大跨径缆索承重桥梁养护策略分析

白炳东, 章世祥，李西芝,*，刘成才

(1. 江苏省交通运输厅，南京 210004； 2. 中设设计集团股份有限公司，南京 210014)

自2001年南京长江二桥(当时主跨国内第一、世界第三)顺利建成通车以来，江苏又陆续建成了润扬长江大桥、南京长江三桥、苏通长江大桥、泰州长江大桥及南京长江四桥等一批大跨径缆索承重桥梁，特别是苏通长江大桥更以“千米突破”成为世界斜拉桥发展史上新的里程碑。根据《江苏省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，江苏省将陆续推动锡通、镇江五峰山、南京五桥等过江通道的建设，同时，规划建设江阴、南京上元门、上海-崇明-南通、锡澄靖、常泰等一批过江通道。

大跨径缆索承重桥梁建成后，各运营管理单位均高度重视管养工作，配有专业管理队伍，编制了养护手册，建立了监测及管理系统。但由于各桥建造年代、建设标准、设计方法、运营环境、管理制度等的不同，也都面临着不同的运营及养护难题。本文针对该类桥梁的养护问题进行系统分析。

1 养护管理模式

当前，大跨缆索承重桥梁建设逐渐呈现出投资主体多元化、融资方式多样化的发展趋势，随着市场经济的发展，不同省市、不同的大桥营运管理体制也呈现出多样化的特点[1]。

当前政府投资的公路桥梁管理体制主要有四种：事业单位模式、法人公司模式、政府部门模式和委托(特许)经营模式。其中，事业单位模式即政府设立专门的事业单位，从事公路桥梁的营运管理；法人公司模式即由政府设立企业法人，负责桥梁的营运和管理；委托(特许)经营模式指采用招投标的方式确定专业化的营运管理公司来负责公路桥梁一部分或全部的营运管理，在特许经营期间，通过相关法律、法规和双方签订的特许经营协议规范公司与政府之间的权利义务关系，特许经营期限届满后，管理公司按照协议约定，把一座营运状态良好的大桥无偿移交给政府。南京长江大桥、西堠门大桥和港珠澳大桥采用了事业单位模式；南京长江二桥采用了委托经营模式；国内大部分大跨缆索承重桥梁(如江阴大桥、润扬大桥、苏通大桥、泰州大桥等)采用最多的是法人公司模式[2]。

目前，国内各大桥的养护管理均介于管理型与实体型之间，鲜有完全的实体型养护模式[3]。如桥梁检查方面，有的大桥保留有一定规模的养护队伍，完成全部常规检查工作，而定期检查和特殊检查则采取分包方式；有的大桥主要依托社会力量来进行检查工作。委托方式上也有所不同，有的委托一家养护单位负责桥梁所有构件的检查和养护工作，管理方便，责任明确；有的将工作进行切割分包，如钢箱梁分包给一家单位，斜拉索分包给另外一家单位，根据工作内容委托更为专业的队伍来完成养护工作，从而保证了养护工作的专业性、质量和深度，但管理起来较为繁杂[4]。

特大桥的养护管理模式正逐步朝着“管养分离”的方向进行改革和发展[5]，这是市场经济条件下的必然趋势。大桥管理单位所需人员将逐渐减少，仅保留日常性行政、技术和财务等方面的管理人员。大量的技术工作，包括路况调查、检测与分析评价、大桥设施等各类数据库的数据采集与分析、大中修工程的可行性研究、制定养护计划及养护工程设计、招标及养护工程质量监督、验收、评定等逐步推向市场，交由技术力量雄厚的社会专业单位来完成。大桥养护管理单位主要负责制定相关的管理办法，建立健全养护工程监管体系和招投标办法，加强大桥各种设施的养护监管，确保高速公路安全畅通。

此外，由于大跨缆索承重桥梁结构体系的复杂，很难仅依靠一两家单位实现高质量的养护，可以预见未来桥梁养护将逐渐形成“分项养护、总体评估”的专业化养护体系，实现分构件由相对固定的专业单位承担养护工作，其中的专业单位应是具有相应资质、人才与技术力量雄厚的检测单位、科研机构或生产厂家。

2 养护工作制度

为了确保大跨缆索承重桥梁运营过程中的使用安全性和耐久性，大桥管理单位在贯彻“科学养护、全面养护、预防为主、防治结合”方针的基础上，实施合理的养护管理工作。桥梁养护管理工作分养护工作和管理工作两大部分，桥梁养护工作制度如图1所示。

大跨缆索承重桥梁养护工作具有以下几个鲜明特点：

(1) 养护工作的时效性与经常性。作为公路的重要节点工程，大桥的结构状态必须保持完整，损坏部分需要及时进行修复，从而保证大桥行车的舒适、畅通与安全，提高其社会服务能力以及营运经济效益。

图1 桥梁养护工作制度

(2) 养护技术的专业性。考虑到该类桥梁养护工程具有复杂工艺技术、较高技术含量、较宽泛学科领域等特点，桥梁养护管理既需要配置专业化的技术人员和现代化的机械设备，也需要随着养护管理的逐步发展而不断探索，推行新设备、新技术、新工艺与新材料。

(3) 养护对象的全面性与广泛性。大桥养护管理的对象除了主桥之外，还包含了交通工程、各类监控设施以及各项生活服务类设施。这些设施的养护管理涵盖了建筑、道桥、园林、光电、计算机及机电等多个专业，从而形成了一个互相联系、内容广泛且缺一不可的综合性大桥养护系统。

(4) 人员的高素质及养护的高成本。大桥养护需要较高的建设标准、广泛的养护范围、较高标准的材料、复杂的施工程序、比例，以及规模较大的机械使用、较多的现代化设施以及较全的保护措施等，这使得其养护管理成本比其他一般公路桥梁高很多。养护的高投入保证了桥梁设施的状况完好和良好的服务水平，获得社会效益及经济收益的双重回报，同时，也要求从事养护工作的管理人员以及技术人员具备较高的素质，对养护对象的各项流程充分熟悉。

大桥的养护过程宜按照图2所示实施流程进行。通过系统的桥梁检查程序，制定详细的检查内容和检查要求，对技术状况进行评定，根据评定结果安排桥梁维护维修工作，并对维护效果进行后评估。

图2 桥梁养护工作流程

3 桥梁评估

桥梁评估是一个以整个结构体系为对象，考虑结构损伤和运营状态，对桥梁的安全性、耐久性和适用性进行分析评估并做出决策的过程。由于缆索承重桥梁一般都装有桥梁健康监测系统，部分桥梁还建立了桥梁养护管理系统或人工巡检系统，并进行常规检查和定期检查，因此，应从两个方面进行评估：一是基于检查和检测的桥梁技术状况评估；二是基于健康监测数据的桥梁评估。现有的桥梁评估方法存在如下不足：

(1) 由于缆索承重桥梁评估的复杂性，目前各种评估方法在理论上均有一定的局限性，主要表现在：大多数评估方法仍然基于现场检查和荷载试验，桥梁评估的主观性较强，评估效率及经济性较低；各类计算分析中，桥梁模型误差难以考虑，影响评估的精度；评估方法复杂，不便于工程应用，且缺乏相对统一的评估指标，难以系统化、标准化等。

(2) 以监测结构健康状况为目的的桥梁监测系统已在众多桥梁上运行，但从其计算和分析结果来看，难以实现桥梁早期损伤的预警，难以根据监测数据直接进行结构损伤诊断，评估结果不尽人意。

(3) 由于我国桥梁养护管理系统起步较晚，尤其是针对缆索承重桥梁的状态评估，其基本思想沿袭了中小桥梁的评估模式，桥梁的评估方法单一，缺少多种检测手段及相应的评估方法研究。

(4) 评估标准大多是定性评估标准，定量指标评估标准研究甚少。对于缆索承重桥梁，桥梁养护管理者最关心一些重要指标，如索力、加劲梁应力、主梁线形、塔顶偏位等，而对于随机荷载作用下，测试结果在什么范围内是安全的，超过什么范围说明结构出现了问题，该如何应对等，则缺乏充分的研究。

因此，我们迫切需要在缆索承重桥梁评估指标的选择、评估体系的建立等方面开展研究，从而保证评估的客观科学。

4 桥梁管理系统

高速发展的缆索承重桥梁需有与之相适应的高水平智能管理体系，才能实现我国既定的“构建国家智能运输系统体系”的要求，才能确保大桥的健康运营并发挥管理系统的最大潜能。桥梁管理系统在解决当前不足之处的同时，未来发展前景有如下几点：

(1) 多系统结合的可行性。鉴于目前各种桥梁管理系统之间存在冗余和互补，如健康监测系统和桥梁管理系统都有桥梁状况评估功能，两者采用评估数据有差异，可考虑将两者结合起来，取长补短，建立较为综合的评估体系。此外，桥梁养护管理需要考虑结构全寿命周期，当前BIM技术在基础设施全寿命、资产管理中的优越性日渐凸显，可以考虑在桥梁管理系统中引入该技术。

(2) 基于系统的结构健康状况评价。结构健康评价是桥梁结构健康监测的核心和目标，并为桥梁的日常管理养护提供依据，但基于监测系统的健康状况评价方法是当前桥梁健康监测系统最为缺乏的内容。监测系统往往只具有异常状态下的报警功能，而对正常运营状态下的桥梁工作性能缺乏科学的评估，且桥梁健康监测系统往往和日常的养护管理相脱节，使得健康监测系统失去真正的意义。

(3) 健康监测系统和养护管理系统的信息融合。在实际应用过程中可以考虑将实时健康监测系统和日常养护管理结合起来，实现两者在桥梁管理系统中的相辅相成、互为补充，共同为桥梁养护管理服务，如图3所示。

一方面，日常的养护管理工作能够及时发现一些实时健康监测系统未涵盖或无法监测的结构缺陷、材料退化或裂缝，并将其纳入监测系统的结构数据库中，更新结构的有限元模型(如刚度、材料特性、构件尺寸、缺陷或损伤等)，有助于提高结构健康评价的准确性和科学性。另一方面，桥梁结构健康监测与安全评价系统应综合利用先进的结构分析、损伤识别、信号处理及可靠度理论等技术，诊断可能发生结构损伤或灾难的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势，指导日常的养护管理工作。

(4) 桥梁综合管理系统平台。除了桥梁养护管理系统外，桥梁运营中还存在多类别的数据，如交通量数据、车检器检测数据、路网监控数据等。这些数据在时间、空间上互相关联，而由于各自所在系统的孤立性，无法实现有价值的关联，无法从数据中发现规律。因此，有必要建立一套行之有效的数据分析机制，打通多个管理系统之间的数据联系，建立综合管养平台，通过大数据技术发现潜在规律，从海量的信息中进行有用的知识发现，使各类系统中的数据真正发挥价值。

图3 基于信息融合的健康监测系统和桥梁养护系统

综上，在完善现有系统的基础上，以健康监测系统和桥梁养护系统信息融合作为前导，去掉各系统中冗余功能，建立系统间连接接口，实现不同系统之间功能融合，从而建立起统一的桥梁管理系统。

5 预防性养护

美国联邦公路局(FHWA)将桥梁养护分为两种类型，一种是在桥梁受损之后，修补危害桥梁运营的部分，包括重新涂刷、修补铺装的凹陷以及修复因交通事故而损坏的一些设施等，称为修复性养护；另一种是在桥梁尚未出现损伤之前就采取针对性的养护措施，延长原有结构的使用寿命，称为预防性养护。美国FHWA桥梁养护行为分类如图4所示。

图4 美国FHWA桥梁养护行为分类

桥梁预防性养护既要保证桥梁结构构件达到预期的寿命，又要使寿命期内养护费用最低，因此，我们需要从以下几个方面进行改进：

(1) 建立健全桥梁预防性养护制度。桥梁预防性养护涉及到桥梁的竣工验收、检查与检测管理、评估管理、日常的运营管理、信息管理等[6]。

(2) 贯彻全寿命理念。桥梁养护工作的开展不仅存在于桥梁运营中，也应从设计、施工质量两方面入手，在设计上完善桥梁细部构造，严格按照设计标准规范进行设计，同时注重构件的可检查性、可维修性、可更换性等；在施工上改进施工方法、重视施工质量，严格按照施工规范、规程进行科学施工，特别关注容易影响桥梁耐久性的环节。

(3) 采用高效检测手段，实现全面调查与科学评价。先进的检测仪器设备、科学的检测手段是桥梁预防性养护的基础。

(4) 注重新技术、新材料、新设备及新工艺的应用。桥梁预防性养护要特别注重四新技术的引进与运用，保证桥梁养护工作的高效、优质、快速完成。

(5) 选择合适养护时机和养护方法。预防性养护的经济性与有效性很大程度上取决于采取预防性养护措施的时间，太迟的养护会导致较差的结构性能，太早的养护会造成资源的浪费[7]。

桥梁预防性养护是一个完整的、系统的养护过程，是建立在桥梁性能退化模型、检查维修技术和费用模型之上的一种决策方法，是通过合理的筹划来确立桥梁结构及其构件科学、合理、经济的维护管理时机、方法、措施和策略，其重点是确定预防性养护合理时机、预防性养护对策和预防性养护效果后评估。

6 小结

大跨径缆索承重桥梁结构形式复杂，养护要求高、难度大，养护工作面临众多挑战，迫切需要建立起与之相适应的养护管理模式和工作制度。按照“管养分离”的方式进行市场化改革；通过整合现有各类养护管理系统，真正发挥其在养护决策、信息融合等方面的作用；贯彻预防性养护理念，积极探索应用预防性养护技术和四新技术，从而确保大桥养护的高效与安全。