤，提出了一套适用于陕西省镇巴县的简易快速评定体系；参考国内外学者关于圬工、混凝土收缩徐变的退化损伤机理研究[20-23]，从石砌体材料的风化和拱圈结构裂缝的损伤破坏的角度进行了石拱桥多因素影响下的退化损伤分析，并对评价体系进行了修正；最后以狮儿坝桥为实例，并使用有限元软件模拟了桥梁的挠度变化。

1 调研数据

在2020年12月底，到陕西镇巴县开展了农村桥涵状况实地调研。在实地调研过程中，了解到镇巴县近年来大力建设交通基础设施,如：桥梁、涵洞、隧道。根据镇巴县交通局的数据，截止至2020年底，镇巴县各等级公路占比统计如图1所示。其中还存在极少部分的等级外公路，由于地理环境复杂道路技术指标难以满足，因而四级公路占比最多。

图1 镇巴县各等级公路统计比例

截止至2020年底，本文对镇巴县公路桥梁各行政等级道路占年底到达数按跨径和使用年限分别也做了统计。在使用年限方面，绝大多数是永久性的桥梁，半永久性和临时性的桥梁占比非常少。根据SPSS相关性分析，桥梁的数量与镇巴县各行政道路里程数呈正相关，村道中桥梁的数量最多，国道中桥梁的数量最少。就跨径而言，大、中、小桥由于跨径和数量的影响，大桥数量少，跨径大，所以延米数总和相差并不大。不论是按跨径还是按使用年限都是村道占比最多，县道和省道相差不大，但由于村道的跨径普遍较小，所以单跨径而言村道与其他等级道路相差不是很大。就使用年限而言，绝大多数的半永久性和临时性桥梁都是村道。具体见图2。

图2 镇巴县2020年公路桥梁各行政等级道路占年底到达数(按使用年限分)

对于重要的危桥数量最多是县道，在镇巴县现存的桥梁中大部分为石拱桥，并且由于使用年限已有半个世纪左右，所以危桥也多为石拱桥，危桥数目占比最多的是省道，与第二的县道相差不大，村道占比小的原因在交通量小，行驶的车辆较少，危桥的占比相对少。

2 石拱桥病害分析

2.1 镇巴石拱桥主要病害类型

根据实地调研，发现镇巴县石拱桥的病害主要集中在四类：

(1) 栏杆缺失、损坏：栏杆对于桥梁荷载和结构的影响不大，但对行人和车辆安全造成一定隐患。

(2) 灰缝脱落:灰缝中的砂浆由于长期风化而松动脱落，加之雨水的冲刷，导致脱落。

(3) 桥台和桥基冲刷:在山区的乡村道路由于水流湍急、季节性雨水大因素，台基冲刷也是常见桥涵病害。

(4) 拱圈及腹拱裂纹:这类病害占的比例少，但对桥梁的安全性和寿命的影响巨大。

通过走访调查发现，陕西省镇巴县农村桥涵主要以石拱桥为主(占比达98%)；技术等级分为二至五级，集中在二级；根据交通局维修统计数据，病害归为10种类别，调研统计数据见表1。

表1 镇巴县10种常见病害类型统计

2.2 结合大数据桥梁编码对桥梁病害的统计

乡村地区使用的桥梁多为早期设计，加之西部农村地区经济发展滞后，没有足够的经费去检测桥梁的损伤情况，这也是调研病害数据的成因之一。在当前基于桥梁信息化的大背景下，借鉴BIM技术可对桥梁等项目进行监控，实现动态、集成和可视化管理。为乡村地区的老旧桥梁进行编码作为唯一识别的“身份证”[7]，并将该桥梁修建时间、材料、养护次数及措施等记录在案，助力农村老旧桥梁公路的养护管理。Duan等[8]建立了可实时更新桥梁损伤特征的桥梁信息模型，能准确地反映当前桥梁状况。胡兴意等[9]提出了一种融合BIM与影像建模技术的桥梁检测新方法，建立了桥梁运维管养BIM模型数据库。Colin等[10]建立了桥梁数据库，可根据自带的数据分析功能，识别桥梁常见问题，提出维修加固方法。桥梁编码至少应包括桥梁所在地，所处公路路网道路行政等级，桥梁名称。以陕西省汉中市镇巴县为例ZB。具体构成见表2，行政地区编码即为桥梁所在地区名缩写，如陕西省汉中市镇巴县为SN-HZ-ZB。路线编码以桥梁所属公路行政等级为开头。桥梁属性编码以桥梁用途为开头，如L为公路桥、T为铁路桥、J为公铁两用桥、Q为其他用途桥梁，以狮儿坝桥为例，其编码为：CN-SN-HZ-ZB-Y016610728-L-K16+678。

表2 桥梁编码代号

3 石拱桥的快速评价体系的建立

3.1 快速评价体系的提出

目前，我国农村小桥涵路况检评还未制定相关标准，普遍参考2011年开始实施的推荐性《公路桥梁技术状况评定标准》[19](JTGT H21—2011)进行桥涵病害调查和评价(以下简称标准)。严格来说，标准的方法是目前比较全面科学的评定方法，它细化桥梁病害等级，但在评分步骤和病害判定等方面的应用还存在诸多问题，尤其不适用西部农村地区的石拱桥，有时忽略某一病害严重程度，过于关注病害数量会出现评分偏差，同时还有现场检测工作量大、计算步骤复杂等问题[11]。

调研的镇巴县雨水丰富，山高路陡，境内石拱桥众多。然而由于农村地区管养资金匮乏和桥涵数量大，时间成本高等问题，急需一套简单、快速、费用少的石拱桥评价方法。

3.2 结合无人机检测对石拱桥病害的快速评价方法

在《标准》[19]中，对老旧石拱桥病害的划分和判别方法繁琐，这对农村地区管养人员造成了很大的困扰。因此，通过对镇巴县农村128座石拱桥进行调查，分析当地病害的类别及特征规律，利用Excel和Spss对镇巴县石拱桥的各类病害进行了归类、分析，同时结合无人机技术和卷积神经网络等图像识别前沿技术，建立了一套快速评定方法。

传统病害检测中需用到桥梁检测车等大型设备，由于检测费用昂贵、检测效率低下、对通车不利等问题，不适用于农村地区石拱桥的管养。而无人机可利用高空飞行优势，达到桥梁任何构件，检测数据可靠，安全性高。

在桥梁智能检测技术方面，针对镇巴县等农村地区GPS信号常有不稳定情况，Jung等[12]提出了一种基于即时定位与地图构建(SLAM)系统的无人机-桥梁自动监测技术，通过在无人机上安装可倾斜的3D激光雷达和单眼摄像机，解决了特殊环境中智能检测无人机GPS信号弱的问题，并实现了复杂环境中桥梁结构的智能安全评估。Alani等[13]提出了一种新颖的“综合”整体无损检测系统，将卫星遥感技术植入到GPR和InSAR集成的检测装置中，实现了对砌体拱桥结构以及结构连接精确位置的测定。

在图像识别及处理方面，Abdelkader等[14]采用了自适应的两层方法，基于飞蛾优化算法设计了混合图像过滤协议，该算法可用于检测噪声和恢复桥梁缺陷图像。杨杰文等[15]提出了一种结合U-net和Haar-like算法的卷积神经网络深度学习算法，可对桥梁裂缝的面积、长度和平均宽度进行定量计算。

为了摸清病害发展的规律，按照《标准》中石拱桥梁技术状况评定采用分层综合评定与单项指标控制相结合的方法,同时考虑石拱桥上部结构、下部结构、支座和附属设施的区别，确定各部件的权重值及指标,针对镇巴县实际调研数据调整评价指标,将无人机、卷积神经网络等图像识别前沿技术和镇巴县当地的病害数据深度融合，建立了适用于镇巴县农村石拱桥的SBCI快速评价体系具体流程[16]。根据《标准》，用SBCI以表征桥梁结构的完好程度，分五个等级。A级：完好状态，SBCI达到81～100，应进行日常保养；B级：良好状态，SBCI达到61～80，应进行日常保养和小修；C级：合格状态，SBCI达到41～60，应进行专项检测后保养、小修；D级：不合格状态，SBCI达到21～40，应检测后进行中修或大修工程；E级：危险状态，SBCI达到0～20，应检测评估后进行大修、加固或改扩建工程[17]。如图3所示。

图3 农村公路的SBCI快速评价体系

对于桥涵的病害，通过运用无人机飞机成像识别技术进行检测，同时分析该地区石拱桥的病害类型及数量比例与《标准》[19]中的病害技术评定和计算方法结合，以建立不同等级石拱桥病害为变量的SBCI值简易计算式，实现石拱桥病害状况的快速评价[18]。SBCI值计算式如下：

SBCI=w1×S1+w2×S2+w3×S3

(1)

其中，S1、S2、S3分别为桥涵上部结构得分、桥涵下部结构得分、桥面系得分。根据《标准》[19]在评定时考虑了未出现或者缺失要素权重二次分配，上部结构w1为0.4;下部结构w2为0.4，桥面系w3为0.2。

由《标准》[19]中拱桥的权重值，表3对于上部结构的病害类型为拱圈、腹拱裂缝裂纹和拱上结构及桥面板灰缝脱落两大类(权重分别为0.7和0.3)，S1可用公式(2)可计算：

表3 石拱桥各构件权重值

S1=0.7×Q1+0.3×Q2

(2)

其中：Q1为上部结构拱圈、腹拱裂缝裂纹的分值(标度一级为81分～100分，取中位数90分作为Q1的值；同理二级、三级、四级、五级的得分分别为70分、50分、30分、10分)；Q2为拱上结构及桥面板灰缝脱落的分值。

以上部结构为例，无人机成像识别结合《标准》的标度对桥涵的病害上部结构进行评定；从而得到S1的分值；S2为桥涵下部结构的分值，根据表3的权重可得到S2的计算表达式：

S2=0.33×p1+0.33×p2+0.34×p3

(3)

式中：p1、p2、p3分别为下部桥墩裂缝、桥台裂缝、基础裂缝的分值。

S3为桥面系的分值可归为三部分：桥面铺装裂缝；栏杆、护栏损坏或缺失；标志脱落、缺失；根据表格3可得到S3的计算表达式：

S3=0.80×R1+0.12×R2+0.08×R3

(4)

式中：R1、R2、R3分别为下部桥墩裂缝、桥台裂缝、基础裂缝的分值。

将式(2)—式(4)代入式(1)，可得到SBCI分值，从而由SBCI的分值可得到桥涵的病害状况。此评价采用无人机采集病害数据，直接降低检测成本，运用SBCI值简易计算式也达到了快速简评的效果。

3.3 综合石拱桥的退化损伤影响修正评价体系

老旧石拱桥由于服役时间长久, 拱圈、腹拱和拱上结构及桥面板等部位都出现了不同程度的风化和损伤，而结合无人机检测手段的评价体系仅考虑了外观的病害，考虑拱桥病害的内部退化损伤机理至关重要。

3.3.1 拱桥砌体结构裂缝的损伤破坏

Sellier提出裂纹的起始、扩展和宽度是根据局部应变来确定的，而不对离散元件的位置或方向进行任何初始假设。因此，裂纹和损伤区是由行为定律的软化阶段引起的应变局部化过程的结果。

而砌体的力学行为可通过一个简单的三维各向异性损伤模型来描述，它能够考虑局部裂缝的萌发和扩展。现有的模型中，由于通常不可能从石拱桥提取各种构件的代表性体积，但只能在不同材料中钻取芯样，并考虑石材-砂浆界面特性，因此模型使用数值均匀化过程来确定砌体体积行为规律的力学参数。因该数值模型能够模拟裂缝扩展，裂缝可以在空间的任何方向上发展[20]。

Sellier所描述的方法能够考虑现有控制条件，当有额外的影响因素增加如：较大的交通荷载、列车速度的增加、额外位移、以及结构上的加宽或加固，也可对结构响应开展预估。而从石拱桥的几何形状上来看，最大的应力发生在拱门的中间高度。因此，石拱桥可能会由于荷载效应而产生较大应力发生失效。由于拱桥的环境条件、交通影响以及地震和山体滑坡等动态影响，石拱桥拱桥的破坏机制比在其他结构中进展迅速。因此，必须在桥梁上进行定期维护，在修复后的桥梁不得承受高于规定值的载荷[21]。

3.3.2 材料风化损伤计算公式

受自然(如温度﹑水流冲刷、风化作用)和人为(交通量、重型车的影响)因素的共同作用,桥梁结构的几何形状、材料强度及其他物理性质等都发生了相应的退化和损伤[22]。

老旧石拱桥在风化作用下，石材性能退化，导致截面减小、脱落等问题，承载能力降低。相应地，退化和损伤将直接影响材料截面有效面积及强度。对于石拱桥截面损伤的综合评定值定义为D，表达式如下：

D=ξ(D1b1+D2b2)

(5)

式中：D1为材料风化指标的评定标度值；D2为材料损伤指标的评定标度值；b1为材料风化指标的权重值；b2为材料损伤检测指标的权重值[23]；ξ为截面折减系数，结合镇巴县统计分析；ξ当取得0.87，截面应力已达极限状态，当小于此值时,桥梁则需进行整改。

表4 截面风化损伤折减表

3.4 计算实例

根据交通局数据，狮儿坝桥位于茶太路上，于1989年建成通车，管养单位为镇巴县农村公路管理局。Y016茶太路为四级路，设计速度20 km/h，桥梁上部结构为1×13.0 m实腹式拱桥，下部结构为浆砌块石重力式桥台。桥长20.0 m,桥宽7.0 m。桥面铺装为水泥混凝土，见图4。该桥设计汽车荷载等级为汽-I5、挂-80。在最新的桥梁定期检查中，狮儿坝桥总体技术状况评定等级为3类。

图4 狮儿坝桥图

根据实地无人机拍摄的数据，狮儿坝桥的上部结构中，拱圈、腹拱裂缝裂纹：横向裂缝缝长≤截面尺寸的1/8，缝宽≤0.1 mm，得分为70分；拱上结构及桥面板灰缝脱落：累计长度单处长度≤1.0 m，得分为51分。其余各部分评分根据该项分几类而得分如4类得分依次为13、38、63、88；3类为17、50、84。具体分类及评定与《标准》[19]相同。

计算得分：

SBCI=56.8

SBCI分值评定结果为第Ⅲ类桥型，应进行专项检测后保养、小修。与镇巴县交通局评价类型吻合，模型评价体系比较准确。