桥梁运营、养护和管理所面临的问题、现状及对策研究

桥梁运营、养护和管理所面临的问题、现状及对策研究

项贻强 陈向阳 翁沙羚 王晖

（浙江大学交通工程研究所 浙江 杭州 310027）

摘要：本文讨论了目前已建道路桥梁运营、养护和管理中所面临的问题、现状，对未来的桥梁运营、养护

和管理的发展及研究提出了新思路，并就有关的关键技术进行了研究和阐述。

关键词：桥梁 运营 养护 管理 健康监测 检测 损伤识别 加固 研究

1. 面临的问题

随着交通运输事业的发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越大，而现有道路中部分桥梁或由于当初设计标准低，经过一段时间的交通发展，荷载标准或桥上、桥下的净空不能满足新交通的需要，或结构陈旧老化、破损影响到它原有设计能力而危及运行的，严重影响了交通运输的发展。目前公路桥梁运营养护和管理所面临的问题主要有：

1) 交通量越来越大，旧桥的承载能力很多已经不能满足新的荷载等级要求。

2) 桥梁耐久性问题

由于设计考虑欠周，钢筋腐蚀、冻融损坏、碱集料反应和化学物质侵袭、环境影响等，使得结构的承载力会随着时间推移而降低。尤其是，当混凝土保护层剥露、钢筋腐蚀后，其有效截面积会不断减小，就使得结构的承载能力迅速下降，并不可恢复，严重时还会出现钢筋断裂。当结构的剩余承载能力低于作用荷载时，桥梁结构就有可能发生破坏。因此，由钢筋腐蚀病害而引起的桥梁耐久性问题，已成为一个非常突出的灾害性问题。

3) 疲劳问题

桥梁所采用的材料往往含有微小的缺陷,在循环荷载作用下,这些微缺陷(微裂纹和微孔洞)会成核，发展及合并形成损伤,并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制,极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。疲劳损伤是钢桥设计中的核心问题,有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的案例。早期疲劳损伤往往不易被检测到,但其带来的后果可能是灾难性的。

4) 桥梁的超载

桥梁的超载现象是客观存在的，在某些路段十分突出，有两种情况：其一是早期修建的老桥超龄、超负载运营;另一种情况是违规超载车辆的存在。前者产生的原因主要是设计规范的变化和交通量的增加及重载车辆的发展所致,这种现象是必然的;而后者是由于车辆使用者违反交通运输法规超载营运,这样的违规超载现象在中国公路运输中是很普遍的。超载会使桥梁损伤和裂缝加剧,甚至会出现一些过载引发的结构破坏事故。

5) 偶然事件的发生、撞击

船只和车辆撞击桥梁、火灾等突发事件时有发生，严重的发生车毁、船沉、桥塌的恶性事故，极大威胁着桥梁的正常使用和耐久性。

6) 维修资金紧缺、缺乏有效的监测和管理

限于资金和材料的紧缺，一方面不可能大量地拆除旧桥改建新桥，另一方面，还缺乏一整套有效的桥梁运营监测和管理的系统，帮助管理者维护桥梁。另外，从桥梁的设计到使用，____________________________________________________________________________

由于科技发展水平的限制，还有许多我们所未知的，如桥梁的地震特性，风振特性及控制及复杂结构的确切的空间受力行为和强度机理等方面研究都只能说是初步的，至少是不全面的。

针对目前公路桥梁所面临的问题，对桥梁采取有效的监测检测、分析、维修与加固等技术措施，对于降低投资、延长结构的使用寿命、减少灾难性事故的发生、维持和缓解当前交通压力显得尤为重要。而桥梁的养护、监测、检测、分析、加固改造过程处在一种位置、结构形式不断变化，材料、空间都受到局限的被动的技术状态之下，加上桥梁结构形式多样，地形、地质变化差别很大，跨径大小不同，建筑方法和材料特性各异等因素，使桥梁检测加固成为当前广泛存在而又变化多端、极其复杂的一项课题，必须利用现有的科学技术及新材料、新方法，对现有道路桥梁的运营、养护和管理提出一种全面的解决方案。

2.桥梁运营养护和管理及检测技术现状

针对桥梁运营养护和管理面临的问题，目前常规的主要的手段和检测方法、技术有外观目测调查分析及借助部分仪器设备的检测判断，检测方法根据问题的不同，分为以下几个方面：2.1 混凝土强度的检测

1）无损检测法

比较常用的是超声波速法与回弹仪法,可使测定的强度误差缩小到12%以内。

2）挖取试样法

这种检验方法的优点是既能做强度试验又能做弹性摸量与密度试验，测定结果也符合实际情况。缺点是破损了结构、费工、试验条件要求较高。因此常用于测定精度要求高的含筋量较小的大体积混凝土。

2.2 裂缝检测

桥梁结构出现裂缝之后，应加强检查与观测。根据裂缝的特征，结合设计、施工资料进行分析、查明裂缝性质、原因极其危害程度，确定是否需要修补并为修补方案的制定提供可靠的依据。检测内容包括：

（1）裂缝发生的部位、走向、宽度、深度、分布状况以及大小和长度等；

（2）裂缝的变化发展情况。观测裂缝的仪器一般有塞尺、手持式读数显微镜。也可采用长标距裂缝应变片、千分表引伸仪等。裂缝宽度的检测一般用手持式读数显微镜,测量结构较为精确，精度可以达到0.01mm。

为了了解裂缝对结构的危害程度对一些主要裂缝要进行深度的检测，现在比较常用的方法是超声波技术检测裂缝深度，这种技术对结构没有损害，且精度也较高。但是还有一些不足，当有钢筋穿过裂缝时，如果发射和接收换能器的联线靠近钢筋，则沿钢筋传播的脉冲首先到达接收换能器，测试结果不能反映裂缝的深度。试验证明，当换能器与钢筋的距离大于或等于1.5倍的裂缝深度时，可基本避开钢筋对测试结果的影响。

2.3 承载力的检测

现有桥梁承载力的检定，常采用以下两种方法：

1)荷载试验法

此法是比较普遍采用的方法，通过现场荷载试验及测试，可以直接检验桥梁的实际承载力。它又分为：静载试验和动载试验。静载试验测试内容包括应变、挠度和裂缝。动载试验法主要是通过对桥梁载在动荷载作用下产生的动力系数、自振频率和阻尼数据进行分析，求得桥梁的实际承载能力。近年来,桥梁动载试验由于工作量较小,费用低,试验时间短,操作方便、快捷而受到青睐，因此，桥梁动载试验迅速发展起来,并得到了广泛的应用，但是桥梁动载试验在真正的实际应用中还存在一些局限，有待进一步解决。

(1) 目前国际上广泛采用的以结构自振频率或结构位移模态为基础的损伤识别指标体系不够理想。桥梁作为一个由多种材料,不同结构组合而成的大型综合系统,系统各个成分应力状态、易损性不一,刚度、动力特性相差甚大。笼统地用某种单一的动力特性变化指标去评估整体结构的状态,是难以取得预期的效果的。

(2) 桥梁动载试验对桥梁结构的功能(承载力、变形量、可靠性等)进行定性分析比较容易，但进行定量评估则相当困难。

由于上述局限，在许多方面，桥梁动载试验、损伤识别还必须与最成熟的静载试验结合使用。随着计算机和计算分析技术的不断进步，先进的智能化数字化仪器仪表的广泛使用，以及其本身技术的发展，桥梁动力试验、损伤识别的局限将很大程度地被克服，必将显示出其令人振奋的发展前景。

2)长期跟踪法

此法是由实际交通情况来检定桥梁承载力的动态求法。它是对被检定桥梁进行相当长期的观测，根据桥梁通过的车辆荷载，测定车辆通过时桥梁各主要部位的挠度（跨中或产生挠度最大处）、应变、应力、裂缝开展情况等数据，然后对这些数据进行统计分析，从而得出桥梁可以承受的荷载等级。

但是一般用于结构监测的传统传感器，其测量能力只局限于逐点检测，当需要对大型结构如桥梁的状况进行评估时，采用具有的大面积检测能力的传感器就显得非常重要了。此外，对桥梁结构的承载能力的“非侵入式”检测也是桥梁工程界的迫切需求。

2.4 钢筋腐蚀及氯化物含量的检测

用于预测桥面系或混凝土结构钢筋腐蚀等病害的一般方法是：测量氯化物含量和钢筋腐蚀的半电池电势，并进行肉眼观测，这样既费时又妨碍交通。更糟的是它不能就沥青桥面铺装的整个病害情况提供准确数据。因只把注意力集中在由于腐蚀而导致的顶面钢筋保护层的层裂上，而忽视了由于冻/融循环造成的沥青铺装层下的混凝土裂崩的检测。

使用雷达、红外热像仪、激光光学、超声波和其它一些心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面。

“红外热像仪”是利用一台红外摄像机来产生一幅桥面温度图的。这种温度图像揭示了在阳光照射下混凝土裂层之上那个的桥面“热点”。这种温度较高的“热点”是由于薄的充满空气的裂层就象绝热体一样，使得其上的混凝土的温度上升得更快些而形成的。“雷达”的工作原理是发射短促的电磁脉冲，然后由这些电磁脉冲形成的电磁波可被混凝土中的各种异质界面反射回来而产生回波。雷达回波的交替变化之波形和混凝土发生病害及出现层裂后