基于实用效应的桥梁加固或拆除重建方案比选

谢福君，张家生

基于实用效应的桥梁加固或拆除重建方案比选

谢福君1,2，张家生1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 衡阳市交通运输局，湖南 衡阳 421001)

已有的研究成果针对危旧桥方案比选阶段是否加固或拆除重建没有一个实用、统一的标准。为了更好地对危桥改造方案进行比选，基于实用效应对危桥改造的维修加固和拆除重建2种方案进行系统比较，得出基于实用效应的综合评估方法。具体做法是将一座桥梁按使用年限、线路交通量增长率、线路载重量增长率、桥梁所在地交通基础设施投资占财政收入的比例、维养护精良度、对当地出行的影响度量化计分进行综合评估。基于此方法，对衡阳市范围内的危桥进行分析，最终确定危桥的加固或拆除重建的方案。该方法可对危桥改造决策提供实际性指导。

实用效应；加固；拆除重建；比选

随着国民经济的不断发展，公路交通在国民经济中的作用和地位日益提升，人们对它的重视程度也越来越高。近年来，全国更是掀起了公路建设的大热潮，建设规模持续上扬，公路里程持续增长。到2017年底，全国公路总里程达477.35万km，比上年增加7.82万km。公路密度49.72 km/100 km2，增加0.81 km/100 km2。公路养护里程467.46 万km，占公路总里程97.9%。全国公路桥梁达83.25万座、5 225.62万m，比上年增加2.72万座、308.66万m，其中特大桥梁4 646座、826.72万m，大桥91 777座、2 424.37万m。(世界排名前十的大跨径悬索桥中国占5座；世界排名前十的大跨径斜拉桥中国占7座，其中前3位均在中国；世界排名前十的拱桥中国占6座)，我国已成为仅次于美国的第二桥梁大国[1−3]。公路桥梁是确保公路畅通的咽喉，其承载能力和通行能力是沟通全线的关键，直接影响着公路交通的经济效益和社会效益。“十五”、“十一五”期间，我国公路桥梁建设所取得的成绩是有目共睹的，就数量和规模而言，已成为全世界的桥梁大国。但在大规模建设的背后，桥梁养护管理中的问题逐渐暴露出来。由表1和图1可以看出，2001~2005年，我国公路桥梁危桥数量控制在桥梁总量的5%以内；2006年无论是建设规模还是危桥数量都是一个飞跃，危桥数量占总量比达到11.82%，2007年则达到历史最高峰17.30%。随着交通运输部计划从2008年起，力争用3年的时间完成大部分的旧危桥改造任务的决策实施，危桥比例逐年下降1个百分点左右，预计到2020年危桥数量占总量比值将回落到2001年时的水平。截止2009年，湖南省纳入危桥项目库的危桥高速公路有1座；普通公路有4 332座/134 610 m，其中4类危桥1 878座/57 950 m，5类危桥1 417座/37 350 m。衡阳市共有公路桥梁2 838座/84 762 m，其中国省干线192座/11 835 m，县道200座/4 932 m；农村公路桥梁2 446座/67 995 m，全市列入省危桥改造库320座/9 015 m，其中3类桥108座/2 547 m，4，5类桥212座/6 468 m。伴随着危桥总数的增加，我国桥梁倒塌事故更是频繁发生。据媒体统计，自2007~2015年，全国有多座桥梁桥梁倒塌，其中13座在建桥梁发生事故，平均每年有7.4座“夺命桥”。事故如此频繁的发生，足以引起我们的重视，一方面它将影响我国公路的正常使用，另一方面更是对人身安全的严重威胁。可以说如何处理这些危桥，利用有限的资金产生最大的经济效益是目前急需解决的一项任务。近些年来，国内外众多学者对病、旧桥是加固还是拆除重建进行了多方面的研究，取得了一些成果[4−13]，各种加固新技术、新工艺、新材料也不断得到应用，但对旧危桥改造中是拆除重建还是加固维修没有实用性的比较分析。因此本文基于实用性对危旧桥拆除重建或加固维修进行综合评估，对当前大规模的危桥改造具有一定的指导作用。

表1 2001年~2015年中国公路桥梁基本情况

图1 2001~2015年中国公路桥梁基本情况

1 危桥加固重建方案比选概述

现役桥梁出现病害后是加固维修还是拆除重建，一直以来有许多学者进行过研究。主要有以下几种类型。

1.1 系数比较法

表2 加固技术经济确定原则表

这种评判方法操作性不强，由于我国管理养护数据资料不足，尤其是桥梁构件、部件技术经济资料严重欠缺，导致一些理论上严谨且可行的经济分析方法，在实际应用中十分困难或无法实现。本法中加固寿命系数和加固费用系数都无法准确进行计算。

1.2 结构可靠度法

结构可靠度是指工程结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。“规定时间”是指结构进行可靠度分析时，结合结构使用期，考虑各种基本变量与时间的关系所取用的基准时间；“规定的条件”是指结构在正常设计、施工和使用的条件下，即不考虑人为过失的影响；“预定功能”是指正常施工和使用时，结构能承受可能出现的各种作用，同时具有良好的工作性能，有足够的耐久性能，以及在设计规定的偶然事件发生时和发生后，结构能够保持必需的整体稳定性。

可靠度概念中的“规定时间”是指结构设计基准期，一般大多数国家是50 a，且有一个关系就是：“规定的时间越长，结构可靠度就越低”。目前，根据我国《公路桥涵设计通用规范》(JTJ D60—2015)中规定，公路桥梁结构的设计基准期为100 a。

基于可靠度的公路桥梁加固或拆除重建分析方法，主要考虑到设计参数中设计向量、目标函数和约束函数的随机性、模糊性和未确知性等，以及材料和施工质量的不确定性，桥梁运营过程中混凝土等材料强度的退化、钢筋的锈蚀(氯离子的渗入)等，利用桥梁结构的目标可靠度或失效概率，来描述更为科学和定量的安全可靠程度，实现安全、适用、耐久的设计要求；另外其还考虑到不同功能的失效概率和失效损失造成的失效损失期望、结构运行和维修费用等在内的经济指标，考虑如何以最低的造价实现最佳的经济效益，实现经济、合理和美观的设计要求。以结构可靠度为控制参数，虽然能够处理桥梁结构中的随机不确定性，又能使安全与经济之间、近期投资与长远效益之间的矛盾得到最佳的协调，从而使公路桥梁设计方案在安全、适用、经济的条件下达到最佳优化。但是这种方法只能作定性分析，定量计算难度大，很多参数都是经验值，对于大规模旧危桥改造来说过于复杂，也不切合实际。

1.3 基于“ALARP准则”的CPI/CPD方法

结构风险评估中的ALARP准则，即英国国家健康和安全委员会1999年提出的ALARP风险决策准则。

对于桥梁技术状况为1类的桥梁结构，其相应的养护对策是日常保养，即为本系统所定义的可忽略区域；桥梁的技术状况为4类以下的，其对应的养护对策为改建或重建，即本系统所定义的不可接受区域；当桥梁结构处于2~4类时，即为本系统所定义的ALARP区域，该区域桥梁维修加固或拆除重建采用有无对比方法：即考虑维修后结构性能状态的改善与不考虑维修结构性能退化的费用比值来确定，见式(1)。

式中：为桥梁结构维修加固性能改善所需的费用；为桥梁结构未经维修加固性能退化所需的费用。R为桥梁结构维修加固所需费用；m为桥梁结构改建或重建所需费用；按初始建设费4倍考虑；为桥梁结构不加固维修处理至技术状况不可接受区域的时间间隔值；为桥梁结构采取加固维修至技术状况不可接受所采取的延长值。

根据式(1)计算结果，当≤0.5时，桥梁拆除重建；当＞0.5时，桥梁加固维修。

基于“ALARP准则”的CPI/CPD方法计算抽象且很多参数是假定值，计算结果来判定桥梁拆除重建或加固维修比较勉强也不科学。

2 基于实用效应的综合评估方法

基于实用效应的综合评估方法是针对大规模旧危桥改造的现实，避免加固或拆除重建的比选而贻误时机采取的最直接的判别手段。事实证明，过度的理论分析在旧危桥改造上只是浪费时间，真正起作用的方法是桥梁服役时的实际效应，包括桥梁技术状况、使用状况、养护精良度及所在地区的经济发展情况等。

2.1 《公路桥梁技术状况评定标准》对桥梁技术状况评定的基本情况

《公路桥梁技术状况评定标准》是按不同桥型进行桥梁评定分类，并细化不同桥型的部件分类；根据不同桥梁的部件类型制定评定细则，将评定指标进行细分并提出了量化标准，提出了5类桥梁技术状况单项控制指标(见表3)，改进了桥梁技术状况的评定模型。同时各结构类型桥梁的主要部件和次要部件进行了明确划分；桥梁主要部件和次要部件技术状况评定标度进行了细致的描述，此种评定方法更为科学。

表3 桥梁总体技术状况评定等级表

《公路桥梁养护管理工作制度》第25条规定：桥梁养护工程分为小修保养、中修、大修和改建。对技术状况为1和2类桥梁应加强小修保养，防止出现明显病害。对技术状况为3类桥梁应及时进行中修，防止病害加快扩展，影响桥梁运营安全。对技术状况为4和5类桥梁应及时采取管理措施，保证安全，并根据桥梁特殊桥梁检查结果和技术认证分析，安排大修或改建。在衡阳市范围内，除特殊情况外，3类桥梁采用加固维修，4类桥梁根据实用性在加固维修或拆除重建上进行比较，5类桥梁采用拆除重建。

2.2 4类桥梁的实用性改造方式分析

根据衡阳市的实际情况，4类桥梁中的中、小桥梁全部拆除重建。特大桥采用加固维修，大桥在加固维修和拆除重建方案中采用综合评估法进行比选。

综合评估法是将一座桥梁按使用年限、线路交通量增长率、线路载重量增长率、桥梁所在地交通基础设施投资占财政收入的比例、维养护精良度、对当地出行的影响度量化计分进行综合评估的方法。具体见表4。

根据综合评估方法确定的衡阳市4类危桥改造结果见表5。

由表5结果，结合表4评估准则，可得：衡阳市80座4类桥梁之中，25座维修加固，55座拆除重建。

表4 综合评估法评估准则

表5 衡阳市80座4类危桥改造评分表

3 结论

1) 除4类桥梁外，根据《公路桥梁养护管理制度》(交公路发[2007]336号)结合《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)可以基本判定桥梁加固或拆除重建方案。

2) 以相关规范评定的桥梁基本情况为依据，对4类桥梁的加固与重建采用实用性改造分析，可以在资金有效的前提下，最大效率、合理的对桥梁的加固改造提供指导。

3) 当前最重要的是积累桥梁养护基础资料，重视养护基层管理，每一座桥梁的构件、部件都要有养护记录，准确地评定桥梁的技术状况也是当前桥梁养护管理决策的当务之急。

[1] 浦恩辉.国道G214线隔界河至德钦县城段公路方案比选[J]. 林业建设, 2016(3): 70−74. PU Enhui.2016(3): 70−74.

[2] 雷明. 怀郁高速公路山区段路线方案比选[J]. 广东公路交通, 2016(3): 59−69. LEI Ming. The comparison and selection of the route scheme of the mountain section of Huai Yu Expressway[J]. Guangdong Highway Communications, 2016(3): 59−69.

[3] 温涛.某大桥桥型方案比选[J]. 智能城市, 2016(5): 46. WEN Tao. The scheme comparison for a bridge bridge[J]. Smart City, 2016(5): 46.

[4] 殷开荣.浑南新区立交方案比选[J].北方交通, 2014(1): 23−25. YIN Kairong. Comparision of Hunnan new area interchange scheme[J]. Northern Communications, 2014(1): 23−25.

[5] 田广予.榆和高速公路左权枢纽方案比选[J].山西交通科技, 2012(1): 44−46. TIAN Guangyu. Zuoquan hub project selection of Yuhe expressway[J]. Shanxi Science & Technology of Communications, 2012(1): 44−46.

[6] GONG Mei. The plan to choose for Ganjing interchange in Guiyang Qingzhen expressway[J]. China Science and Technology Information, 2008(5): 69−72.

[7] 徐飙.二元论方法在桥梁方案比选中的应用[J]. 黑龙江交通科技, 2007(1): 68−70. XU Biao. Applied dualism method in bridge scheme’s selection[J]. Communications Science and Technology Heilongjiang, 2007(1): 68−70.

[8] 陈枝洪. 南江大桥方案比选[J]. 黑龙江交通科技, 2007(8): 21−24. CHEN Zhihong. Nanjiang bridge scheme selection[J]. Communications Science and Technology Heilongjiang, 2007(8): 21−24.

[9] JANG J, Choi S, HONG J. A method for resilient graph-based comparison of executable objects[J]. Acm Research in Applied Computation Symposium, 2012: 288−289.

[10] 成琛, 沈成武, 许亮. 用铰接板(梁)法计算有损伤桥梁的横向分布系数[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2004(2): 47−51. CHENG Chen, SHEN Chengwu, XU Liang. The hinged-jointed plate method for calculating transverse load distribution on a damaged bridge[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2004(2): 47−51.

[11] Jang J, Jung J, KimB, et al. Resilient structural comparison scheme for executable objects[J]. Communication & Computing, 2014, 12(2): 1−5

[12] 黄方勤, 汪罗英. 钢筋混凝土T梁桥病害处理措施与加固设计[J]. 城市道桥与防洪, 2012(5): 37−40. HUANG Fangqin, WANG Luoyin. Disease treatment measures and strengthening design of reinforced concrete T beam bridge[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control, 2012(5): 37−40.

[13] 何旭燕. 增大截面法加固钢筋混凝土T梁效果分析[J]. 铁道建筑, 2009(3): 17−21. HE Xuyan. Analysis of strengthening effect of common reinforced concrete T-shaped girder with method of cross-section enlargement[J]. Railway Engineering, 2009(3): 17−21.

Scheme comparison of bridges reinforcement or reconstruction based on practical effects

XIE Fujun1,2, ZHANG Jiasheng1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Transport Bureau of Hengyang City, Hengyang 421001, China)

Based on existing research results, there was no practical unified standard for scheme comparison and selection of dangerous bridges about whether dangerous bridges was strengthened or rebuild. In order to select a better scheme for bridges, compared dangerous bridge reinforcement with its reconstruction systematically based on the practical effect, a practical comprehensive evaluation method have been put forward. This method is a comprehensive evaluation method that depends on service life, route traffic growth rate, the line load growth rate and the local transport infrastructure investment accounted for the proportion of fiscal revenue, and so on. Based on the method, the scheme comparison analysis of dangerous bridges in Hengyang city was carried out. Finally, the program of dangerous bridge to be reinforced or reconstructed is obtained. This method can provide practical guidance for decisions of dangerous bridges scheme comparison.

practical effect; reinforcement; demolish rebuild; comparison

U442.1

A

1672 − 7029(2019)07− 1714 − 05

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.07.015

2018−07−28

国家自然科学基金资助项目(51378514)

张家生(1964−)，男，湖南长沙人，教授，博士，从事土木工程设计与施工仿真研究；E−mail：zjsdj@mail.csu.edu.cn

(编辑 涂鹏)