高速公路改扩建工程桥梁改造方案探究

■尹栋佳 游德泉 周国华

（1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430051；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

高速公路是中国社会经济发展的必然产物，中国第一批高速公路大部分分布在国内较发达地区。随着迅猛发展，早期建设的高速公路承载能力日益饱和，服务水平明显下降。高速公路改扩建工程是在充分考虑资源环境约束力和承载力的前提下，通过集约利用运输通道、土地资源和路产资源，以优化交通结构、提高运输能力、提升服务质量为目的的公路建设形式[1]。高速公路的差异性大，而目前高速公路改扩建的工程实践还相对较少，因此改扩建过程中存在着较多重大技术问题亟待解决。桥梁改造设计方案是整个项目的控制性因素，对工程建设的影响较大。通过沪渝高速公路汉宜段改扩建前期工作的研究成果，对高速公路改扩建工程既有桥梁技术状况评价和设计方案综合评价问题进行探讨，以期为设计同仁提供参考。

1 工程概况

项目起点位于武汉市蔡甸区与京港澳高速交叉武汉西枢纽互通，途经武汉市、汉川市、仙桃市、潜江市、荆州市、宜昌市，论证终点位于与鸦猇高速公路交叉高家店枢纽互通。路线总长约265.6 km，高速公路现状设计速度分路段为120、100、60 km/h，路基有28.0、24.5、24.0 m 等多种宽度。双向四车道通行，改扩建完成后，将达到路基宽度42.0 m，设计速度120 km/h，双向八车道技术标准。

改扩建工程现状主线共设置桥梁598 座，其中4198 m/12 座，中桥2231 m/44 座，小桥2840 m/180 座，通道桥362 座。桥梁年检显示，全线1 类桥梁149 座，占比24.9%，2 类桥梁449 座，占比75.1%。本项目的特点是桥涵数量众多，现状桥涵以中小桥/通道为主。改扩建设计将进行专项桥梁检测，科学的检测评定方式和改造建设方案综合评价对建设方案的影响巨大。

2 既有桥涵技术状况评价

既有桥涵技术状况评定主要依据是《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）和《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG TH21-2011），采用分层综合评定法对桥梁主体构件进行分项评定后，对桥梁总体技术状况进行评定分级。构件技术状况评分计算如式（1）所示。

式（1）中：MCIl为构件（上构、下构、桥面系）第类构件构件的得分，值域为0～100 分；k 为第类部件构件出现扣分的指标的种类数；U、x 为引入的变量。

《公路桥梁技术状况评定标准》（下称 《评定标准》）是为桥梁养护决策提供依据，与改扩建工程的侧重点不同，适用标准需要进一步探讨和优化。（1）既有桥梁检测和评价是桥梁改扩建设计的基础。改扩建工程与桥梁日常养护各有侧重，《评定标准》将结构性病害与非结构性病害进行分层综合评价，表观病害与结构病害对评分有同等影响；而改扩建工程更注重桥涵结构能否满足安全运营需求，满足改扩建后一段时间内的承载能力和正常使用可靠度水平[2]。（2）剩余使用寿命是评价桥梁改扩建的重要指标，是改扩建工程中评定桥梁改造方案的重要方面，对衡量方案经济性影响较大。（3）平原区高速公路以中小桥涵为主，数量众多但类型相对单一，病害存在规律性。《评定标准》针对桥涵单体做出逐个评定，具有局限性；而改扩建工程需要对病害进行统计分类，整理出常见病害及个别病害，从而分析病害产生的主要原因。（4）高速公路桥梁养护较多，部分桥梁进行加固维修，对原有病害进行了掩盖，《评定标准》对于加固维修后的构件评分没有明确规定，检测评定分数偏高，导致结果失真。

根据现场专项检测结果和实地勘察情况，对评定结果提出如下改进措施：（1）根据改扩建项目的这一特点，将病害评价权重分成两类。一类是结构性裂缝、跨中挠度、结构变位等涉及结构安全的结构性病害，另一类是蜂窝麻面、剥落掉角等易修复性的耐久性病害。评定时先进行第一类病害技术评价，以确定结构的安全性能，当结构评分达到设定的下限值时，即判定为不宜利用；（2）混凝土碳化和钢筋腐蚀是影响桥梁耐久性和使用寿命的重要因素，项目提出结合混凝土强度、碳化深度、钢筋锈蚀等指标判断结构耐久性，当结构无明显的结构性病害，且耐久性良好时，第二类病害结果才可作为正常养护利用的依据；（3）对桥梁结构病害进行分类汇总，结合结构验算成果，分析病害主因。桥梁检测结果提供了海量的病害数据，不同孔跨、跨径的桥梁因构件数量不同、单项病害种类不同等因素，得出的技术状况评分易出现倒置情况，如部分桥梁病害较严重，但因构件较多、病害类型少等导致得分较高情况。为解决这类问题，将同跨径同类型桥梁病害进行分类整理，寻找出共性病害和差异性病害，绘制结构病害分布图，分析不同部位的病害频次和严重程度。建立结构模型验算，相互印证病害产生因素。（4）加固维修桥梁病害根据加固构件破坏的危害后果重新定级。以项目中20 m 普通钢筋混凝土T 梁为例，大部分采用钢板或碳纤维布对梁腹板和底板进行加固（图1），结构耐久性比健康桥梁相差很多。技术状况根据现有病害情况进行评定，不能反映真实的梁体健康程度。鉴于此，将进行过承载能力加固的桥梁状况等级自动递减一级，以原设计标准进行承载能力检测计算。表观病害修复的构件计入原病害情况，对评定分数进行扣减，纠正加固桥梁的评定分值偏高的问题。

图1 20 m 钢筋混凝土T 梁加固实景

3 既有桥梁改造方案综合评价体系

既有桥梁检测与评价是桥梁改扩建设计的重要基础，改造方案综合评价体系则是在此基础上更深入的研究，综合考虑桥梁既有状态、可行性、经济性、耐久性、施工难度、环境影响等诸多方面，难以用确定的数学模型加以量化，是桥梁改扩建方案的难点之一。模糊数学为多因素模糊评价问题提供有力工具，通过模糊变换原理和最大隶属度原则，从而对看来相当复杂的模糊系统进行定量的描述和处理，形成更加有效和有效率的决策。以专家调查法和层次分析法为基础，建立模糊综合评价体系，力求建立较为全面、科学、准确的桥梁改扩建方案[3]。

桥梁改扩建方案主要分三类：直接利用，加固利用或拆除重建。影响桥梁改扩建方案的因素众多（图2），为方便操作，指导实践，选取桥梁既有状态（安全性）、方案造价（经济性）、施工难易程度（可操作性）、对保通影响（建设协调性）、剩余使用寿命（耐久性）等5 项主要因素作为方案优劣的评价指标，将问题简化为一级模糊综合评价模型。

图2 桥梁改扩建方案综合评价指标

基于一级模糊理论评价指标体系分析步骤如下：（1）以选取的方案评价五项主要影响因素建立评价子目标集：U=（u1，u2，…，un），即U=（安全性，经济性，可操作性，建设协调性，耐久性）；（2）由于每个指标的评价值的不同，往往会形成不同的等级，根据检测结果及方案优劣分成：好D1=[0.8,1）、较好D2=[0.6,0.8）、一般D3=[0.4,0.6）、较差D4=[0.2,0.4）、差D5=[0,0.2），共5 个等级，对应评价体系计算的分值形成评级集：V=（v1，v2，…，vn）；（3）根据层次分析法建立评价目标权重分配集：wi=（wi1，wi2，…，wik）；i=1，2，…，k。各评价目标权重分配根据评价体系的侧重点进行分配，wi=（0.25，0.25，0.2，0.15，0.15）。同时引入安全性一票否决制，即当安全性评价分值低于0.4 分时，即安全性评定为较差或差等级时，其余各项评分为0，采取拆除重建方案；（4）请数个专家对各指标通过方案研究进行评价，按照九级标度法对影响因素进行评分。各位专家对每个设计方案的5 项指标独立进行评分，评分标准为0.1～0.9 分9 个标度，对应评价集中的5 个优劣等级及中间判断状态。以平均得分作为指标的最终得分，得到评价模糊矩阵：

4 综合评价体系应用实例

以东荆河大桥为例，东荆河大桥全长730 m，桥梁上部结构采用30 m 和40 m 预应力T 梁，下部结构采用柱式桥墩和柱式桥台。经桥梁专项检测，按照《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH21-2011）中的评定方法，全桥得分81.43，评定为二类桥梁。

图3 东荆河大桥现状

制定两侧拼宽、分离拼宽、拆除重建3 种建设方案，邀请5 位技术专家对桥梁方案的评价子目标集进行打分，以评分均值作为子项得分。以两侧方案的经济性指标为例，专家评分分别为0.8、0.9、0.8、0.9、0.9，平均得分为0.86，即R12=0.86。以此类推，得到评价模糊矩阵：

式（3）中，每行分别代表3 个方案，每列分别代表1 项评价子目标的平均评分值。可知：

即两侧拼宽、分离拼宽、拆除重建的综合评价分值分别为0.734、0.770 和0.704，由此得知，第二种方案分离拼宽优于其他两种方案，确定为设计推荐方案。通过模糊理论评价使方案优劣能够定量分析，从而得到较为科学的评定结论。

5 结语

（1）高速公路改扩建工程远比新建工程复杂，桥梁改扩建方案是工程建设重要的控制因素，应重视顶层设计。（2）既有桥梁技术状况评价和以指导养护为目的的规范之间的目标存在较大的差异，现有桥涵技术状况评定标准需要在实践中给予修正。（3）改造方案的综合评价体系受到多因素影响，定性分析往往不能正确决策，基于模糊数学的定量分析方法提供了研究方向。