某高速公路桥梁中长期养护规划研究

韩淑娟

（山西省公路局长治分局，山西 长治 046000）

1 引言

随着运营时间增长和交通量的与日俱增，加上桥梁规模巨大、结构型式复杂、现场条件恶劣，如何进行高水平的运营管理，维持其服务水平，延长其使用寿命，并且在桥隧全寿命周期内使桥隧的维修费用、养护费用达到最经济水平，成管理养护部门最为关注的问题，对桥隧结构的养护规划任务提上日程[1-3]。本文依托某高速公路桥梁，根据其养护历史资料、历年检测数据，结合气候资料调查，现场踏勘情况进行分析，选择合适的理论模型，对桥梁、隧道使用性能进行预测，根据预测结果，分析桥隧结构养护需求，确定养护措施，最终形成养护规划方案。

2 桥梁技术状况评价与预测模型

2.1 桥梁技术状况评价

本文所选高速公路段共包含公路桥梁120 座，其中特大桥3 座，占比2.5%；大桥41 座，占比34.2%；中小桥76 座，占比63.3%。1 类桥11 座，占比9.2%；2 类桥109 座，占比90.8%，无3 类及以下桥梁。

3 座特大桥主要病害为T 梁、横隔板裂缝，T 梁破损较多，裂缝较2017 年检查裂缝增加440.52 m，病害有所发展；墩柱表面共有4 处钢筋锈胀、1 处擦伤、2 处裂缝、3 处混凝土破损。箱梁纵向裂缝，主要发生在箱内节段顶板位置，裂缝宽度在0.04～0.18 mm，无超限裂缝。T 梁破损，横隔板裂缝较多，部分盆式支座转角超限、四氟板滑出，最大转角为0.24 rad。

大桥整体技术状况良好，主要病害为梁板横向、竖向裂缝、钢筋锈蚀、混凝土破损病害较多，其中K2329+550 分离立交桥L4-11#、L5-11#、L5-12#板梁存在不允许出现的裂缝，病害严重。

中小桥整体技术状况良好，大部分桥梁锚固区混凝土存在开裂现象，部分桥梁支座存在老化开裂、脱空现象，中小桥伸缩缝及泄水孔堵塞也是常见问题。

2.2 桥梁技术状况衰变预测模型

根据该桥检测及技术状况资料，确定一条无主要病害的桥梁技术状况衰变基本样本曲线。以JTG H11—2004《公路桥梁养护规范》、JTG/T J21—2011 《公路桥梁承载能力检测评定规程》中相关桥梁技术状况评定标准为依据，考虑桥梁所处地理环境特点、通行荷载情况、结构重要部件损伤状况对桥梁技术状况的影响程度，采用通行荷载修正系数和主要病害综合修正系数修正桥梁技术状况基本衰变预测模型，作为存在主要病害桥梁技术状况的衰变预测模型。

根据国内多条高速公路桥梁多次定期检查资料的综合分析结果显示[4-6]：桥梁全寿命技术状况预测模型符合指数分布规律，模型表达形式见式（1）：

式中，Dr（t）为桥梁服务年限为t 年时的预测技术状况评定得分；Dr（t0）为桥梁衰变模型起点t0时的技术状况评定得分；Dr（tS）为桥梁服务年限为tS时的预期技术状况评定得分；t 为桥梁预测时间，a；t0为桥梁衰变模型起点时间，a；tS为桥梁达到一定技术状况水平的预期服务时间，a；ξ 为桥梁主要病害综合影响系数（无量纲）；ξq为通行荷载影响系数（无量纲）。

以该路线上无主要病害的桥梁作为样本，利用式（1）确定一条桥梁技术状况衰变基本样本曲线，初始条件为：Dr（t0）＝100（初始状态）；Dr（tS）＝40（4 类桥）；t0＝0 a；t＝15 a；Dr（t）＝96.7（本次检测无主要病害桥梁评价结果的平均值）；ξ＝1.0；ξq＝1.15。将初始参数代入桥梁技术状况衰变模型，计算出桥梁技术状况衰减至4 类桥时所需要的年限tS＝51.7 a，进而可以得到无主要病害桥梁技术状况基本衰变曲线，如图1 所示。

构建存在主要病害桥梁（2 类桥）的技术状况衰变曲线。初始条件：Dr（t0）＝100-（96.7-87.2）=90.5（名义初始状态）；Dr（tS）＝40（4 类桥）；t0＝0 a；t＝12 a；Dr（t）＝87.2（2017 年评价结果）；ξ＝0.86；ξq＝1.15。将初始参数代入桥梁技术状况衰变模型，得到存在主要病害桥梁的技术状况衰变模型，进而预测桥梁未来技术状况等级。

名义初始状态Dr（t0）的确定方法：对于存在主要病害的桥梁，其主要病害发生在（t0，t）的区间内，但具体时间点无法确定。桥梁一旦发生主要病害，其技术状况必然产生突变。在产生主要病害的时间点处，桥梁技术状况衰变曲线出现台阶式的突变点。为说明问题，采用名义初始状态Dr（t0）作为存在主要病害桥梁t0时刻的技术状况水平，在保证桥梁技术状况衰变曲线通过本次检测评估点的前提下，计算出桥梁技术状况衰减至4 类桥时所需要的时间tS。然后，再用桥梁主要病害综合影响系数和通行荷载影响系数对由tS确定的桥梁技术状况预测模型进行修正，进而得到本座桥梁的技术状况预测模型，如图2 所示。

图2 桥梁技术状况预测模型

3 桥梁中长期养护规划

3.1 桥梁中期技术状况预测

采用桥梁技术状况衰变模型预测未来中期（5 年）桥梁技术状况等级，根据未来中期（5 年）桥梁技术状况评价等级决策桥梁维修的优先级别。表1 给出部分桥梁中期（2020—2024年）技术状况预测结果。

表1 某高速公路桥梁（2020－2024 年）技术状况预测结果（部分）

3.2 桥梁长期养护技术性能预测

根据桥梁技术状况评价等级，选取等级分较高和较低的两座桥梁，通过对两种不同技术状况桥梁中长期养护技术方案的预测分析，阐述杭新景高速公路桥梁总体中长期养护技术方案制订的原则。

3.2.1 桥梁技术状况评价等级分较高的桥梁长期养护技术方案

以K56+188 鸡毛坞（右）桥为例，构建存在主要病害桥梁的技术状况衰变曲线。

名义初始状态：Dr（t0）＝100-（96.7-94.7）=98.0；Dr（tS）＝40（4 类桥）；t0＝0 a；t＝14 a；Dr（t）＝94.7（2018 年检测评价结果）；ξ＝0.86；ξq＝0.90。

由图3 可见，对于初始状态较好的桥梁，如果在其收费期内的预防性养护措施得到保证，桥梁在其收费期内需要经过一次中修和两次小修，可保证运营过程中桥梁技术状况等级在70 分以上。

图3 技术状况等级分较高的桥梁长期养护技术方案

3.2.2 桥梁技术状况评价等级分较低的桥梁长期养护技术方案

以K61+440 八仙垸桥为例，构建存在主要病害桥梁的技术状况衰变曲线。

名义初始状态：Dr（t0）＝100－（96.7－80.5）=83.8；Dr（tS）＝40（4 类桥）；t0＝0 a；t＝14 a；Dr（t）＝80.5（本次检测评价结果）；ξ＝0.77；ξq＝0.90。

由图4 可见，对于初始状态一般的桥梁，如果在其收费期内的预防性养护措施得到保证，桥梁在其收费期内需要经过3次小修和1 次中修，即可保证收费期结束时桥梁技术状况等级在70 分以上。

图4 技术等级较差的桥梁长期养护技术方案

从上述两座当前技术状况等级处于不同技术水平桥梁的中长期养护技术方案可以看出，由于本文高速公路桥梁总体技术状况较好（没有3、4 类桥梁），桥梁长期养护策略需要3次小修和1 次中修。同时，为保证收费期结束时桥梁技术状况处于良好状态，统一采取在收费期结束前1～2 a 安排一次桥梁小修工程，以满足收费期结束工程验收的需要。

由于影响桥梁技术状况的因素复杂多变，其技术状况衰变过程存在更多的不确定性。对于本文高速公路桥梁中长期养护技术方案的制订，应首先立足于中期（5 a）养护技术方案的针对性与合理性，在保证第一个中期（5 a）桥梁技术状况良好的前提下，根据下一次定期检查结果预测下一个中期（5 a）养护技术方案，保证以此方法确定的本文高速公路桥梁长期养护技术方案更为科学，可靠度更高。

根据桥梁技术状况衰变模型的预测结果，表2 给出的本文高速公路几座桥梁在其服务期内的长期桥梁养护策略。除实施小、中修维护策略之外的其他时段，应根据桥梁日常检查和定期检查结果，对桥梁进行科学合理的预防性养护，以保证桥梁正常使用状态，延长桥梁使用寿命。

表2 部分桥梁长期养护策略预测结果

4 结语

通过对某高速公路路段进行调查、检测等基础工作，建立了桥梁技术性能衰变预测模型，根据技术状况衰变预测模型、通行需求、行业规范及行业管理要求等制定了规划目标及养护措施作业指导原则，并根据全寿命养护的理论和实际情况最终拟订了所选路段桥梁养护规划方案，为实现运营期内桥梁状况保持良好性能打下了坚实基础。