白炳東, 章世祥，李西芝,*，劉成才

(1. 江蘇省交通運輸廳，南京 210004； 2. 中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014)

自2001年南京長江二橋(當(dāng)時主跨國內(nèi)第一、世界第三)順利建成通車以來，江蘇又陸續(xù)建成了潤揚長江大橋、南京長江三橋、蘇通長江大橋、泰州長江大橋及南京長江四橋等一批大跨徑纜索承重橋梁，特別是蘇通長江大橋更以“千米突破”成為世界斜拉橋發(fā)展史上新的里程碑。根據(jù)《江蘇省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，江蘇省將陸續(xù)推動錫通、鎮(zhèn)江五峰山、南京五橋等過江通道的建設(shè)，同時，規(guī)劃建設(shè)江陰、南京上元門、上海-崇明-南通、錫澄靖、常泰等一批過江通道。

大跨徑纜索承重橋梁建成后，各運營管理單位均高度重視管養(yǎng)工作，配有專業(yè)管理隊伍，編制了養(yǎng)護手冊，建立了監(jiān)測及管理系統(tǒng)。但由于各橋建造年代、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計方法、運營環(huán)境、管理制度等的不同，也都面臨著不同的運營及養(yǎng)護難題。本文針對該類橋梁的養(yǎng)護問題進行系統(tǒng)分析。

1 養(yǎng)護管理模式

當(dāng)前，大跨纜索承重橋梁建設(shè)逐漸呈現(xiàn)出投資主體多元化、融資方式多樣化的發(fā)展趨勢，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，不同省市、不同的大橋營運管理體制也呈現(xiàn)出多樣化的特點[1]。

當(dāng)前政府投資的公路橋梁管理體制主要有四種：事業(yè)單位模式、法人公司模式、政府部門模式和委托(特許)經(jīng)營模式。其中，事業(yè)單位模式即政府設(shè)立專門的事業(yè)單位，從事公路橋梁的營運管理；法人公司模式即由政府設(shè)立企業(yè)法人，負責(zé)橋梁的營運和管理；委托(特許)經(jīng)營模式指采用招投標(biāo)的方式確定專業(yè)化的營運管理公司來負責(zé)公路橋梁一部分或全部的營運管理，在特許經(jīng)營期間，通過相關(guān)法律、法規(guī)和雙方簽訂的特許經(jīng)營協(xié)議規(guī)范公司與政府之間的權(quán)利義務(wù)關(guān)系，特許經(jīng)營期限屆滿后，管理公司按照協(xié)議約定，把一座營運狀態(tài)良好的大橋無償移交給政府。南京長江大橋、西堠門大橋和港珠澳大橋采用了事業(yè)單位模式；南京長江二橋采用了委托經(jīng)營模式；國內(nèi)大部分大跨纜索承重橋梁(如江陰大橋、潤揚大橋、蘇通大橋、泰州大橋等)采用最多的是法人公司模式[2]。

目前，國內(nèi)各大橋的養(yǎng)護管理均介于管理型與實體型之間，鮮有完全的實體型養(yǎng)護模式[3]。如橋梁檢查方面，有的大橋保留有一定規(guī)模的養(yǎng)護隊伍，完成全部常規(guī)檢查工作，而定期檢查和特殊檢查則采取分包方式；有的大橋主要依托社會力量來進行檢查工作。委托方式上也有所不同，有的委托一家養(yǎng)護單位負責(zé)橋梁所有構(gòu)件的檢查和養(yǎng)護工作，管理方便，責(zé)任明確；有的將工作進行切割分包，如鋼箱梁分包給一家單位，斜拉索分包給另外一家單位，根據(jù)工作內(nèi)容委托更為專業(yè)的隊伍來完成養(yǎng)護工作，從而保證了養(yǎng)護工作的專業(yè)性、質(zhì)量和深度，但管理起來較為繁雜[4]。

特大橋的養(yǎng)護管理模式正逐步朝著“管養(yǎng)分離”的方向進行改革和發(fā)展[5]，這是市場經(jīng)濟條件下的必然趨勢。大橋管理單位所需人員將逐漸減少，僅保留日常性行政、技術(shù)和財務(wù)等方面的管理人員。大量的技術(shù)工作，包括路況調(diào)查、檢測與分析評價、大橋設(shè)施等各類數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集與分析、大中修工程的可行性研究、制定養(yǎng)護計劃及養(yǎng)護工程設(shè)計、招標(biāo)及養(yǎng)護工程質(zhì)量監(jiān)督、驗收、評定等逐步推向市場，交由技術(shù)力量雄厚的社會專業(yè)單位來完成。大橋養(yǎng)護管理單位主要負責(zé)制定相關(guān)的管理辦法，建立健全養(yǎng)護工程監(jiān)管體系和招投標(biāo)辦法，加強大橋各種設(shè)施的養(yǎng)護監(jiān)管，確保高速公路安全暢通。

此外，由于大跨纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜，很難僅依靠一兩家單位實現(xiàn)高質(zhì)量的養(yǎng)護，可以預(yù)見未來橋梁養(yǎng)護將逐漸形成“分項養(yǎng)護、總體評估”的專業(yè)化養(yǎng)護體系，實現(xiàn)分構(gòu)件由相對固定的專業(yè)單位承擔(dān)養(yǎng)護工作，其中的專業(yè)單位應(yīng)是具有相應(yīng)資質(zhì)、人才與技術(shù)力量雄厚的檢測單位、科研機構(gòu)或生產(chǎn)廠家。

2 養(yǎng)護工作制度

為了確保大跨纜索承重橋梁運營過程中的使用安全性和耐久性，大橋管理單位在貫徹“科學(xué)養(yǎng)護、全面養(yǎng)護、預(yù)防為主、防治結(jié)合”方針的基礎(chǔ)上，實施合理的養(yǎng)護管理工作。橋梁養(yǎng)護管理工作分養(yǎng)護工作和管理工作兩大部分，橋梁養(yǎng)護工作制度如圖1所示。

大跨纜索承重橋梁養(yǎng)護工作具有以下幾個鮮明特點：

(1) 養(yǎng)護工作的時效性與經(jīng)常性。作為公路的重要節(jié)點工程，大橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)必須保持完整，損壞部分需要及時進行修復(fù)，從而保證大橋行車的舒適、暢通與安全，提高其社會服務(wù)能力以及營運經(jīng)濟效益。

圖1 橋梁養(yǎng)護工作制度

(2) 養(yǎng)護技術(shù)的專業(yè)性?？紤]到該類橋梁養(yǎng)護工程具有復(fù)雜工藝技術(shù)、較高技術(shù)含量、較寬泛學(xué)科領(lǐng)域等特點，橋梁養(yǎng)護管理既需要配置專業(yè)化的技術(shù)人員和現(xiàn)代化的機械設(shè)備，也需要隨著養(yǎng)護管理的逐步發(fā)展而不斷探索，推行新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝與新材料。

(3) 養(yǎng)護對象的全面性與廣泛性。大橋養(yǎng)護管理的對象除了主橋之外，還包含了交通工程、各類監(jiān)控設(shè)施以及各項生活服務(wù)類設(shè)施。這些設(shè)施的養(yǎng)護管理涵蓋了建筑、道橋、園林、光電、計算機及機電等多個專業(yè)，從而形成了一個互相聯(lián)系、內(nèi)容廣泛且缺一不可的綜合性大橋養(yǎng)護系統(tǒng)。

(4) 人員的高素質(zhì)及養(yǎng)護的高成本。大橋養(yǎng)護需要較高的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、廣泛的養(yǎng)護范圍、較高標(biāo)準(zhǔn)的材料、復(fù)雜的施工程序、比例，以及規(guī)模較大的機械使用、較多的現(xiàn)代化設(shè)施以及較全的保護措施等，這使得其養(yǎng)護管理成本比其他一般公路橋梁高很多。養(yǎng)護的高投入保證了橋梁設(shè)施的狀況完好和良好的服務(wù)水平，獲得社會效益及經(jīng)濟收益的雙重回報，同時，也要求從事養(yǎng)護工作的管理人員以及技術(shù)人員具備較高的素質(zhì)，對養(yǎng)護對象的各項流程充分熟悉。

大橋的養(yǎng)護過程宜按照圖2所示實施流程進行。通過系統(tǒng)的橋梁檢查程序，制定詳細的檢查內(nèi)容和檢查要求，對技術(shù)狀況進行評定，根據(jù)評定結(jié)果安排橋梁維護維修工作，并對維護效果進行后評估。

圖2 橋梁養(yǎng)護工作流程

3 橋梁評估

橋梁評估是一個以整個結(jié)構(gòu)體系為對象，考慮結(jié)構(gòu)損傷和運營狀態(tài)，對橋梁的安全性、耐久性和適用性進行分析評估并做出決策的過程。由于纜索承重橋梁一般都裝有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，部分橋梁還建立了橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)或人工巡檢系統(tǒng)，并進行常規(guī)檢查和定期檢查，因此，應(yīng)從兩個方面進行評估：一是基于檢查和檢測的橋梁技術(shù)狀況評估；二是基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁評估?，F(xiàn)有的橋梁評估方法存在如下不足：

(1) 由于纜索承重橋梁評估的復(fù)雜性，目前各種評估方法在理論上均有一定的局限性，主要表現(xiàn)在：大多數(shù)評估方法仍然基于現(xiàn)場檢查和荷載試驗，橋梁評估的主觀性較強，評估效率及經(jīng)濟性較低；各類計算分析中，橋梁模型誤差難以考慮，影響評估的精度；評估方法復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用，且缺乏相對統(tǒng)一的評估指標(biāo)，難以系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化等。

(2) 以監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況為目的的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)已在眾多橋梁上運行，但從其計算和分析結(jié)果來看，難以實現(xiàn)橋梁早期損傷的預(yù)警，難以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)直接進行結(jié)構(gòu)損傷診斷，評估結(jié)果不盡人意。

(3) 由于我國橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)起步較晚，尤其是針對纜索承重橋梁的狀態(tài)評估，其基本思想沿襲了中小橋梁的評估模式，橋梁的評估方法單一，缺少多種檢測手段及相應(yīng)的評估方法研究。

(4) 評估標(biāo)準(zhǔn)大多是定性評估標(biāo)準(zhǔn)，定量指標(biāo)評估標(biāo)準(zhǔn)研究甚少。對于纜索承重橋梁，橋梁養(yǎng)護管理者最關(guān)心一些重要指標(biāo)，如索力、加勁梁應(yīng)力、主梁線形、塔頂偏位等，而對于隨機荷載作用下，測試結(jié)果在什么范圍內(nèi)是安全的，超過什么范圍說明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問題，該如何應(yīng)對等，則缺乏充分的研究。

因此，我們迫切需要在纜索承重橋梁評估指標(biāo)的選擇、評估體系的建立等方面開展研究，從而保證評估的客觀科學(xué)。

4 橋梁管理系統(tǒng)

高速發(fā)展的纜索承重橋梁需有與之相適應(yīng)的高水平智能管理體系，才能實現(xiàn)我國既定的“構(gòu)建國家智能運輸系統(tǒng)體系”的要求，才能確保大橋的健康運營并發(fā)揮管理系統(tǒng)的最大潛能。橋梁管理系統(tǒng)在解決當(dāng)前不足之處的同時，未來發(fā)展前景有如下幾點：

(1) 多系統(tǒng)結(jié)合的可行性。鑒于目前各種橋梁管理系統(tǒng)之間存在冗余和互補，如健康監(jiān)測系統(tǒng)和橋梁管理系統(tǒng)都有橋梁狀況評估功能，兩者采用評估數(shù)據(jù)有差異，可考慮將兩者結(jié)合起來，取長補短，建立較為綜合的評估體系。此外，橋梁養(yǎng)護管理需要考慮結(jié)構(gòu)全壽命周期，當(dāng)前BIM技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施全壽命、資產(chǎn)管理中的優(yōu)越性日漸凸顯，可以考慮在橋梁管理系統(tǒng)中引入該技術(shù)。

(2) 基于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康狀況評價。結(jié)構(gòu)健康評價是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心和目標(biāo)，并為橋梁的日常管理養(yǎng)護提供依據(jù)，但基于監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況評價方法是當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)最為缺乏的內(nèi)容。監(jiān)測系統(tǒng)往往只具有異常狀態(tài)下的報警功能，而對正常運營狀態(tài)下的橋梁工作性能缺乏科學(xué)的評估，且橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)往往和日常的養(yǎng)護管理相脫節(jié)，使得健康監(jiān)測系統(tǒng)失去真正的意義。

(3) 健康監(jiān)測系統(tǒng)和養(yǎng)護管理系統(tǒng)的信息融合。在實際應(yīng)用過程中可以考慮將實時健康監(jiān)測系統(tǒng)和日常養(yǎng)護管理結(jié)合起來，實現(xiàn)兩者在橋梁管理系統(tǒng)中的相輔相成、互為補充，共同為橋梁養(yǎng)護管理服務(wù)，如圖3所示。

一方面，日常的養(yǎng)護管理工作能夠及時發(fā)現(xiàn)一些實時健康監(jiān)測系統(tǒng)未涵蓋或無法監(jiān)測的結(jié)構(gòu)缺陷、材料退化或裂縫，并將其納入監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中，更新結(jié)構(gòu)的有限元模型(如剛度、材料特性、構(gòu)件尺寸、缺陷或損傷等)，有助于提高結(jié)構(gòu)健康評價的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。另一方面，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)應(yīng)綜合利用先進的結(jié)構(gòu)分析、損傷識別、信號處理及可靠度理論等技術(shù)，診斷可能發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷或災(zāi)難的條件和環(huán)境因素，評估結(jié)構(gòu)性能退化的征兆和趨勢，指導(dǎo)日常的養(yǎng)護管理工作。

(4) 橋梁綜合管理系統(tǒng)平臺。除了橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)外，橋梁運營中還存在多類別的數(shù)據(jù)，如交通量數(shù)據(jù)、車檢器檢測數(shù)據(jù)、路網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)在時間、空間上互相關(guān)聯(lián)，而由于各自所在系統(tǒng)的孤立性，無法實現(xiàn)有價值的關(guān)聯(lián)，無法從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。因此，有必要建立一套行之有效的數(shù)據(jù)分析機制，打通多個管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，建立綜合管養(yǎng)平臺，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律，從海量的信息中進行有用的知識發(fā)現(xiàn)，使各類系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)真正發(fā)揮價值。

圖3 基于信息融合的健康監(jiān)測系統(tǒng)和橋梁養(yǎng)護系統(tǒng)

綜上，在完善現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以健康監(jiān)測系統(tǒng)和橋梁養(yǎng)護系統(tǒng)信息融合作為前導(dǎo)，去掉各系統(tǒng)中冗余功能，建立系統(tǒng)間連接接口，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間功能融合，從而建立起統(tǒng)一的橋梁管理系統(tǒng)。

5 預(yù)防性養(yǎng)護

美國聯(lián)邦公路局(FHWA)將橋梁養(yǎng)護分為兩種類型，一種是在橋梁受損之后，修補危害橋梁運營的部分，包括重新涂刷、修補鋪裝的凹陷以及修復(fù)因交通事故而損壞的一些設(shè)施等，稱為修復(fù)性養(yǎng)護；另一種是在橋梁尚未出現(xiàn)損傷之前就采取針對性的養(yǎng)護措施，延長原有結(jié)構(gòu)的使用壽命，稱為預(yù)防性養(yǎng)護。美國FHWA橋梁養(yǎng)護行為分類如圖4所示。

圖4 美國FHWA橋梁養(yǎng)護行為分類

橋梁預(yù)防性養(yǎng)護既要保證橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到預(yù)期的壽命，又要使壽命期內(nèi)養(yǎng)護費用最低，因此，我們需要從以下幾個方面進行改進：

(1) 建立健全橋梁預(yù)防性養(yǎng)護制度。橋梁預(yù)防性養(yǎng)護涉及到橋梁的竣工驗收、檢查與檢測管理、評估管理、日常的運營管理、信息管理等[6]。

(2) 貫徹全壽命理念。橋梁養(yǎng)護工作的開展不僅存在于橋梁運營中，也應(yīng)從設(shè)計、施工質(zhì)量兩方面入手，在設(shè)計上完善橋梁細部構(gòu)造，嚴格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行設(shè)計，同時注重構(gòu)件的可檢查性、可維修性、可更換性等；在施工上改進施工方法、重視施工質(zhì)量，嚴格按照施工規(guī)范、規(guī)程進行科學(xué)施工，特別關(guān)注容易影響橋梁耐久性的環(huán)節(jié)。

(3) 采用高效檢測手段，實現(xiàn)全面調(diào)查與科學(xué)評價。先進的檢測儀器設(shè)備、科學(xué)的檢測手段是橋梁預(yù)防性養(yǎng)護的基礎(chǔ)。

(4) 注重新技術(shù)、新材料、新設(shè)備及新工藝的應(yīng)用。橋梁預(yù)防性養(yǎng)護要特別注重四新技術(shù)的引進與運用，保證橋梁養(yǎng)護工作的高效、優(yōu)質(zhì)、快速完成。

(5) 選擇合適養(yǎng)護時機和養(yǎng)護方法。預(yù)防性養(yǎng)護的經(jīng)濟性與有效性很大程度上取決于采取預(yù)防性養(yǎng)護措施的時間，太遲的養(yǎng)護會導(dǎo)致較差的結(jié)構(gòu)性能，太早的養(yǎng)護會造成資源的浪費[7]。

橋梁預(yù)防性養(yǎng)護是一個完整的、系統(tǒng)的養(yǎng)護過程，是建立在橋梁性能退化模型、檢查維修技術(shù)和費用模型之上的一種決策方法，是通過合理的籌劃來確立橋梁結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件科學(xué)、合理、經(jīng)濟的維護管理時機、方法、措施和策略，其重點是確定預(yù)防性養(yǎng)護合理時機、預(yù)防性養(yǎng)護對策和預(yù)防性養(yǎng)護效果后評估。

6 小結(jié)

大跨徑纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，養(yǎng)護要求高、難度大，養(yǎng)護工作面臨眾多挑戰(zhàn)，迫切需要建立起與之相適應(yīng)的養(yǎng)護管理模式和工作制度。按照“管養(yǎng)分離”的方式進行市場化改革；通過整合現(xiàn)有各類養(yǎng)護管理系統(tǒng)，真正發(fā)揮其在養(yǎng)護決策、信息融合等方面的作用；貫徹預(yù)防性養(yǎng)護理念，積極探索應(yīng)用預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)和四新技術(shù)，從而確保大橋養(yǎng)護的高效與安全。