關于公路橋梁預防性養護的研究

王濤

（海南省公路管理局陵水公路分局,海南 陵水 572400）

關于公路橋梁預防性養護的研究

王濤

（海南省公路管理局陵水公路分局,海南 陵水 572400）

隨著我國社會經濟的快速發展、人們生活的日益改善，車流量日益增多，公路橋梁的負荷也日益增大，影響橋梁的長期安全使用，因此加強公路橋梁的預防性養護勢在必行，必須重視。主要對公路橋梁預防性養護的必要性、水平的確定、時間的確定、實施等進行了探討。該研究具有重要的現實意義，可對橋梁的養護工作提供參考。

公路橋梁；預防性；養護

0 引言

隨著我國國民經濟的迅猛發展,對交通運輸提出了更高要求,公路運輸對公路橋梁的通行能力和承載能力的要求也越來越高,而一些舊橋老化、破損等現象日趨嚴重,許多舊橋難以適應日趨增長的交通量需求。因此必須十分重視公路橋梁的預防性養護,使橋梁能長期處于良好狀態,提高公路橋梁的技術狀況及車輛通行能力,延長公路橋梁的使用年限。

預防性養護就是在還沒有發生明顯病害之前就進行的養護,目的就是防止或減緩病害的發生,達到耐久性和延長使用壽命的目的。對已建成的橋梁,其內在因素已經定型,設計施工中的缺陷已經存在,為了延長其耐久性,就必須針對存在的問題進行預防性養護。

1 公路橋梁預防性養護的必要性

預防性養護理念的核心在于防患于未然，基礎在于經濟性最優。也可以說，預防性養護就是指在橋梁使用狀況衰減的初期，在最適當的時機應用最適當的預防性養護措施，以最小的壽命周期成本最大程度地延緩橋的退化。

應用預防性養護可以制止微小損壞，延遲進程性損壞，減少糾正性養護。預防性養護需在橋梁出現明顯破壞之前進行；而糾正性養護則是用于道路系統使用功能與結構遭到破壞時，兩者并存于一個全面的橋梁養護計劃中，并形成科學的相互關系。但橋梁養護的重點應放在防止橋梁變化到需要糾正性養護，因為糾正性養護所需的費用比預防性養護高。

在不同的時間采取不同的養護措施所需的費用相差是很大的，這就需要確定路況良好時進行預防性養護和橋梁破壞時進行大中修的費用效益關系。因此，預防性養護是對現有橋梁有計劃的、經濟有效的一項維護工具。以公路工程為例，美國公路管理部門從20世紀80年代以來，通過對幾十萬千米不同等級道路進行跟蹤調查，發現道路的使用性能和壽命有一個共同的變化特征：一條質量合格的道路，在使用壽命75%的時間內性能下降40%，這一階段稱為預防性養護階段。此階段如不及時進行養護，在隨后12%的使用壽命時間內，性能將再次下降40%，而養護成本卻要增加3～10倍，這一階段稱為糾正性養護階段。研究表明采取預防性養護的橋梁，其效益費用是不采取任何養護措施的橋梁的6～10倍。根據SHRP計劃估算，在整個橋梁壽命周期內進行3～4次的預防性養護可以延長使用壽命10～15年，節約養護費用45%～50%。這就是重視預防性養護的經濟意義[1]。然而，目前國內橋梁工程所采用的養護措施更多的是屬于糾正性養護。因此盡快引進國外橋梁養護管理的先進理念，以實際橋梁為應用基礎，開展預防性養護問題的研究，這在延緩橋梁使用性能惡化速率、延長其使用壽命，和節約壽命周期費用等方面具有重要意義。

2 公路橋梁預防性養護水平的確定

橋梁預防性養護水平的確定主要建立在結構失效標準的設定上。結構工程的失效大致可分為兩大類：結構失效與條件失效。結構失效導致倒塌，而條件失效只是意味著超過了某個預先確定的標準水平。條件失效被定義為結構未能滿足最基本的功能要求，例如用最低安全性要求來防止結構處于不安全狀態。結構的失效通常不是源于結構失效而多半是由于條件失效。因此必須對結構進行監測以便發現條件失效。

在給定失效標準的情況下，橋梁養護人員可以對預防性養護水平進行優化。在預防性養護成本與糾正性養護成本之間找到最佳平衡點。糾正性養護成本可能包括交通堵塞、繞行、載重量限制和橋梁停用等所造成的損失。預防性養護取決于兩個決策變量：一是檢測率（頻率和精度），二是預防性養護水平。兩者互相影響，高檢測率允許低預防性養護水平（最低到接近失效水平），低檢測率應該有比失效水平更高的預防性養護水平。定期更新模型能夠確定最優的預防性養護水平（近似的成本最優）[2]。定期更新策略遵循如下規則：如果維修對象未發生失效，則按照預先確定的時間間隔進行更新；如果發生失效，則立即實施更新。即以無限時間范圍的期望貼現成本做標準來比較不同的維修決策方案，從而在預防性養護成本跟糾正性養護成本之間尋求平衡。

結構的維修可以看作是一種離散的更新過程。這里的更新是指為使組件或構件恢復到其初始狀態或足夠新的狀態所實施的各種措施。有限時間區間（0，n）更新期望貼現成本，用 E[K（n，α）]表示，可從以下迭代公式得到：

式中：ci和pi分別表示時間i時一次更新的成本和發生概率（i=1，2，3，…）；r是貼現率。根據離散更新理論，無限時間區間（0，n）更新期望貼現成本可由下式給出：

根據全壽命（成本）理論，要得到成本最優的投資決策，需要在初始投資成本跟未來維修成本之間尋求最優平衡。于是無限時間跨度的總支出就等于初始投資成本C0與式（2）所給出的期望貼

公路在役橋梁隨著環境條件的變化、大量超載車輛的運行、材料隨時間老化等因素的影響，橋梁的承載能力狀態也在變化并引起一些關鍵部位的特征參量（如應力、應變、位移、振動、頻率）的變化。測量這些特征參量的變化，并根據所建立的評定模型或評定標準值來判斷橋梁的運營狀態及病害原因和程度，并對橋梁的安全給出適應的評價，是預防性養護工作實施的主要內容，如圖2所示。現未來成本之和，使該和最小的投資方案就是最優決策[3]。

3 公路橋梁預防性養護時間的確定

假設橋梁A第i測量位置的定期測量次序分別為 1，2，3，…，n，各次測量值分別為 yi1，yi2，yi3，…，yin，又假設該測點的典型值為yi0，則可得一比值系列，即Yj=yij/yi0，j=1～n。又設第j次測量距第1次測量的月數為 xj，j=1～n，其中，x1=0。將 Yj序列用曲線擬合，可以得到趨勢分析結果如圖1所示。

圖1 橋梁狀態趨勢預測（指數曲線擬合）示意圖

依據最小二乘擬合方程，可以分別確定線性擬合方程、指數曲線方程和拋物線方程的參數。待參數確定后，即可分別確定誤差F，F最小者所對應的擬合方程即可認作橋梁狀態發展趨勢的預測方程。當不容許狀態的門檻值Y確定后，即可依據所選定的橋梁狀態趨勢方程確定達到門檻值時的時間xf，則距最后一次的檢測時間為xf-xn。根據橋梁狀態發展趨勢的預測結果，可適當調整監測時間，若發展較快，應縮短兩次監測相距時間，若發展緩慢，可增長兩次監測時間。根據橋梁狀態趨勢預測結果，合理安排維護時間和內容[4]。

4 預防性養護的實施

圖2 公路橋梁預防性養護主要工作示意框圖

橋梁的重要性可分為特別重要、重要、一般三類，受地理位置和橋梁結構的限制，橋梁監測的難易程度可分為特難、難、易三類。對于特別重要的橋梁，若不能采用在線監測，可將傳感器固定在監測點處，用引線引至固定的接線盒處并進行標記，巡檢時將測量儀器分別與傳感器相接，即可進行逐點巡檢。

對于較易監測的重要橋梁，若考慮監測成本，不需要在每個監測部位永久固定傳感器，只是在巡檢時安裝，該點檢測完畢，將傳感器移至下一個監測點即可，但在每個監測點應安裝便于傳感器安裝的附件。對于永久安裝的傳感器和安裝傳感器的附件，要注意安裝可靠性，并具有防水、防銹等功能。對于一般的橋梁，應主要以人工視覺觀測為主，在觀測橋梁外觀的情況下，應設置一些重點且固定的觀測部位，從定性和定量等方面進行觀測，對于特別重要和重要的橋梁，也要設置一些人工視覺觀測部位進行定性和定量觀測，并進行定性評價，并開發適應于公路橋梁安全監測與維護的計算機軟件。

5 結語

對公路橋梁工程預防性養護技術的研究分析具有重要的現實意義。本文首先介紹了公路橋梁開展預防性養護的必要性，其次通過定期更新模型來確定最優的預防性養護水平；并根據最小二乘法進行了預防性養護監測時間的安排；最后在上述研究基礎上對公路橋梁預防性養護工作的實施進行了探討，研究內容可對橋梁的養護工作提供參考。

[1]董瑞琨，孫立軍.路面維護及預防性養護效益分析[J].公路，2004，3（3）：25-27.

[2]曹明蘭，黃僑，楊偉軍.基于條件狀態和基于可靠度的橋梁維修方法的比較研究[J].公路交通科技，2006，23（9）：46-50.

[3]胡善華.淺談橋梁預防性養護技術及其發展應用[J].華東公路，2010（1）:53-55．

[4]張雅濤.高等級公路加強預防性養護的意義及具體實施建議[J].交通世界，2006（4）：12-14.

U445.7

B

1009-7716（2017）10-0131-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.039

2017-04-20

王濤（1965-），男，海南瓊海人，工程師，從事道路與橋梁施工養護工作。