公路混凝土桥梁的周期性预防养护研究
路方哲
(平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467000)
公路桥梁养护主要是预防性养护和维修性养护，当前的桥梁养护主要是维修养护，这种养护方式已经无法满足交通运输的要求，预防性正成为公路桥梁养护及管理的重要途径，对公路桥梁开展周期性的预防养护，能够及早发现桥梁病害潜在风险，并及时处理此风险，从而确保公路交通安全。当前，我国公路桥梁养护中存在诸多不足，如未认识到公路桥梁预防性养护的重要性，相关养护决策的主观性比较强，缺乏相应的养护体系及评估体系。本研究以G311徐西线沙河桥梁工程为研究对象，探明混凝土桥梁的主要病害特征，并以实证分析的方式解决公路混凝土桥梁周期性养护问题。
公路混凝土桥梁在通车使用后，受各种因素的影响会产生剥蚀、锈蚀及裂缝等病害，若不及时养护，会降低桥梁的结构性能，危及桥梁承载力及使用寿命。所以，应对公路混凝土桥梁进行周期性养护。从混凝土桥梁养护效果看，主要有纠正性和预防性两种养护方式，预防性养护主要是小修与正常保养，而纠正性养护则是大修、中修和加固性改造。预防性养护对象主要是轻度损害，不影响使用功能，或是中度损害，能正常使用但却超出预防养护范围。依据公路桥梁评估标准要求，对桥梁全桥、全结构及部件、构件、桥面系等进行评估，以确定桥梁病害程度及类型，本文以此方法确定公路混凝土桥梁的病害。在桥梁技术评估中应考虑桥梁交通路折损，参照文献[1]，且引入了超载系数
(1)
(2)
其中:WPMCIl为上部结构；
WBMCIl为下部结构，WDMCIl桥面系l构件得分，取值范围为0～100；
Uz构件评估扣分值决定下的变量。
依据公式(2)及分层评估法，桥梁上部、下部结构及桥面系i类部件得分可以确定为WPCCIl、WBCCIl、WDCCIl，桥梁上部结构及下部结构、桥面系得分分别为WSPCI、WSBCI及WBDCI，桥梁总体得分为Dy，在交通量影响下的预防病害为：针对桥梁病害类型、严重程度及位置的构件评分为WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl。假设除公式(2)中设计的构件之外，其与构件得分均100分，桥梁部件状况的评分表示为WSPCI、WSBCI、WDCCN；
假设除公式(3)之外其他部件状况得分是100分，依据部件位置实施的桥梁上部、下部结构及桥面系状况得分分别表示为WSPCI、WSBCI及WBDCI，假设桥梁总体状况得分DI为1或2时为桥梁病害时，考虑到分层评论中各项权重的差异，将主部件超标度低于3的病害种类纳入预防养护，桥梁次部件超标度低于2的病害种类纳入预防养护。为此，表1针对病害种类与病害特点，对桥梁技术状况进行定量描述和定性描述评定。
表1 公路混凝土桥梁病害种类与特点
如表所示桥梁混凝土构件的病害种类较多，而支座结构间的缺陷因素，导致了支座发生过大的位移和变形，从而造成支座一侧外鼓问题。并由此导致结构力传递形式的变化，进而对上部结构、桥面系、下部构件的其他部位产生不利的影响。
2.1 构建退化模型
由于桥梁技术退化的影响因素比较多，而线性模型无法全面反映其衰减规律，以及技术退化后的影响因素具有非线性特征，参照文献[2]研究成果，选择非线性退化模型分析桥梁技术情况
(3)
式中:t小于等于t1，且大于零；
D(t)为桥梁结构的技术水平，是t(时间)的函数；
t1为初始退化时间；
D0为初始技术水平取值；
α为退化指数；
β为环境及外界荷载影响参数，而荷载取值均依据桥梁自然劣化监测数据确定。退化预测数据表明：桥梁技术退化参数值同桥梁所在地交通等级、桥梁结构形式、桥址环境等相关。
2.2 养护前后预防效果预测
桥梁养护的策略比较多，不同养护策略所产生的养护效果、养护费用也不同。假定预防养护间隔时间相同、养护效应时间相同，且单次养护后影响指标增量也相同，每次养护指标值低于初始值。养护后，tpD(养护效应持续时间)内，以相同退化规律的退化，超过养护效应的持续时间后，又以初始未养护的退化率进行退化。按照初始退化时间(t1)、首次养护时间(tp1)及养护间隔(tp)、养护效应持续时间等的相互关系，构建四种养护的时间约束关系，也就是四种养护的策略。同时按照公式(3)的退化模型及此养护策略，能够构建和计算任意时刻的桥梁养护效果。可针对桥梁交通路折损种类和特征，制定四种养护策略。
策略1：未初始退化时没有养护，养护间隔不超过养护效应持续时间；
策略2：未初始退化时没有养护，养护间隔超过养护时间的持续间隔；
策略3：未初始退化时即已养护，养护间隔低于养护效应的持续时间；
策略4：未初始退化时即已养护，养护间隔超过养护效应的持续时间。
3.1 混凝土桥梁周期性预防养护成本
间隔养护中存在时机优化问题，间隔养护过晚不能体现其养护价值，间隔养护过早又会浪费养护资金，只有找到间隔养护时间及费用的最佳点，才是预防养护的最佳时机，可按照桥梁生命周期的最低养护费用去确定其最佳间隔养护时机。依据桥梁养护监测数据、信息融合技术文献[3]，在考虑资金时间价值情况下，桥梁周期性预防养护费用模型如下
(4)
式中:C(tp1,tp)为养护总费用；
Ci(tp1,tp)为单次预防养护的费用；
n(tp1,tp)为养护次数；
tp为间隔时间；
tp1为初始时间。确定养护方案后，桥梁预防养护的成本有管理成本CM、用户成本CU及社会成本CS构成，其中管理成本主要是检测费用、管理费、加固费、养护费，均由桥梁管理单位及实际调查确定。用户成本主要是燃油消耗、车损、交通延误等费用，可从交通仿真软件中模拟获得该费用。
3.2 养护初始时间及周期优化
参照文献[4]研究成果，应用单指标优化模型(5)式，在满足桥梁寿命周期内技术条件的最小养护成本进行优化，优化变量为tp1与tp，目标函数为C(tp1,tp)，边界条件为技术约束，且把桥梁限定于高性能2类及1类病害，为确保其最大化的服役时间，寿命周期内的预防养护费用模型为
(5)
D(t)≥80,s.t
(6)
预防养护最迟开始时间要不小于tp1，t小于T。C(tp1,tp)为桥梁养护总费用，以D(t)为桥梁结构技术情况，按照不同养护策略所得，T为桥梁结构设计使用寿命。养护优化模型研究可有效提升管养决策的客观性[3-4]。
4.1 G311公路混凝土桥梁概况
以G311徐西线沙河桥改造工程为例，此桥始建于20世纪70年代，1998年调研该桥营运状况时显示：沙河桥为沥青混凝土桥面，车流量日均2.3万辆，货车达1.3万辆，货车超载率达72%，平均超载量18%左右。按照现场检查情况，该桥梁状况总体良好，上部结构存在梁底板刮擦病害，铰缝外勾缝部分脱落，下部结构部分桥台锈胀或掉角，桥面系存在伸缩缝破损及车辙、堵塞等病害。
将交通量折损纳入技术状况评估中，按照公式(1)对其超载系数进行计算，计算出γex值为0.073，把γex值代入公式(2)，对此桥梁技术情况进行分层次打分，获得桥梁状况评估结果，结果显示桥梁技术整体得分88.97，为2类桥梁，主要构件病害类型超过3类，次要构件病害类型超过2类，所以，此桥梁与桥梁病害均满足预防性养护的条件。
4.2 预防养护开始时间预测
由于桥梁整体状况得分88.97，类似与不养护情况下第12年的技术水平，按照公式(3)由桥梁技术层面明确预防养护的最佳时机，也就是其最迟开始时间是由现在起的第五年，结果见图1。
图1 桥梁技术状况评估结果图
4.3 混凝土桥梁预防防护总费用分析
混凝土桥梁预防养护总费用主要包括工程量、养护措施、单价等，直接成本8.520 5万元。因G311徐西线沙河桥梁进入退化期，按照前文公路混凝土桥梁周期性养护成本的最低优化的四种养护策略，桥梁预防养护需要利用策略1和策略2，养护策略中设计的参数主要是tp1、tp、tpD、t1和r，而r、t1、tpD均依据既有统计分析来确定，其值分别为3、3和7，按照周期性养护费用效益的最优化确定tp1与tp值。在约束条件限制下，策略2未能得到最优化的预防养护结果，所以策略1为本桥梁预防养护的最优方案。据此，2013年，当地交通部门对G311徐西线沙河桥进行预防性加固改建，在保证预防性加固效果的前提下缩减养护经费。本研究表明：预防养护能够提高桥梁技术状况，也能降低其劣化速率。应用此养护策略能够使桥梁于设计寿命内将其从2类桥转为3类桥推迟17年左右。
通过分析G311徐西线沙河桥梁技术状况评估的相关模型，并以非线性模型预测桥梁预防养护最佳时机，且以实证分析验证了上述模型，并得出如下结论。
(1)桥梁技术情况为2类、1类的桥梁能够满足预防养护条件，此类公路混凝土桥梁能够进行预防养护。在考虑超载系数的情况下展开分层评定，确定交通量对桥梁预防养护病害的影响。(2)非线性退化模型能够对桥梁技术状况的退化情况进行合理预测，从而确定其最佳预防养护时机。(3)预防养护能有效降低桥梁技术下降速率，延迟其退化时间。(4)预防养护策略及退化模型能够预测桥梁预防养护的最佳时机，并能对其养护成本和总效益进行优化。
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