城市橋群的養護規劃研究與應用

郁敏

（同濟大學土木工程學院，上海市200092）

0 引 言

橋梁結構是城市交通的重要節點，其運營安全不僅對維持城市功能至關重要，還對保障城市經濟社會發展作用重大。我國經過數十年的城市化發展，許多城市已建成了大量橋梁結構，包括數量眾多的梁式橋，以及各式各樣兼具景觀功能的拱橋、斜拉橋和懸索橋。這些結構經過數十年的材料老化、重載交通作用、環境銹蝕作用等因素的影響，已有一定數量出現了明顯的結構性能衰退，對應的運營安全性顯著降低[1]。

由于建設時間相對集中，在役城市橋梁可能在未來的某個時間段集中出現同類型橋梁的同類病害爆發，導致“休克式”的交通癱瘓和大面積的養護需求[2]。與這種可預見的養護危局形成對比的是，目前許多城市橋梁的養護技術狀況偏低，養護管理工作存在不系統和不完備的問題。部分地區甚至無法按照現有的養護標準進行及時的結構檢查。面對城市橋梁數量巨大、種類各異的特點，如何從管理規劃層面開展城市橋梁養護工作，科學系統地提升城市橋梁養護水平，是一項對城市基礎設施管理人員來說重要且急迫的任務[3]。

不同于單體橋梁的養護，城市橋梁具有養護對象多、養護體量大、結構形式多樣、環境復雜等特點。針對大型單體橋梁的傳統養護模式應用到城市橋梁中將導致較高的養護成本。針對這一問題，研究提出“橋群”養護概念，即針對管理區域內多座不同結構形式、不同環境作用等差異性橋梁結構的共同養護。本文以寧波市區橋梁未來15 a的養護規劃研究為例，闡述城市橋群養護規劃內容、流程和具體細節，以期為其他城市橋梁開展系統性養護工作提供參考。

1 城市橋梁群養護規劃流程和內容

基于城市橋群概念的城市橋梁養護，以“總體規劃、一橋一養”為原則，在全面掌握結構運營狀態、病害成因和發展趨勢的基礎上，立足規范、兼顧實際養護能力，科學安排養護計劃和養護內容，提高養護的針對性，減少不必要的養護資源浪費，提高養護質量。

基于城市橋群概念的城市橋梁養護規劃流程和內容簡圖如圖1所示。由圖1可知，其規劃和內容由養護現狀調研、巡檢養護規劃、檢查檢測規劃、監測和信息管理規劃4個部分組成。

第1部分養護現狀調研是指對橋梁養護相關內容的全面調研，包括但不限于橋梁結構基本信息調查、結構技術狀況調查、結構檢測和維修記錄調查、結構養護體系調查、結構養護工作技術力量調查、養護管理機制調查，養護管理從業人員調查、養護管理設施調查等，力求全面細致。通過調研充分掌握當地的橋梁養護基礎現狀。

在全面了解結構養護現狀的情況下，根據養護需求，制定養護計劃，開展后3部分內容。工作包括：

圖1 城市橋梁群養護規劃流程和內容

（1）巡檢養護規劃。明確不同橋型、不同橋梁的共性和特殊養護內容，形成針對每座橋梁的巡檢手冊，使現場巡檢人員有針對性；同步開展對每座橋梁養護標準的制定，使養護工作具有規范性和延續性。

（2）檢查檢測規劃。明確基于橋型的橋群檢查檢測內容以及基于個體橋梁構件的檢查檢測內容，形成統一的規則，使檢查檢測工作、測試、數據更具一致性，如統一的測點布置、統一的編號規則等。針對橋梁共性病害，結合橋梁目前的養護技術狀況和養護能力，制定預防性檢查維修規劃。對潛在的病害做到“預養護”[4]，通過及時的小修避免結構突然的功能失效。

（3）監測和信息管理規劃。明確監測的理念和需求，建立共性監測內容和個性監測內容，并對監測數據的利用、報告、預警、信息平臺等進行綜合規劃。

2 寧波城區橋梁養護現狀

以寧波市城區的大型橋梁為規劃案例。養護規劃制定前期開展針對寧波市管橋梁養護現狀的全面調研。從橋梁運營現狀、養護管理現狀等方面系統掌握養護現狀。

2.1 結構基本信息

通過查閱橋梁結構資料、養護資料，結合現場勘察、實地走訪等方式，統計了21座寧波市管大橋的技術現狀。寧波城區現有21座已建成的市管大橋，從建造時間看，最早修建的橋梁為1936年建成的寧橋，至今已有80 a歷史。另有一半以上的橋梁已運營10 a以上，還有數座新建成的橋梁。可以看出，市管橋梁的建造時間跨度較大（如圖2所示）。

圖2 寧波市管大橋基本信息統計

21座大橋涵蓋了4類基本橋型，包括梁式橋10座、拱橋7座、斜拉橋3座以及懸索橋1座。其中，梁式橋以簡支梁橋為主，總共包括6座簡支梁橋、2座T型剛構橋、1座連續梁橋；7座拱橋有1座為三鉸拱結構，其余均為系桿拱結構，但拱圈和主梁形式各不相同；3座斜拉橋結構形式各異，分別為獨塔斜拉橋、雙塔斜塔斜拉橋和斜塔斜拉橋；懸索橋1座，為自錨式結構形式。

2.2 結構技術現狀

從橋梁管理歸屬看，大多數市管橋梁為市政橋梁，按照城市橋梁養護技術標準[5]進行相關養護和評價工作；少數橋梁屬于公路橋梁，按照公路橋涵養護規范[6]養護，并按照公路橋梁技術狀況評定標準[7]進行評價。從最近1年21座市管橋梁評定結果看，僅1座橋梁運營狀態被評定為A類，其余橋梁均有不同程度的退化或損傷。其中，興寧橋和慶豐橋技術狀態差，達到規范4類橋或D類橋的技術標準，需及時開展檢查和維修工作。

從具體病害看，不同類型的橋梁存在一些共性的病害形式。其中，梁式橋的共性病害為蓋梁開裂、滲水；主梁底部破損、開裂；管道支撐構造物銹蝕；構件變形變位。拱橋的共性病害為拱腳裂縫、系桿錨頭銹蝕、吊桿局部銹蝕、主梁損傷。斜拉橋的共性病害為索梁錨固區構造銹蝕、索塔錨固區構造銹蝕；斜拉索表面裂縫、滲水；橋塔開裂、露筋。懸索橋的主要病害為錨索區開裂漏油、主纜保護層開裂及脫落、吊桿護套損傷、吊桿錨頭銹蝕。

這些共性的病害說明對于建造時間接近、構件類似的橋梁，同種病害可能集中爆發。如梁式橋的下部結構開裂問題，纜索體系橋的拉索銹蝕問題。除共性病害外，針對各個橋梁各自的特點，還有每座橋特殊的結構病害。這對橋梁運營安全管理提出了極高的要求，其中既包括對管養體制的要求，也包含對管養技術人員、養護策略等多方面的要求。常規被動式的養護不利于未來橋梁安全狀態的保持，需要探索更加積極有效的管理養護技術。

2.3 養護工作現狀

對橋面高程固定監測點、橋梁檢修通道、健康監測系統的運營情況進行統計，調研發現的養護設施問題主要包括：

（1）7座大橋橋址附近未建立永久高程觀測點，缺乏橋梁結構長期檢測的基準，每年的高程檢測數據無法橫向比較。

（2）部分大橋缺少必要的檢查通道，對于一些重要的構件、構造，沒有靠近方式，這對結構檢查、病害處置造成阻礙，不滿足橋梁養護需求中“可到達、可檢查、可更換”的要求。

（3）既有檢查通道維護狀況不良，結構建成時設置的檢修設施，如移動桁架等，經過多年的運營，相關的機電設備、結構構造都嚴重老化，存在安全隱患，部分設施無法正常運行。

（4）對于同一座橋梁結構檢查檢測，未建立統一的標準，例如測點位置、測點編號、測試內容等，導致各年度不同養護檢測單位形成的檢測方案相差較大，檢測報告數據無法前后對應，不利于對結構運營現狀的科學判斷。

（5）部分市管大橋結構運營狀況已經相對較差，隨著時間推移，結構構件退化將加速，未來對各座橋梁開展針對性的檢查檢測作業量將不斷增加，現有的檢查檢測委托制度有待優化。

此外，研究對寧波市區橋梁上的交通狀況進行了調研統計，統計數據表明市區內部分交通要道上的橋梁車輛荷載平均水平顯著高于其他橋梁。并且，隨著寧波城市的快速發展，道路的車流量逐漸增加。車流特性變化對橋梁結構造成不利影響，也對橋梁的管理帶來了新挑戰。市區內橋梁作為主要的交通節點，在管養過程中對突發事件的預警和處置要求進一步加強。

3 城市橋梁巡檢養護規劃

以4類基本橋型為劃分，根據調研得到的共性病害和每座橋梁的特殊病害，結合城市和公路橋梁相關的養護規范，制定各類型橋梁的共性養護內容。再對每座橋的特殊病害補充增加每座橋各自的特殊養護內容。形成既有同一性，又具針對性的養護內容規劃指導。

以永豐橋（混凝土梁橋）為例，基于城市橋梁養護技術標準制定梁式橋的共性養護內容，作為永豐橋養護內容的一部分。再結合調研得到的永豐橋特殊病害，補充形成針對性的特殊養護內容。最終形成永豐橋的規劃養護內容如表1、表2所示。

表1 永豐橋共性養護內容規劃

表2 永豐橋特殊養護重點

21座市管橋梁均建立了類似永豐橋的養護內容規劃表。根據每次檢查內容可對該表進行修訂，以指導下一次的檢查養護工作。如此循環推進，使得養護工作更具針對性和連續性。

4 城市橋梁檢查檢測規劃

4.1 橋群檢測總體規劃

根據《城市橋梁養護技術規范》（CJJ 99—2003）和《公路橋涵養護規范》（JTG H11—2004），對使用中的城市橋梁必須按照規定進行檢測評估，及時掌握橋梁的基本情況，并采取相應的養護措施。城市橋梁的檢測評估應根據其內容、周期、評估要求分為經常性檢查、定期檢查和特殊檢查幾個部分。

根據規范要求和實際橋梁性能狀況形成寧波市管橋梁檢測總體規劃的基本原則：常規定期檢測應每年1次，I類養護的橋梁結構定期檢測頻率為2 a，II～V類養護的橋梁結構定期檢測頻率為6 a。根據橋梁實際性能狀況對其結構定期檢測和特殊檢測先后順序進行優化調整，具體調整措施如下：

（1）根據近 3 年檢測結果，A～C 類(合格)橋的檢測時間可以相對較晚安排，D～E類(不合格)橋的檢測時間安排較早。

（2）近3年已經做了結構定期檢測和特殊檢測且結果為合格的橋梁，下一次檢測將安排在較晚時間。

（3）檢測結果為D～E類的橋梁，當年應進行維修加固，接下來的2 a按照每年1次的頻率進行結構定期檢測和特殊檢測，以評價維修加固效果。若第2次檢測結果為合格，則將其檢測頻率恢復為正常頻率。

（4）新修建或者改擴建橋梁，根據規范要求，在修建1 a后進行定期檢測。

（5）最終形成的年檢測工作量不宜出現較大的年度波動，并且考慮管養水平的不斷提升，每年檢測養護的數量可呈逐年小幅增長的趨勢。

（6）梁式橋基本為II～V類養護橋梁，結構定期檢測和特殊檢測的頻率相對較低；拱橋、斜拉橋和懸索橋基本為I類養護橋梁，結構定期檢測和特殊檢測的頻率相對較高；部分橋梁建造時間較晚，橋梁性能情況較好，檢測可稍遲進行。

研究根據上述原則形成了寧波城市橋群檢測管理的總體規劃安排。

4.2 單個橋梁檢查詳細規劃

在總體檢測規劃的基礎上，根據單個橋梁的結構變化、病害發展趨勢，形成針對每座橋梁的詳細檢查規劃。研究從核心受力構件的損傷演變、關鍵整體響應、橋梁整體狀態變化3個層次分析單個橋梁的技術狀態。

以琴橋為例（拱橋），根據調研的情況，琴橋主要構件的病害問題匯總如表3所示。對核心受力構件的變化分析以主梁的裂縫開展情況為例，近3年的裂縫病害發展趨勢如表4所示。對比可知，琴橋主梁裂縫病害在前2年出現了明顯的惡化趨勢，第3年進行了及時的修補，但同時出現了新的病害。因此，針對琴橋主梁的裂縫病害，提出對應的管養建議，包括：

（1）要求檢查單位在每年常規檢查中對琴橋箱內裂縫進行檢查，在規定的位置進行拍照，保存現場圖片、狀態描述文本。

（2）要求檢查單位在每年常規檢查中對箱梁底板上的露筋情況進行檢查，在規定的位置進行拍照，保存現場圖片、狀態描述文本。

（3）要求修補后的2 a時間內，每半年對箱內裂縫修補后的情況進行1次外觀檢查，確保裂縫修補的有效性，2 a內若修補處不出現裂縫，可降低檢查頻率，以每年的常規檢查替代。

表3 琴橋主要構件的病害問題

表4 琴橋主梁裂縫病害演變

限于篇幅，其余核心構件的病害在此不一一列舉。最終形成針對琴橋的具體養護規劃時間表，從2019年到2029年。養護類別包括常規定期檢查、結構定期檢查和特殊檢查。養護檢查的對象細化到橋面系、上部結構、下部結構、支座、橋面幾何線形、主梁、拉索、橋塔、支座、材料特性檢測、淤積、沖刷、靜載試驗、動載試驗、承載力評定等。

通過這種方式，可以在橋群層面綜合分析各類橋型養護的輕重緩急，又可根據每座橋的實際情況，確定具體橋梁構件養護的輕重緩急。從各個層面進行分析考量，最終形成“總體規劃、一橋一養”的科學養護體系。

5 城市橋梁監測和信息管理規劃

基于物聯網的信息化管理發展趨勢，促使橋梁管理走向更智能、更實時、更全面[8]。城市橋梁的監測規劃建立在與城市橋梁養護管理體系相互協同作用的基礎上，以較小的成本實現對城市橋梁關鍵指標的監測和信息管理。研究提出“間斷監測”、“監測、檢測結合”、“重點監測”的基本理念。

從整體上看，對結構運營安全的監測主要通過對結構位移和撓度的總體結構響應指標實現，結合定期檢測對結構高程的復測對比，既可校驗監測數據的準確性，又可結合檢測數據提高監測評估的可靠性。同時，針對各種類型橋梁制定普適的監測內容，再根據具體每座橋梁的病害特點建立針對性的監測內容，可使測點數量大幅減少并具有針對性。測點傳輸方式以無線傳輸為主。監測系統整體上具有“小而精、布置快”的特點。

以混凝土斜拉橋為例，明確普適的監測內容為：主梁跨中關鍵位置撓度、關鍵拉索索力(頻率)、索塔變形狀態、支座沉降監測、車輛過往量及軸載監測。個體橋梁的監測內容以甬江橋為例，在主梁、蓋梁等關鍵構件的病害位置和關鍵位置設置定位釘點，定期安排人員使用高精度測量設備對結構病害區域和關鍵位置進行測量，記錄結構變形，及時發現結構病害發展和潛在安全隱患；考慮到該橋的主橋為斜拉橋結構，結構較柔性，拉索為主橋結構安全關鍵構件，且拉索外部巡檢難以發現拉索內部病害，因此建議該橋補充拉索應力傳感器以監測拉索應力狀態。該橋主塔橋墩位于河道中，存在一定船撞風險，風險概率較低但是風險損失嚴重，因此建議在主橋跨河區域補充視頻監控設備，監測河道安全狀況，避免船撞風險帶來嚴重后果。具體傳感器布置如圖3所示。

圖3 甬江大橋監測系統測點布置圖

研究還對監測數據的利用、報告形式、科研、監測平臺的綜合管理等提出了規劃建議。

6 結 語

（1）通過系統規劃的檢測和養護內容，可在病害集中爆發之前，循序漸進式地改善結構運營狀態，避免同類病害集中爆發、養護加固需求井噴式出現。

（2）預防性檢查和養護是城市橋梁養護的理想方法，通過系統的檢查、合理規模和頻次的小修小補，可以科學避免橋梁休克式的功能失效和封閉維護，這對于保障繁忙的城市交通至關重要。

（3）通過橋群的概念，形成共性病害、特殊病害的共性養護內容和特殊養護內容，以及共性監測內容和特殊監測內容，既能實現一橋一養的針對性，又能達到高效統籌的系統性。