我國公路橋梁檢測評價與加固技術的現狀與發(fā)展
交通部公路科學研究院，張勁泉
1 引言
公路交通是人類社會生命線工程的重要組成部分，公路橋梁作為公路交通基礎設施的咽喉工程，在公路運輸系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用。由于使用荷載和環(huán)境因素等的作用，將導致橋梁使用性能衰退、結構安全與耐久性降低，造成橋梁適應性不足，甚至出現橋毀人亡事故。作為人造結構物的橋梁，客觀上也有其“生、老、病、死”的生存過程，采用科學的技術手段與方法對其實施及時有效的養(yǎng)護維修與管理，是保證其健康、安全服役，最大效能發(fā)揮其經濟效益的關鍵。因此，橋梁養(yǎng)護管理技術一直以來都是國際橋梁界的關注的熱點問題。
發(fā)達國家的經驗表明，通常橋梁在建成投入使用的20～30年后，將愈來愈多地面臨耐久性降低和安全性不足等問題，且越是經濟發(fā)達的國家所面臨的問題越突出。我國自上世紀80年代起開始，公路建設事業(yè)步入了高速發(fā)展時期，建設了大量各類橋梁，目前公路橋梁總數已突破57萬座，成為僅次于美國的世界第二橋梁大國。隨著服役時間推移和交通運輸事業(yè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，我們所面臨的橋梁養(yǎng)護管理工作任務也日趨艱巨，客觀上對橋梁檢測、評價、維修加固和養(yǎng)護管理等技術提出了更高的要求。為適應不斷增長的養(yǎng)護維修市場需求，解決橋梁養(yǎng)護工作中的瓶頸性技術問題，自上世紀60年代開始，我國在公路橋梁領域立體開展了大量科研項目和計劃，尤其值得一提的是，進入21世紀后，我國交通行業(yè)主管部門加大了對相關技術研究的支持力度，通過這些項目的實施，形成了較為健全的公路橋梁養(yǎng)護管理技術體系，對保障橋梁安全服役和路網暢通起到了關鍵性支撐作用。
2 我國公路橋梁的技術現狀
截至2007年底，我國共有公路橋梁570016座/23191812延米，其中永久性橋梁552216座/22795222延米、半永久性橋梁11502座/270234延米、臨時性橋梁6298座/126357延米。公路橋梁中混凝土橋梁占到了90%以上的絕對多數。橋梁數量眾多、總體技術狀況不容樂觀是目前我國公路橋梁的主要特點。具體表現在以下幾方面：
?。?） 公路路網中還有為數不少的半永久性橋梁（數量比：2.0%）與臨時性橋梁（數量比：1.1%），它們的承載能力普遍偏低，難以適應當前交通運輸需求，其抵抗自然災害的能力較差，安全隱患突出，急需進行“永久化”改造。
?。?） 1950年～1980年期間，按1981年以前頒布的不同版本的技術標準設計建造的橋梁，設計荷載標準偏低、橋面寬度狹窄。雖然，在“六五”、“七五”期間對它們進行了全面的技術改造，但由于當時資金有限，技術改造主要是以加固補強和加寬為主的。這些橋梁經過20余年的重載交通頻繁運行，普遍老化、衰退嚴重，絕大多數橋梁處于“帶病”工作狀態(tài)。
（3） 八十年代前修建的少筋混凝土橋梁（如：殼體橋、少筋微彎版組合梁橋、二鉸板拱和雙曲拱橋等）、桁架拱橋、剛架拱橋、以及帶掛孔的鋼筋混凝土雙懸臂結構和預應力混凝土T型剛構橋等，由于它們構造與施工上的特點以及結構體系上的弱點，使它們無法適應當前的頻繁重載交通，存在沖剪與壓潰破壞甚至構件掉落的危險。使用中的遼寧盤錦田莊臺遼河大橋掛梁脫落就是一個典型例證。
?。?） 八十年代修建的預應力混凝土斜拉橋、中承式和下承式吊桿拱橋，由于受當時橋梁建設技術的限制，拉索和吊桿的防腐層普遍出現過早的老化損壞，鋼束和錨頭銹蝕嚴重；加上當時對錨固區(qū)的構造以及抗風、雨振措施考慮欠合理，安全系數取值又偏小，致使拉索和吊桿易出現疲勞破壞。由于構造和手段的限制，目前對它們無法進行更深入的檢查，導致拉索和吊桿的破壞存在極大的突然性。廣州海印大橋斜拉索和四川宜賓小南門橋吊桿斷裂破壞就是典型示例。
?。?） 改革開放后，我國公路建設的高速發(fā)展初期建設的不少橋梁也存在安全與耐久性方面的隱患。比如：近二十年，我國在大江大河上、深溝峽谷間修建了為數眾多的預應力混凝土連續(xù)梁和連續(xù)剛構橋，由于在設計和施工上存在一定的缺陷或不足，致使這些橋梁在投入使用1到6年后，普遍暴露出預應力管道壓漿不飽滿或漏壓漿、后期預應力損失偏大，主梁跨中下撓過大、梁體斜向和縱橫向開裂等危及橋梁正常使用與耐久性的缺陷與病害；再如：我國近些年修建的高速公路上，采用預制安裝施工方法修建了大量的鋼筋混凝土和預應力混凝土空心板梁與小箱梁橋，這些橋梁在投入使用以后，普遍出現了梁端支承受力不勻、支座滑脫造成梁體受力不均，橫向聯接薄弱、鉸縫縱向開裂，單板或單梁受力特征顯著，在當前頻繁重載交通下，存在極大的安全隱患。
?。?） 我國地域遼闊，區(qū)域經濟發(fā)展水平和自然環(huán)境差異較大，造成不同地區(qū)的橋梁病害和損傷表現出較強的區(qū)域分布特點。如沿海地區(qū)的鋼筋混凝土和預應力混凝土橋梁，普遍存在鋼筋銹蝕、混凝土保護層層離或剝落等耐久性問題；西北、華北地區(qū)由于季節(jié)性河流較多、溫差較大，下部結構的磨蝕與侵蝕問題較突出；東北等寒冷地區(qū)，混凝土橋梁結構的凍融損傷問題較典型；南方地區(qū)的基礎沖刷和水毀問題較嚴重。
?。?） 近些年來，由于經濟的快速發(fā)展，公路交通流量出現了持續(xù)迅速的增長，加之在我國的貨物運輸車輛中普遍存在、屢禁不止的超載現象，極大地增加了路網中橋梁結構的負擔，低等級公路上的橋梁壓垮現象時有發(fā)生，高速公路橋梁也普遍暴露出過早損壞的不正?，F象。
?。?） 歷年橋梁調查結果顯示，我國橋梁有相當一部分處于“帶病”工作甚至在“危險”狀態(tài)。雖然交通運輸部每年都安排大量資金用于國省道危舊橋梁的改造和技術提升，但隨著我國經濟的快速發(fā)展，近些年我國公路交通的通行量和單車荷載重量均呈快速增長趨勢，加之我國目前公路橋梁中荷載等級較低（汽—20級以下）的橋梁總數大，尤其是農村公路上的橋梁技術狀況相對較差，致使公路橋梁中的危橋比例不降反升。表2-1列舉了近些年全國危橋調查的基本情況，其中1999～2005年統(tǒng)計結果不含農村公路，2006、2007兩年統(tǒng)計農村公路后，危橋的數量及其所占比例均有大幅上升。
近五年全國危橋的基本情況 表2-1
總的看來，我國公路橋梁的總體技術狀況不容樂觀。我國雖已成為世界橋梁大國，但在橋梁的養(yǎng)護管理方面還有很多不足和亟待解決的技術和管理問題。隨著國民經濟的持續(xù)發(fā)展，這些問題會不斷的暴露和顯現出來，并成為制約公路交通事業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關鍵因素，也將成為我國走向世界橋梁強國過程中必須突破的一個關鍵環(huán)節(jié)。
3 近年來的主要進展
為解決我國公路橋梁養(yǎng)護管理工作中的關鍵技術問題，我國交通主管部門圍繞橋梁養(yǎng)護的各個環(huán)節(jié)，持續(xù)立體開展了較系統(tǒng)的研究和技術推廣工作，極大地豐富和完善了技術成果，形成了較完善的技術體系，提高了行業(yè)技術水平，推動了行業(yè)科技進步。尤其是“十五”以來，依托西部交通建設科技項目、部省聯合攻關項目和部交通應用基礎研究項目等科研項目平臺，交通運輸部針對制約公路橋梁養(yǎng)護管理的瓶頸性技術問題，把握行業(yè)熱點問題和國際前沿，從基礎理論研究、應用技術研發(fā)、成果轉化與推廣等方面設立百余項科研項目，取得了一系列技術成果與突破，主要有以下幾個方面：
?。?） 橋梁養(yǎng)護檢查、技術狀況評價與養(yǎng)護管理技術
“七五”“、八五”和“九五”期間，通過“公路橋梁使用功能評價方法”、“公路橋梁管理信息系統(tǒng)”和“公路橋梁周期費用分析與狀況預測模型研究”等一系列部重點項目和國家推廣項目“公路橋梁管理系統(tǒng)推廣”的實施，構建了我國公路橋梁技術狀況和使用功能評價方法與標準體系。
在橋梁技術狀況評定方面，其主要成果是：構建了通過對橋梁各部件技術狀況的綜合評定，確定橋梁的技術狀況等級的評定方法。本方法的核心內容將橋梁各組成部件作為“串聯”系統(tǒng)，依據缺損程度、缺損對使用功能的影響程度、缺陷發(fā)展變化狀況進行量化評分，采用標度法并疊加發(fā)展趨勢修正的方法，對橋梁各部件進行技術狀況評定（詳見表3-1），并在專家調查評估、層次分析和模糊評估的基礎上，依據橋梁各部件重要程度采用權重理論，對橋梁的技術狀況做出綜合評定。
橋梁技術狀況綜合評定模型：
（3-1）
式中：、 為橋面系的評分值及相應的權重；、為上部結構的評分值及相應的權重；、為下部結構的評分值及相應的權重。
橋梁部件缺損及技術狀況評定方法 表3-1
在橋梁使用功能評定方面，其主要成果是基于橋梁結構缺損狀況、荷載標準足夠性和橋面收縮狀況三個方面，在系統(tǒng)分析國外公路橋梁使用功能評價方法的基礎上，采用層次分析理論和專家調查評估方法，提出了適合我國國情的橋梁使用功能評定模型。這成為指導我國公路養(yǎng)護部門制定橋梁養(yǎng)護、維修和改造計劃，確定養(yǎng)護維修資金投放優(yōu)先次序的重要技術依據。也為維護使用者利益和安全，保證投資效益，確定橋梁養(yǎng)護、維護與改善需求提供了技術手段。
公路橋梁使用功能評定模型：
（3-2）
式中：為橋梁使用功能評定值，以0~100表示，數值越小，功能缺損越大，維修或改善需求越大；、、為結構缺損狀況，載重標準不足和橋面收縮功能相應的權重；、、為上述三項功能的缺損值，采用0~5整數權度評分，值越大缺損越??；、、分別為與公路類別、交通量、繞行距離因素相關的重要性系數。
圖3-1 橋梁養(yǎng)護管理綜合系統(tǒng)
上述成果形成了我國《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTJ 073-96）、《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11-2004）和《公路橋梁技術狀況評定標準》（報批稿）的核心技術依據，依據成果開發(fā)了橋梁養(yǎng)護管理綜合系統(tǒng)（CBMS），并通過國家推廣項目進行了推廣應用，在31個省市建立了橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)，入庫橋梁達23萬余座。這些技術成果的形成和推廣應用，大大提升了我國公路橋梁日常養(yǎng)護工作的科學性、有效性和經濟性，形成了橋梁養(yǎng)護的基礎理論體系和應用技術平臺。
近10多年以來，我國特大橋建設事業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型橋梁所具有的復雜性和特殊性對養(yǎng)護管理工作提出了更高的要求，特大橋養(yǎng)護管理技術應運而生，交通部也專門立體開展了梁橋安全預警技術和監(jiān)測系統(tǒng)等方面的研究?；㈤T大橋、杭州灣大橋、蘇通大橋等均結合自身特點，量身定制了各自的養(yǎng)護管理系統(tǒng)、健康檢測系統(tǒng)和養(yǎng)護管理手冊等技術文件。另外，在一些經濟發(fā)達地區(qū)，區(qū)域公路基礎設施的安全問題變得日益突出，橋梁因其在道路運輸系統(tǒng)中的重要性，往往被寄予高度關注。北京市就在2008年專門設立了“橋梁結構安全監(jiān)測與養(yǎng)護管理技術研究”項目，以期系統(tǒng)研究解決橋梁的使用安全與保障等問題。
（2） 橋梁檢測與承載力評定方法
橋梁檢測與承載力評定技術是判定橋梁安全性的重要手段和依據，是橋梁評定的最核心內容，其涉及檢測、荷載試驗、評定方法和檢測儀器設備等多方面內容。
我國自“六五”期間開始加大力度開展相關理論和應用技術研究。“九五”之前，通過“大跨徑混凝土橋梁的試驗方法”、“橋梁檢測與試驗設備”、“用動力法快速檢測鋼筋混凝土筒支梁橋使用承載力的試驗研究”和“舊橋承載能力評定方法”等項目的實施，初步構建了以荷載試驗為主要手段的橋梁承載力評定技術與方法體系，研發(fā)了部分橋梁檢測儀器設備，使我國的公路橋梁承載力評定工作實現了有章可循。“九五”以后，我國對橋梁檢測和承載力評定技術的研究逐步走向深入，表3-2列舉了“十五”和“十一五”期間交通部西部課題的有關項目，這期間的主要成果主要體現在以下幾個方面：
2001～2008年西部項目橋梁檢測評價方面課題一覽表 表3-2
橋梁承載力評定方面。結合我國橋梁自身及其使用特點，在“十五”期間研究提出了基于檢測結果的橋梁承載力多參數修正檢算分析方法。該方法的主要特點是：在深入研究舊橋承載力影響因素和系統(tǒng)分析國內外已有評定方法的基礎上，通過對橋梁技術狀況進行檢查評估，依據橋梁質量狀況及耐久性參數檢測、結構固有模態(tài)參數測試和使用荷載檢查結果，采用舊橋檢算、承載力惡化、截面折減及活載影響修正等多系數影響分析的方法，基于近似概率理論，建立了承載力評定方法與參數體系；通過對大量實橋檢測、荷載試驗鑒定資料的分析和實體工程試驗驗證研究，基于模糊數學評估理論與專家評估方法，采用影響因素敏感分析、德爾菲專家調查、層次分析和數理統(tǒng)計分析的方法，創(chuàng)建了橋梁承載力評定參數的理論模型和計算方法；分橋型研究確定了用荷載試驗鑒定橋梁承載力的評定指標、應力和撓度校驗系數的限制范圍、裂縫擴展評定方法與標準等。
圖3-2 橋梁承載力檢測評定方法與體系框圖
a） 磚、石及混凝土橋梁 b） 混凝土及預應力混凝土橋梁
圖3-3 橋梁承載力檢測評定檢算表達式
這些成果攻克了橋梁技術狀況檢查評估結果、質量狀況及耐久性參數檢測評估數據、橋梁工作性能測試結果和使用荷載調查結果在橋梁承載力評定中如何合理有效應用的技術難題，解決了橋梁承載能力評定過分依賴荷載試驗的問題，節(jié)約了橋梁承載力鑒定費用，克服了用荷載試驗鑒定橋梁承載力無法反映鑒定期內材料進一步惡化以及實際使用荷載與橋梁設計荷載存在偏差等的不利影響。
檢測技術與設備研發(fā)方面。為滿足檢測市場需求，研究開發(fā)了超聲波檢測裝置、混凝土保護層測試裝置、鋼筋銹蝕測試裝置等一批橋梁材質狀況檢測儀器設備及其測試分析方法和評價指標標準；靜動態(tài)應力應變試驗裝置，檢測數據無線傳輸設備、光纖傳感器、弦式傳感器等先進的檢測儀器設備均已實現國產化。這些儀器設備不僅具有自主知識產權，而且性價比均明顯優(yōu)于國外同類產品。
上述成果解決了我國公路橋梁承載力檢測評定的關鍵技術難題，形成了《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（報批稿）等行業(yè)技術指南與標準，使我國公路橋梁的承載力檢測評定工作有法可依。目前這方面的研究正在走向深入和細化，針對不同結構形式的橋梁損傷識別、安全評價和可靠性評估方法的研究項目正在實施過程中，結構內部和基礎等隱蔽工程缺損的檢測評定方法與儀器設備也在研發(fā)之中。這些成果的最終形成，將極大地豐富和完善橋梁檢測評定技術體系，使我國的橋梁檢測評定工作更加科學有效。
?。?） 橋梁維修加固技術
伴隨著橋梁技術狀況評定、結構檢測與承載力評定技術的逐步定量化、科學化，橋梁的維修加固技術近些年取得了長足的進步與發(fā)展。許多新材料、新方法被應用于橋梁維修加固工作中。早在“六五”期間開始，交通部就組織實施了“提高舊橋承載能力的加固技術措施的研究”、“雙曲拱橋拱座位移病害整治的研究”、“公路水毀成因及防治措施研究”等一批舊橋維修加固技術的研究，國內研究機構和院校還針對粘貼鋼板、纖維片（半）材、增設體外預應力、增補鋼筋、增大截面、改變結構體系等加固方法開展了大量專項研究，形成了較成熟的舊橋維修加固計算理論方法和技術措施手段。
“十五”期間通過“公路舊橋檢測評定與加固技術研究及推廣應用”項目的實施，系統(tǒng)地研究總結和提升了國內外常用的20余種橋梁加固方法，并在舊橋加固基本原則，加固方法特點及適用條件、材料要求、施工工序質量控制與加固工程質量檢驗評定、加固后評價等方面取得了創(chuàng)新，形成了系統(tǒng)完善的橋梁加固成套技術成果，編制了公路舊橋加固成套技術應用指南，為橋梁維修加固的科學化、規(guī)范化奠定了堅實的基礎。
目前，正在開展諸如石拱橋、桁式組合拱橋、雙曲拱橋、鋼筋砼肋拱橋、預應力混凝土斜拉橋、連續(xù)剛構和連續(xù)梁橋等的專用成套維修加固技術，橋梁抗震加固和震后加固技術，橋梁維修加固質量檢驗評定方法，橋梁加固高粘結抗擾動混凝土等新材料的研究。通過這些更為深入的專項研究，將使我國的橋梁維修加固工作更加科學規(guī)范。
（4） 橋梁耐久性檢測評價技術
隨著時間的推移，由于環(huán)境和荷載等的作用，橋梁的材料和結構性能會逐步退化，進而帶來結構安全性問題，這一耐久性問題將在我國今后的橋梁養(yǎng)護工作中變得越來越突出。目前我國橋梁耐久性技術研究剛處于起步階段，技術水平遠落后于歐美等發(fā)達國家。為解決這一問題，我國交通主管部門設立了“橋梁耐久性關鍵技術研究”重大專項，針對我國公路橋梁在材料組成、結構體系與構造、設計、施工、質量控制與養(yǎng)護維修等環(huán)節(jié)存在的耐久性問題進行了研究項目布局，以期形成一套提高我國公路橋梁耐久性的實用技術，為建立我國公路橋梁耐久性設計、施工、質量控制與養(yǎng)護維修等標準規(guī)范體系提供技術支撐。
橋梁耐久性關鍵技術研究（專項）課題一覽表 表3-3
4 下階段重點突破的方向與技術
?。?） 加強相關政策的研究制定。隨著橋梁工程“全壽命設計”，“全壽命成本”、“社會成本優(yōu)化”理念的建立和完善，橋梁的養(yǎng)護管理工作將會發(fā)生重大的變革，許多相關技術管理政策要修訂乃至重新制定。通過全面系統(tǒng)的研究，提出各階段匹配的政策以保證這些新理念有序、健康的在橋梁養(yǎng)護工作中體現至關重要。
?。?） 進一步開展橋梁結構多致因損傷機理、結構性能衰減規(guī)律、耐久性評價、承載力鑒定等方面的基礎理論和應用技術研究?；跇蛄航Y構安全和使用壽命，開展橋梁承載能力計算分析與試驗方法、損傷結構評定方法與標準研究，以及開展結構耐久性評定與安全壽命預測技術研究，實現橋梁結構技術性狀評定的科學化、規(guī)范化和專業(yè)化，提高橋梁結構安全可靠性與長期壽命。著力解決橋梁結構缺損與耐久性檢測與診斷技術，從材料性能、結構缺損等方面研究檢測/監(jiān)測技術、診斷技術、技術標準、以及技術裝備，實現檢測/監(jiān)測手段自動化、網絡化、標準化，提高橋梁檢測/監(jiān)測效率、準確性。
?。?） 進一步加強橋梁維修加固和養(yǎng)護管理技術的研究。目前我國已研究總結了橋梁維修加固的成套技術成果，針對特殊結構型式的典型病害也開展了一些專項研究，但是總的看來，在特殊橋梁典型病害的維修處置技術方面研究尚不完善，對新型加固材料性能和施工技術的研究方面還有缺憾，對加固設計的精細化、特殊加固方法在設計計算理論和施工方法等方面的研究不足。在橋梁養(yǎng)護管理方面，應注重預防性養(yǎng)護的理念，結合我國公路橋梁的技術與使用現狀及發(fā)展趨勢，開展相關技術研究。今后應著眼于橋梁養(yǎng)護與維修成本綜合優(yōu)化，開展橋梁管理系統(tǒng)、養(yǎng)護決策系統(tǒng)、維修加固等方面技術的研究，實現橋梁養(yǎng)護決策科學化、規(guī)范化、專業(yè)化，降低養(yǎng)護與維修綜合費用，延長結構壽命。
?。?） 進一步加強防災減災技術的研發(fā)。從今年我國發(fā)生的冰雪凝凍災害以及汶川地震對公路基礎設施破壞與影響不難看出，我國在防災減災中預測、災毀評估、抗災設計與裝備等方面存在不足，需要進一步加強橋梁災害檢測評估、保通臨時處置措施、災后維修加固技術、防災減災技術、橋梁減隔震構造與裝置等方面的技術研究。另外，也應注重對大跨徑橋梁風荷載效應數值仿真和數值風洞、抗風構造設計與裝置方面的研究。
（5） 加強新材料和檢測儀器設備等的研發(fā)。隨著材料科學技術的發(fā)展，維修加固材料已不再局限于鋼和混凝土等常用材料，纖維材料、工程塑料、鋁合金、復合材料等高性能材料正被越來越廣泛地應用于橋梁維修加固中。加強新材料研發(fā)及其使用性能試驗研究十分必要。在橋梁檢測儀器設備研發(fā)方面，我國多年來基本延續(xù)著跟隨國外先進儀器設備發(fā)展趨勢的模式。隨著橋梁檢測和評價技術的發(fā)展，要求對橋梁常規(guī)缺陷、隱蔽工程缺陷具有更為準確可靠的檢測數據，這客觀上對橋梁檢測儀器設備提出了更高或全新的要求。今后應重點關注新型檢測儀器設備和檢測技術的研發(fā)。
（6） 加強科研成果的推廣應用力度。及時總結成熟研究成果并在行業(yè)內推廣應用，擴大社會和經濟效益。
