公路桥梁预防性养护策略

张昊伟

（天津市公路事业发展服务中心，天津 300000）

0 引言

在现代公路桥梁领域，主要存在两种养护方案，一种为矫正性养护，即路桥使用过程中出现病害后，管理单位针对病害的情况予以处理，以保证路桥能够正常使用。采用这种养护方案，表明路桥已经出现病害，对路桥的功能与使用造成了一定影响，进行病害处理需要投入较高的成本，不符合现代社会的发展要求。另一种为预防性养护，即在路桥工程设计、建造周期内，在未出现严重病害前采取有效的方式对路桥进行处理，以降低路桥出现病害的概率，从而延长路桥使用寿命。

1 预防性养护病害的确定

在相关规定中，针对桥梁的具体情况，将其技术状况划分成5 个等级，分别为：1 级，表示无损伤，桥梁功能完善；2 级，表示轻微损伤，对桥梁无干扰；3 级，表示中等损伤，对桥梁使用造成较小的干扰；4 级，表示大损伤，对桥梁使用带来严重干扰；5 级，表示严重损伤，桥梁无法正常使用，存在较大的坍塌风险[1]。其中，出现3 级以上的技术状况后，需要对桥梁进行修复，因而在预防性养护方面，仅涉及1 级与2 级技术状况的桥梁。因此，认为主要构件病害低于3 级，一般构件病害低于2 级就要进行预防性养护。

进行桥梁技术状况评估时，需要采用超载系数分析交通量的折损情况，采用公式（1）进行计算：

以此可获得桥梁技术状况评定标准，如公式（2）所示：

式（2）中：WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl表示桥梁上部结构、下部结构及桥面部件l 的得分，数值在0～100 区间内；Ux表示修正量，根据指标扣分情况设置。

以上述公式为基础，结合层次分析的方法，即可推导出基于交通量的预防性养护病害范围，主要包括：

一是根据病害类型，结合其严重程度、位置等信息，能够得到WPMCIl、WBMCIl、WDMCIl。

二是假设在桥梁当中，除了构件l，其余所有构件都是 100 分，可推导出技术状况评分WPCCIi、WBCCIi与WDCCIi。

三是根据推导出来各构件的技术状况评分，结合这些构件所处位置，可推导出各结构的评分，即WSPCI、WSBCI与WBDCI。

四是根据各结构的评分，能够推导出整个桥梁的技术状况评分，即Dr。

五是当Dr=1 或2 时，表明其属于预防性养护病害。

按照上述公式与流程分析，即可确定最终的养护性预防病害，如表1 所示[2]。

表1 预防性病害表

2 桥梁技术状况预测

2.1 构建技术状况退化模型

桥梁技术状况与很多因素有关，如温度、使用时间、桥梁自身情况等，因而其退化模型属于非线性模型[3]。针对桥梁技术状况的实际情况，可将其划分成两个阶段，并分别构建出两个阶段的数学模型，具体如公式（3）所示：

式（3）中：D()t表示技术状况模型，为时间t函数；t1表示开始出现退化的时间，设定成4；D0表示刚刚开始出现退化时的技术状况参数，设定成95；α表示退化速率，设定成0.55；β表示外界干扰系数，设定成0.0025。

通过计算后，能够得到桥梁技术状况退化结果，如表2 所示。通过对表2 的观察可以发现，在自然情况下，桥梁使用11 年时，退化评分将降低到90 以下，属于2 级桥梁；使用时间达到15 年时，退化评分降低到85 分以下，属于2 级桥梁；使用时间达到17 年时，退化评分降低到80 分，属于2 级桥梁。所以，在桥梁施工过程中，应将预防性养护控制在第16 年以前。

表2 技术状况退化结果表

2.2 基于不同预防性养护策略的桥梁技术状况评估

该研究共设计4 种养护策略：

第一，无初始退化无养护，且养护时间间隔小于养护效应持续时间。当桥梁技术状况出现退化后，才对其进行养护，养护后，桥梁技术状况明显改善，假设改善值为γ；之后，以养护后的技术状态为基准，利用上述公式（3）所述模型，再次对桥梁技术状况进行预测，因养护时间间隔较短，处于养护效应持续时间以内，因而在养护后，技术退化规律无改变[3]。

第二，无初始退化无养护，且养护时间间隔大于养护效应持续时间。当桥梁技术状况出现退化后，才对其进行养护。养护后，桥梁技术状况明显改善，假设改善值为γ。之后，以养护后的技术状态为基准，利用上述公式（3）所述模型，再次对桥梁技术状况进行预测。因养护时间间隔较长，处于养护效应持续时间以外，因而在养护后，技术退化规律出现改变。也就是说，处于养护效应持续时间内，利用每次养护后的参数当作初始值，反复利用公式（3）进行运算，若得到的结果处于持续时间之外，则以无养护为条件，按照相应的退化率退化[4]。

第三，无初始退化已养护，且养护时间间隔小于养护效应持续时间。对于养护来说，处于桥梁技术状况出现退化前，可以是1 次，也可以是多次。养护后，技术状况基本不变，依然处于初始水平。因间隔较短，处于持续时间以内，若出现退化后，再进行养护，其变化情况与第一种策略基本一致。

第四，无初始退化已养护，且养护时间间隔大于养护效应持续时间。对于养护来说，处于桥梁技术状况出现退化前，可以是1 次，也可以是多次。养护后，技术状况基本不变，依然处于初始水平。因间隔较长，处于持续时间以外，若出现退化后，再进行养护，其变化情况与第二种策略基本一致。

3 全生命周期内桥梁预防性养护时机的选择

3.1 预防性养护成本

进行预防性养护，时机选择至关重要，过晚不能起到预防性的目的，过早则会造成资金浪费。所以，在做预防性养护策略选择时，应以投入成本最低原则为基础，确定最佳预防性养护时机。通过大量实践可知，在进行桥梁预防性养护时，成本主要与三个方面有关：

一是管理单位成本CM，这属于直接成本，如桥梁使用时的运维成本、加固成本等，可从桥梁管理机构查询相关资料获取。

二是用户成本CU，这属于间接成本，如车辆行驶时的损耗成本、交通延误成本等，可以实际情况为基础，利用相应的仿真系统推导而得。

三是社会成本CS，如环境保护成本、事故伤亡成本等，与用户成本基本相同，可利用相应的仿真系统推导而得[5]。

3.2 养护时间与周期

养护时间与周期的确定，应以单指标模型为基础，以桥梁全寿命周期内符合技术状况条件下的最低养护成本为目标，构建养护时机分析模型，具体如公式（4）～式（5）所示：

式（4）～式（5）中：C(tpl,tp)表示总成本；D(t)表示技术状况水平；T表示桥梁设计的寿命值[6]。

4 案例分析

4.1 案例概况

某公路工程于1992 年投入使用，其中，上部结构采用的是混凝土空心板梁，下部结构采用的是桩柱式桥台，桥面为沥青混凝土路面。公路投入使用后，日均车流量为25000 辆，其中，货车约12000 辆，有85%的货车存在超载的问题，超载量在20%左右。通过检查发现，该桥梁整体状态良好，仅有一些轻微的病害：梁底板略有刮痕，桥台轻微掉角与锈胀，桥面车辙破损等。通过技术状况退化计算后，可以得到表3 所示结果。

表3 某公路工程技术状况退化计算结果

通过对表3 的分析可得，在总体方面，技术状况得分为89.79，处于3 级范围内，主要构件病害为3 级，一般构件病害为2 级，可对其进行预防性养护。

4.2 预防性养护时间预测

由上述技术状况可以预测，该公路处于无养护条件、路桥工程使用11 年时的技术水平，因而在预防时间方面，选择的是从当前开始的第5 年。

4.3 效益分析

以上述预防时间为基准，分别对4 种养护策略进行分析可知，相对于前两种方案，后两种方案更复杂，所需要的成本明显更高，因而直接将其忽略。采用方案1，进行首次预防性养护时，于2019 年起的第4 年开始，也就是说tpl=4a（2023 年），tp=7a，由此表明，在桥梁规定的生命周期内，开展3 次养护即可。采用方案2 时，当桥梁使用到2035 年，其技术状况将会明显降低，低于预防性养护的要求，即便后续再进行预防性养护，2040 年后，桥梁技术状态也会下降到规定值之下。所以，该公路应采用第1 种预防性养护方案。

5 结语

综上所述，预防性养护是现代公路桥梁管理中的重要工作之一，这项工作的开展情况直接关系到整个公路桥梁的后续使用效果。为了更好地使用公路桥梁，应对其技术状况进行评估，并以此为基础，结合养护成本最低化原则，确定最佳的预防性养护方案，以延缓公路技术状况等级的下降，确保其在设计生命周期内发挥出应有的作用。