论文部分内容阅读
摘要：针对桥梁结构的耐久性问题日趋突出，解决桥梁养护过程中养护费用的有效利用，提出了桥梁养护的双指标分析方法即以可靠度理论和成本效益考察桥梁养护问题，通过优选养护方案，使维修效益与成本的比值最大化。并通过一座实桥进行验证。
关键词：桥梁养护；可靠度理论；成本优化
目前，我国正处于工程建设的高峰期，每年有大量的桥梁建成，使得养护工作量和相应的费用迅猛增长，文章以可靠度和成本优化两个指标综合分析公路桥梁养护费用的经济性，优化桥梁养护过程。桥梁养护成本的分析逐渐成为公路桥梁养护研究热点问题。
一、桥梁养护经济成本的定义[3]
桥梁养护经济成本，主要是营运期的经济成本，是指桥梁从竣工交付使用时开始到桥梁退出营运时止的整个期间内发生的所有的成本总和。根据我国桥梁的现行计价理论、计价原则和方法，我国现行桥梁管理、养护、维修、检测等统计资料情况，桥梁养护经济成本有狭义和广义之分。狭义的桥梁养护成本主要是指管养成本，即桥梁管理单位在桥梁营运管理期间所花费的所有桥梁管理成本、养护成本、专项检测成本、维修成本、风险成本的总称。而广义的桥梁养护经济成本除了管养成本外，还包括用户成本和环境影响成本两部分。用户成本是指由于桥梁的维修、检测而导致桥梁用户发生交通阻塞延误、交通绕行和因绕行导致的延误以及由于桥梁的维修、检测而导致的交通事故和货损等所产生的成本。
二、桥梁养护的可靠度指标
在桥梁使用过程中，由于交通荷载、环境等的作用，桥梁及其构件会发生退化，从而导致桥梁性能随时间下降．为了描述任意时刻的桥梁性能，需要确定一个适当的性能指标用于确定什么时间必须进行养护或维护处理。而体现桥梁可养护性的主要参数有两个：1）桥梁结构的可靠度；2）桥梁结构养护的临界水平。目前广泛利用结构可靠度曲线来表征桥梁结构可靠度随时间的变化。相似的桥梁按同样的要求设计、施工，但由于使用或荷载等多方面的因素影响，其某个时刻的可靠度水平是有差别的。临界水平是指现行桥梁检测要求中定义的某一技术状况水平，或称为最小可接受的可靠度。如果可靠度水平低于这个临界水平，则认为结构性能是不可接受的。通过分析桥梁可靠度退化的一些参数（如，桥梁类型、环境条件和车辆荷载情况），可以对桥梁可靠度指标中的开始退化时间及退化速率进行预测。在预测桥梁的养护和维修情况时，可靠度的时变退化预测是一种较好的方法。
三、桥梁养护方案
桥梁养护及维修方案主要是针对一座桥梁的退化进行处理的整个过程。一般的桥梁养护及维修方案可简单归结为三种，即：（1）每当性能降低至目标值时才进行养护维修；（2）当桥梁性能降低到一定程度但高于目标值时即进行养护维修；（3）以上两种方法结合使用。由于各种桥梁建筑材料和构件都有其各自不同的退化规律，因此要建立基于成本优化的桥梁养护及维修方案，选择最佳维护时机和维护方案．具体地讲，目的是要明确桥梁养护时间（When）、养护项目（What）和如何养护（How）。桥梁养护工作一般分为日常养护、预防性养护和专项重点养护，通常情况下是多种类型养护与维修工作的组合。日常养护主要是指清理泄水孔，伸缩缝和支座、油漆层，混凝土的微小修补、清理乱涂乱画等；预防性养护是指钢结构刷漆、更换伸缩缝，防水层、灌注硅烷、阴极防护、栏杆改造等；专项重点养护是指主体混凝土维修、桥面板更换、支座更换等。根据混凝土桥梁缺陷的不同，目前有很多种养护与维修方法，它们随方便程度、效率和成本的不同而不同。
四、养护维修对桥梁可靠度的影响分析
桥梁养护维修后对其可靠度的影响体现在两个方面：桥梁可靠度指标提高和养护维修后一段时间内桥梁可靠度指标退化速度的降低．这些影响可以通过养护模型和养护后模型的随机变量进行模拟，（1）处理后桥梁可靠度指标的提高；（2）桥梁可靠度指标退化过程抵制的时间；（3）桥梁可靠度指标退化率降低的时间；（4）桥梁可靠度指标退化率降低。
五、桥梁的养护成本效益分析
（一）维修成本分析模型
从美国和欧盟国家的桥梁管理系统实践来看，桥梁维修需求的预测和维修方案的選择是桥梁管理系统的核心部分，对各方案进行成本效益分析是该问题的重要步骤．为此本文确定了如式(1)所示的养护经济成本效益模型进行分析。
（1）
式中： 为设计基准期内的维护预期成本； 是指维修措施所产生的效益； 为维修实施时间；
桥梁在整个生命周期内维修成本应满足:
(2)
式中： 为结构可靠度； 为目标可靠度．即维修方案比选的原则是保证目标可靠度，使维修效益与成本的比值最大化。
（二）可靠度指标计算方法
随维护方案的不同，结构的可靠度指标在任意时刻下的变化规律也有不同的特点，可根据大量的统计资料建立可靠指标的变化图及其时间约束条件，维护方案的可靠度指标随时间的计算公式为：
（3）
在计算可靠度指标时采用了国际安全度联合委员会（JCSS）推荐“JC”方法，即：首先将随机变量原来的非正态分布“当量”化为正态分布；其次求得当量正态分布的平均值和标准差；最后用改进的一次二阶矩法计算结构的可靠度指标。
（三）维修成本模型在桥梁养护中的应用
以某干线上的一座桥梁为例，进行主梁养护方案的经济成本效益比较。算例中，以100 a的生命周期（设计基准期）为计算依据，以混凝土保护层碳化后引起主筋锈蚀作为钢筋混凝土结构性能退化机理，对该桥设计基准期内的承载能力极限状态进行时变概率分析，混凝土碳化模型采用PAPADAKIS模型，钢筋锈蚀采用YALSYN非线性模型，结构目标可靠度为4.2。根据上述养护成本效益分析数学模型进，对3种养护方案进行经济成本效益比较。
方案1：容许结构表面混凝土发生剥落，当发现剥落的迹象超过混凝土表面积的5%时，则进行维修．维修时采用的方法为替换已经剥落的保护层，表面重新处理的费用是4 800元/m2，涉及的面积是3 200 m2。这种策略依赖于视觉检查，其检查周期为5 a，每次的检查费用为18 000元
方案2：选择在主梁体表面涂刷防碳化涂料作为预防性养护措施．据相关资料，在混凝土表面涂刷防碳化涂料后，可在5 a内防止碳化深度的增加，从而延长结构使用寿命．在主梁混凝土保护层碳化完毕后，开始养护，每5 a养护一次，涉及混凝土面积是3 200 m2，涂刷防碳化涂料的费用是350元/ m2．
方案3：选择在主梁体表面涂刷防碳化涂料作为预防性养护措施。当主梁可靠度降低到接近目标值时开始养护，每5 a养护一次。
根据承载能力极限状态时变概率分析结果，在100 a设计基准期内，以上3种养护方案均可满足目可靠度为4.2的要求，比较的重点在于效益与成本比值的最大化。
比较结果为：方案二>I方案一>I方案三。
六、结语
本文综合目标可靠度和维修成本效益分析，提出了新的桥梁养护经济成本效益模型，结合一座实桥的工程实际，对设计基准期内的3种不同养护方案进行了比较，验证了该模型的实用性和有效性。
实施桥梁的养护经济成本效益分析对于处理桥梁建设中短期效益与长期效益的关系，有很好的现实指导意义，非常适合在役桥梁的维护管理策略选择，这对于逐渐提高我国的桥梁养护的技术水平和管理能力有着重要的意义，然而真正推广实施仍需要有大量的实桥养护维修数据和可靠的理论依据。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：桥梁养护；可靠度理论；成本优化
目前，我国正处于工程建设的高峰期，每年有大量的桥梁建成，使得养护工作量和相应的费用迅猛增长，文章以可靠度和成本优化两个指标综合分析公路桥梁养护费用的经济性，优化桥梁养护过程。桥梁养护成本的分析逐渐成为公路桥梁养护研究热点问题。
一、桥梁养护经济成本的定义[3]
桥梁养护经济成本，主要是营运期的经济成本，是指桥梁从竣工交付使用时开始到桥梁退出营运时止的整个期间内发生的所有的成本总和。根据我国桥梁的现行计价理论、计价原则和方法，我国现行桥梁管理、养护、维修、检测等统计资料情况，桥梁养护经济成本有狭义和广义之分。狭义的桥梁养护成本主要是指管养成本，即桥梁管理单位在桥梁营运管理期间所花费的所有桥梁管理成本、养护成本、专项检测成本、维修成本、风险成本的总称。而广义的桥梁养护经济成本除了管养成本外，还包括用户成本和环境影响成本两部分。用户成本是指由于桥梁的维修、检测而导致桥梁用户发生交通阻塞延误、交通绕行和因绕行导致的延误以及由于桥梁的维修、检测而导致的交通事故和货损等所产生的成本。
二、桥梁养护的可靠度指标
在桥梁使用过程中，由于交通荷载、环境等的作用，桥梁及其构件会发生退化，从而导致桥梁性能随时间下降．为了描述任意时刻的桥梁性能，需要确定一个适当的性能指标用于确定什么时间必须进行养护或维护处理。而体现桥梁可养护性的主要参数有两个：1）桥梁结构的可靠度；2）桥梁结构养护的临界水平。目前广泛利用结构可靠度曲线来表征桥梁结构可靠度随时间的变化。相似的桥梁按同样的要求设计、施工，但由于使用或荷载等多方面的因素影响，其某个时刻的可靠度水平是有差别的。临界水平是指现行桥梁检测要求中定义的某一技术状况水平，或称为最小可接受的可靠度。如果可靠度水平低于这个临界水平，则认为结构性能是不可接受的。通过分析桥梁可靠度退化的一些参数（如，桥梁类型、环境条件和车辆荷载情况），可以对桥梁可靠度指标中的开始退化时间及退化速率进行预测。在预测桥梁的养护和维修情况时，可靠度的时变退化预测是一种较好的方法。
三、桥梁养护方案
桥梁养护及维修方案主要是针对一座桥梁的退化进行处理的整个过程。一般的桥梁养护及维修方案可简单归结为三种，即：（1）每当性能降低至目标值时才进行养护维修；（2）当桥梁性能降低到一定程度但高于目标值时即进行养护维修；（3）以上两种方法结合使用。由于各种桥梁建筑材料和构件都有其各自不同的退化规律，因此要建立基于成本优化的桥梁养护及维修方案，选择最佳维护时机和维护方案．具体地讲，目的是要明确桥梁养护时间（When）、养护项目（What）和如何养护（How）。桥梁养护工作一般分为日常养护、预防性养护和专项重点养护，通常情况下是多种类型养护与维修工作的组合。日常养护主要是指清理泄水孔，伸缩缝和支座、油漆层，混凝土的微小修补、清理乱涂乱画等；预防性养护是指钢结构刷漆、更换伸缩缝，防水层、灌注硅烷、阴极防护、栏杆改造等；专项重点养护是指主体混凝土维修、桥面板更换、支座更换等。根据混凝土桥梁缺陷的不同，目前有很多种养护与维修方法，它们随方便程度、效率和成本的不同而不同。
四、养护维修对桥梁可靠度的影响分析
桥梁养护维修后对其可靠度的影响体现在两个方面：桥梁可靠度指标提高和养护维修后一段时间内桥梁可靠度指标退化速度的降低．这些影响可以通过养护模型和养护后模型的随机变量进行模拟，（1）处理后桥梁可靠度指标的提高；（2）桥梁可靠度指标退化过程抵制的时间；（3）桥梁可靠度指标退化率降低的时间；（4）桥梁可靠度指标退化率降低。
五、桥梁的养护成本效益分析
（一）维修成本分析模型
从美国和欧盟国家的桥梁管理系统实践来看，桥梁维修需求的预测和维修方案的選择是桥梁管理系统的核心部分，对各方案进行成本效益分析是该问题的重要步骤．为此本文确定了如式(1)所示的养护经济成本效益模型进行分析。
（1）
式中： 为设计基准期内的维护预期成本； 是指维修措施所产生的效益； 为维修实施时间；
桥梁在整个生命周期内维修成本应满足:
(2)
式中： 为结构可靠度； 为目标可靠度．即维修方案比选的原则是保证目标可靠度，使维修效益与成本的比值最大化。
（二）可靠度指标计算方法
随维护方案的不同，结构的可靠度指标在任意时刻下的变化规律也有不同的特点，可根据大量的统计资料建立可靠指标的变化图及其时间约束条件，维护方案的可靠度指标随时间的计算公式为：
（3）
在计算可靠度指标时采用了国际安全度联合委员会（JCSS）推荐“JC”方法，即：首先将随机变量原来的非正态分布“当量”化为正态分布；其次求得当量正态分布的平均值和标准差；最后用改进的一次二阶矩法计算结构的可靠度指标。
（三）维修成本模型在桥梁养护中的应用
以某干线上的一座桥梁为例，进行主梁养护方案的经济成本效益比较。算例中，以100 a的生命周期（设计基准期）为计算依据，以混凝土保护层碳化后引起主筋锈蚀作为钢筋混凝土结构性能退化机理，对该桥设计基准期内的承载能力极限状态进行时变概率分析，混凝土碳化模型采用PAPADAKIS模型，钢筋锈蚀采用YALSYN非线性模型，结构目标可靠度为4.2。根据上述养护成本效益分析数学模型进，对3种养护方案进行经济成本效益比较。
方案1：容许结构表面混凝土发生剥落，当发现剥落的迹象超过混凝土表面积的5%时，则进行维修．维修时采用的方法为替换已经剥落的保护层，表面重新处理的费用是4 800元/m2，涉及的面积是3 200 m2。这种策略依赖于视觉检查，其检查周期为5 a，每次的检查费用为18 000元
方案2：选择在主梁体表面涂刷防碳化涂料作为预防性养护措施．据相关资料，在混凝土表面涂刷防碳化涂料后，可在5 a内防止碳化深度的增加，从而延长结构使用寿命．在主梁混凝土保护层碳化完毕后，开始养护，每5 a养护一次，涉及混凝土面积是3 200 m2，涂刷防碳化涂料的费用是350元/ m2．
方案3：选择在主梁体表面涂刷防碳化涂料作为预防性养护措施。当主梁可靠度降低到接近目标值时开始养护，每5 a养护一次。
根据承载能力极限状态时变概率分析结果，在100 a设计基准期内，以上3种养护方案均可满足目可靠度为4.2的要求，比较的重点在于效益与成本比值的最大化。
比较结果为：方案二>I方案一>I方案三。
六、结语
本文综合目标可靠度和维修成本效益分析，提出了新的桥梁养护经济成本效益模型，结合一座实桥的工程实际，对设计基准期内的3种不同养护方案进行了比较，验证了该模型的实用性和有效性。
实施桥梁的养护经济成本效益分析对于处理桥梁建设中短期效益与长期效益的关系，有很好的现实指导意义，非常适合在役桥梁的维护管理策略选择，这对于逐渐提高我国的桥梁养护的技术水平和管理能力有着重要的意义，然而真正推广实施仍需要有大量的实桥养护维修数据和可靠的理论依据。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。