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公路养护网:大跨径桥梁预防性养护最适宜的时机在哪?
日期:2019-04-13来源:桥梁网作者:黄侨 李西芝 赵丹阳

桥梁通车运营后,将承受来自交通荷载、环境因素等多方面的作用,桥梁服役的过程是结构性能在外部荷载及环境作用下,逐渐变化和降低的过程。

根据以往的养护管理经验,管理者往往在发现桥梁结构出现明显病害时,才予以维修养护,此时结构性能已经有较大程度的降低,养护将花费较多的费用和资源。

与传统养护方式相对的预防性养护,在桥梁结构性能随时间退化的前期,在保证桥梁结构的性能指标满足可接受水平的前提下,预先进行有效的养护、维护工作,从而能较长时间维持良好的结构性能,较大程度上延缓桥梁的劣化过程。

基于构件的大跨径桥梁预防性养护

为了便于桥梁管理者开展大跨径桥梁的预防性养护工作,本文参考国内外桥梁预防性养护相关研究成果,提出了基于构件的大跨径桥梁预防性养护定义:为保持桥梁结构构件的性能,延缓其因病害或退化失效所采取的一系列有计划性的维护措施。

预防性养护有利于保持或提高构件的性能状况、减少构件中主要组件的更换与大型维修、维持桥梁构件性能、减少养护资金的总需求。

预防性养护旨在使结构保持良好状态的时间更久,这意味着需要在构件退化至尚未影响功能之前,需及时发现和处理,采取技术措施,进而延长构件的服役寿命。

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维养措施的时机,养护时机过早或过晚均无益。

实施太晚,桥梁结构的性能损失严重,退化速率增加,难以起到预防性养护的作用或导致较高的养护费用;实施过早,桥梁结构性能尚存,将造成养护资金的浪费,增加桥梁生命周期内的养护次数。

因此,预防性养护的重点之一就是抓住养护工作的时机。选择适宜的维养时间点,在保证养护效果的同时,尽量使得桥梁在整个寿命周期内所花费的维修、养护费用最少,桥梁正常运营所受到的干扰最小。

桥梁构件性能退化模型

桥梁在长期的服役过程中,随着桥梁运营时间的增长,桥梁结构构件的性能退化是一个不可避免的自然过程。

构件性能退化的影响因素涉及设计、施工、管理和环境等诸多方面。通过掌握桥梁构件在服役过程中性能状态的变化规律和趋势,管理者可以合理判断养护维修的时机和措施,从而降低维护成本和出现重大事故的概率。

基于构件的大跨径桥梁预防性养护方法,需要掌握构件性能随时间的变化规律,从而判断结构需要维护的时机。

为了较准确地描述时间轴上任意一点桥梁构件性能,需要采用正确且便于操作的指标,建立桥梁构件性能退化的模型。

从理论角度看,最好的评价指标应该是桥梁构件的可靠度指标。但由于大跨径桥梁结构和作用的复杂性,其可靠度指标势必涉及系统可靠度和时变可靠度的理论问题,仍有尚未突破的理论瓶颈,在实际养护工作中是难以操作的。

从应用角度看,桥梁技术状态评价指标,可以较好地反映桥梁结构及其各构件的技术状况,且该指标在桥梁的基层管养单位是有大量数据的,只要注意积累、分析和利用这类数据,就可为预防性养护提供必要的数据条件。

桥梁构件性能在荷载和环境作用下的退化是必然的。与人类生命过程相类似,桥梁构件也有其寿命期的概念。

如果有我们以桥梁构件的性能指标为竖坐标,以时间为横坐标,可以做出在桥梁寿命期内性能指标变化的理论曲线。

综合国内外的理论研究成果,较为常用的桥梁构件性能退化模型,有两段退化模型和四段线性退化模型。桥梁构件性能两段退化模型包括线性退化模型、抛物线退化模型和指数型退化模型。见图1。

图1 桥梁构件性能的两段退化模型

由图1可以看出,桥梁构件的性能变化曲线分为两部分:在初始退化开始之前,构件性能指标表现出成桥时的状态,且保持该性能状态不退化;在开始退化之后,桥梁的性能指标随着时间逐渐下降,退化模型可以是线性变化、抛物线变化或曲线变化。

桥梁构件性能四段线性退化模型如图2所示。

图2 四段线性退化模型

四段线性退化模型将构件性能的衰退分为四个阶段:第一阶段,为平稳阶段,此时构件性能平稳下降,但由于病害较少,性能劣化率ɑ很低;第二阶段为发展阶段,构件性能在平稳基础上进一步下降,下降趋势有所增大;第三阶段为扩展阶段,构件性能下降变快,性能退化加剧;第四阶段为失效阶段,构件性能下降直至失效。

上述的桥梁退化模型是理论上的研究结果,可作为选型中的参考。桥梁结构和构件性能的实际退化模型,因构件的种类样、设计使用寿命、荷载超载特征以及环境作用的优劣程度而异。

构件性能评价指标的选择

构件性能的表征方式也很多,如可靠度、安全度、技术状况评分等。在研究桥梁全寿命周期等涉及桥梁安全性问题时,研究者往往采用结构承载能力或者结构可靠度来表征桥梁性能。

然而对于尚未涉及安全或预警红线的预防性养护工作来说,使用承载能力指标或可靠度指标并不方便。因此,桥梁构件性能退化模型的构建需要可操作性更强的指标。

桥梁检查评定中往往采用综合技术状况评定的方法,对桥梁部件、构件依次进行评分(评分用0-100表示),构件技术状况评分可以直观地反映桥梁现役状态。

本文将桥梁构件的综合评价与构件性能退化模型相结合,以桥梁构件的综合评价结果(技术状态评分)作为构件性能退化模型中的指标。

采用曲线拟合的方法,以桥梁寿命周期中历次检查时间为横坐标,以相应检查结果,即构件技术状况评分为纵坐标,用连续曲线对样本中离散点间的函数关系进行拟合,从而得到便于操作的构件性能退化模型,参见图3。

图3 桥梁构件性能的抛物线拟合

以拟合的性能曲线为基础,可进行构件性能退化分析等相关研究。

桥梁预防性养护方法

桥梁预防性养护是随着服役时间而采取的一系列有计划性的养护措施,目的在于保持或提高构件的性能状况、减少构件及主要组件的更换与大型维修、减少养护资金。

养护工作的经济性和有效性,很大程度上取决于进行预防性养护工作的时机,因此如何确定最适宜的养护时机,是桥梁预防性养护的重点之一。对于时机的选择,目前存在以下几种方法——

(1)基于构件状况的方法:该方法从结构构件的实际破损状况出发,找出进行预防性养护的临界破损状态。

(2) 效益费用评估法:该方法用效益与费用的比值来衡量合适的养护时机,侧重点是单位养护费用的效益,可以更直观地看出实施维护措施所带来的效益和所付出的成本。然而,无法明确地划分效益和费用的界限,成了该方法实施过程中较大的阻碍。

(3)基于构件性能的方法:该方法中仅通过构件性能来确定养护时机,当桥梁的性能指标降低到或接近最低允许指标时,再采取相应的维护措施,相当于“快坏才修”的策略。

(4)基于时间的方法:该方法就是对桥梁进行周期性维护。在该维护策略下对结构构件采取“不论状况,按时养护”的维护方式,按照规定的时间间隔进行维护。通过基于时间的周期性维护,降低桥梁的劣化率,延迟桥梁的劣化时间,甚至提高桥梁构件的性能指标。

(5)基于构件设计寿命的方法:该方法以构件的设计使用寿命为时限,通过更换构件或维修构件的方法延长其使用寿命。但有些构件的设计使用寿命是未知或不准确的。

预防性养护应包含基于时间周期的维护和基于性能指标的养护。

基于时间的维护就是对桥梁进行周期性的维护。按照该维护策略,暂不考虑桥梁构件的性能状况,仅按照规定的时间间隔对其进行维护。通过基于时间的周期性维护,可以明显降低构件的劣化率,延迟劣化时间,参见图4。

图4 基于时间的预防性养护方法

当桥梁构件的性能指标降低到一定水平,即到达管理者所能接受的允许性能时才采取维护措施,称为基于性能的维护。

该策略通过构件性能状态来确定维护时间,维护时间是不确定的。在没有维护时,构件按原有的方式劣化,当构件性能指标接近维护的目标性能时,再对构件进行维护加固处理,即所谓的“快坏才修”策略。通过这种维护能明显提高构件的性能指标,参见图5。

图5 基于性能的预防性养护方法

通过对比分析上述常用方法的优缺点,结合大跨径桥梁的养护管理特点,本文建议采用基于时间和性能的综合预防性养护方法。

该方法可实现对构件性能和服役时间双控制,既便于实施又安全可靠,参见图6。

图6 基于时间与性能的综合预防性养护方法

基于构件技术状态评价的预防性养护方法的具体措施为:在桥梁构件的前期养护中(构件性能良好,退化曲线处于目标性能之上),采用基于时间控制的维护方案,维护后构件性能提升γ,维护的效果持续时间为tpD。

在此维护策略下,tpD<tp,在tpD时段内构件性能退化放缓,此后在[tpD,tp]时段内仍按原来的规律退化;当构件性能退化到最低性能指标(即目标性能)时,则采用基于性能的维护方案。

基于构件技术状态评价的预防性养护方法的重点,在于确定结构性能水平的最低可接受水平,即目标性能。

桥梁构件性能目标值(预防性养护与修复性养护界限)取决于大跨径桥梁的构件种类、构件组成、构建的设计寿命、构件评定指标组成、管理者预期目标等。

采用桥梁构件的技术状况表征构件性能时,性能目标值均应为评分分数。考虑到预防性养护几乎不涉及桥梁安全性问题,且其作用对象多为构件的表观组件,因此,预防性养护中,桥梁构件性能的评定,仅采取技术状况评价中的部分评价指标,当涉及桥梁安全性问题时,即启动修复性维护措施。

通过专家调查,建议的桥梁构件性能目标值如表1所示,指标及评分可以根据实际桥梁养护需求变化。在桥梁的寿命期内,确定养护的次数并使得维修总费用最低,就是桥梁养护的经济性问题。


预防性养护在保证桥梁结构的性能指标满足可接受水平的前提下,预先进行一些养护、维护工作,使大跨径桥梁构件的综合技术状况保持长期良好,对大跨径桥梁来说是一种预期效果比较良好的养护方法。

基于构件技术状态评价的养护时机确定方法,根据桥梁历次检查结果中构件技术状况评分所拟合的曲线,构建桥梁构件性能的退化模型,确定构件养护时机。

该方法不仅可以用于大型桥梁的构件,在有足够数据积累的情况下,亦可用于大跨径桥梁的预防性养护。

预防性养护时间的确定方法中,依然离不开往年评价数据的累积,但随着桥梁结构科研水平的发展、人们对桥梁结构服役过程中性能变化规律研究的进展,以及对桥梁运营中可控性认知的加深,预防性养护技术也将得到进一步发展。

桥梁网本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志2019年 第1期 总第5期

作者 / 黄侨 李西芝 赵丹阳

作者单位 / 东南大学交通学院、中设设计集团有限公司

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