摘要：本文介紹了現有橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的發(fā)展情況和研究現狀，剖析了大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)在管理模式、數據來源、橋梁評估、病害分析和維修決策等方面存在的問題，并針對這些問題給出了部分對策。以數字化斜拉橋養(yǎng)護管理系統(tǒng)DBMS為例，討論了該系統(tǒng)在以下幾個方面的研究進展，包括大跨度橋梁的數據采集、綜合評估方法研究、病害維修知識庫的建立、橋梁主動養(yǎng)護維修理念以及預測分析等。通過DBMS的實時運行，可以全面把握橋梁結構的運營狀態(tài)，并提前了解橋梁在未來時期的危險或較危險的工作狀態(tài)，為進一步的養(yǎng)護維修提供科學的依據，從而推動橋梁的養(yǎng)護管理水平。
1 引言
隨著（此詞被過濾）經濟的發(fā)展，特別是橋梁結構分析理論、計算機技術、土木建筑材料、結構檢測技術和橋梁施工技術的巨大進步，一大批結構新穎、技術復雜、設計和施工難度大、現代化品位和科技含量比較高的大跨徑橋梁被建造出來。然而，隨著大型橋梁設計的輕柔化、結構設計的日趨復雜化以及橋梁安全事故的頻頻發(fā)生，大跨度橋梁的安全維護問題也越來越受到各國政府的重視。在橋梁結構的運營階段，如何對其進行科學的管理、合理的制訂養(yǎng)護維修計劃、實時的了解橋梁的運營狀態(tài)，以提高橋梁的服務水平，保障人民的生命財產安全已成為目前大型橋梁的管理者們面臨的最為緊迫的問題。因而有必要建立一個系統(tǒng)化、智能化、數字化的橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)，輔助管理部門對現有橋梁進行有效的管理。
橋梁管理系統(tǒng)最早于 1968 年出現在美國，主要用于存儲國家橋梁的檔案數據；隨后在美國被廣泛使用的橋梁管理系統(tǒng)為PONTIS和BRIDGIT，這兩個系統(tǒng)具有橋梁數據存儲、狀態(tài)評估、退化預測、費用效益分析以及優(yōu)化決策等功能；在歐洲，典型的橋梁管理系統(tǒng)是丹麥目前使用的DANBRO、法國的Edouard、英國的NATS等[1]；亞洲有日本的道路公用橋梁管理系統(tǒng)，韓國的SHBMS等。
我國橋梁管理系統(tǒng)的開發(fā)始于上個世紀 80 年代初期，其中較為典型的是交通部的CBMS2000[2]，該系統(tǒng)主要針對中小橋梁進行管理，它包括數據管理、統(tǒng)計查詢、評價決策、費用模型、維修計劃和GIS應用六個子系統(tǒng)，具有較綜合的信息采集、評估、費用計算及決策功能；1995 年-1998 年，同濟大學開發(fā)了基于GIS平臺的上海市橋梁管理系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)是我國第一個城市橋梁管理系統(tǒng)，其部分功能涉及到橋梁養(yǎng)護管理問題，如可依據橋梁的技術狀況預估模型，做出養(yǎng)護需求分析并制定出橋梁維修計劃。針對大跨度橋梁我國也自主開發(fā)了一些相應的養(yǎng)護管理系統(tǒng)：2000 年，海滄大橋養(yǎng)護管理系統(tǒng)(BMMS)問世并投入使用， BMMS將特大型橋梁的管養(yǎng)任務劃分為橋梁結構、附屬設施、交通操作三大部分，建立了一整套完備的橋梁養(yǎng)護管理制度[4]；交通部公路科學研究所開發(fā)了“南京二橋綜合管理系統(tǒng)”，對南汊斜拉橋、北汊特大橋、全線橋梁、公路、沿線設施以及竣工等文檔進行有效地管理，其中南汊斜拉橋管理系統(tǒng)主要完成南汊斜拉橋的日常養(yǎng)護、維修計劃以及結構實時監(jiān)測等管理[5]；除此之外，還有大佛寺長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)、東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)、南京三橋養(yǎng)護管理系統(tǒng)、文暉大橋健康監(jiān)測與評估管理系統(tǒng)等，都是針對大跨度橋梁開發(fā)的管理系統(tǒng)。
總的來說，橋梁管理系統(tǒng)的發(fā)展經歷了三個階段：最初的橋梁管理系統(tǒng)只是用簡單的電子數據庫來代替繁雜的橋梁管理資料；其后管理系統(tǒng)中除橋梁數據庫外，還包括橋梁檢測、養(yǎng)護及維修信息，涵蓋各橋梁構件的檢測細節(jié)和詳細的等級劃分以及維修歷史等；近年來較先進的管理系統(tǒng)增添了維護決策功能，即制訂維護策略、進行維護優(yōu)化等。到目前為止，大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的研究取得了一定的成績，但是由于它是一個復雜的系統(tǒng)工程，無論國內或國外，該領域的研究仍處于基礎性探索階段，諸多關鍵技術問題仍沒有得到解決。
2 現有大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)存在的問題
2.1 管理模式方面
大型橋梁的生命過程一般包括總體規(guī)劃、設計施工和運營管理這三個階段。受經濟和技術條件的限制，人們往往把主要精力放在設計施工階段，而對運營管理階段的橋梁維護重視不足，我國“重建輕養(yǎng)”的現象仍較嚴重。橋梁管理部門停留在落后的管理模式和管理手段上，缺少科學的指導思想、系統(tǒng)的檢測評價方法?，F行的橋梁養(yǎng)護規(guī)范，如《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG H11-2004)，《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》(CJJ 99-2003)等都是針對中小橋梁制定的，這種僅對橋梁的外觀狀態(tài)和正常使用性能進行的定性、粗框的安全評價方法，對大跨度橋梁是不適用的。
一些現有的大跨度橋梁管理系統(tǒng)的基本模式沿襲中小橋梁，其主要功能是存儲橋梁有關的數據，養(yǎng)護管理的核心是修補危害橋梁結構運營的部分，包括重新涂刷、修補鋪裝的凹陷以及因交通事故而損壞的一些設施等，其實質是消極的防御型。這對于大跨度橋梁，僅僅通過已往簡單的養(yǎng)護措施和技術手段顯然是不恰當和不夠的。由于缺少對橋梁長期性能變化的科學預測，因此橋梁的養(yǎng)護、維修和管理并未達到理想的效果。
2.2 數據來源方面
一些橋梁管理系統(tǒng)的數據大多來源于常規(guī)的人工目測檢查或便攜式儀器測量得到的信息，但人工檢查方法在實際應用中具有一定的局限性。而另一方面很多大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)卻又過分依賴橋梁健康監(jiān)測的數據。經過近二十年的積極探索，人們在橋梁健康監(jiān)測領域取得了一些成果，但應該清醒的認識到，由于橋梁結構本身的復雜性和不確定性，以及受到很多客觀條件的限制，目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究僅僅處于起步階段，其在核心技術方面和理論方面均存在許多問題尚未徹底解決，例如：大量原始數據的實時處理、有限傳感器的優(yōu)化布置、橋梁結構性能的變化對結構指紋的改變的不敏感、監(jiān)測系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性、抗干擾性和耐久性不足、損傷識別中的損傷指標對結構損傷不敏感、橋梁的健康監(jiān)測尚無統(tǒng)一的標準和規(guī)范等問題，致使橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果受到影響。
2.3 橋梁評估方面
現有養(yǎng)護管理系統(tǒng)對大跨度橋梁進行評估，主要根據對橋梁狀況的定性了解和工程師的經驗來進行，即常提到的“傳統(tǒng)經驗法”[6]。但具有豐富專業(yè)知識和評估經驗的工程技術人員十分有限，且這種方法所采用的調查手段及判斷準則與專家個人的知識水平和經驗直接相關，在不同的背景下，不同的專家對同一問題的評估結果也會出現一些偏差。最近美國聯邦公路局的調查表明，由人工目測檢查做出的評估結果有 56%是不恰當的。故這種方法已不能適應大型橋梁養(yǎng)護管理的需要。為了改變這些不足，減少人們評估決策時的主觀隨意性，國內外許多研究機構已對橋梁評估問題展開研究并取得不同程度的進展，但這些方法始終沒有很好的應用到大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)中，并對其進行實際工程的驗證。
2.4 病害分析和維修決策方面
大跨度橋梁在長期的使用過程中難免會發(fā)生各種各樣的病害，病害的原因可能是使用、維護不當、車禍、船舶撞擊事故等人為因素，也可能是環(huán)境腐蝕、地震、臺風等自然災害所致。然而，大跨度橋梁的病害分析理論與實際的研究還很缺乏，橋梁的病害分析也只限于表面病害狀況，并沒有在理論上通過橋梁的結構特性對其產生病害的原因進行分析。
另外，養(yǎng)護管理系統(tǒng)中對于大跨度橋梁的維修策略僅僅局限于中小橋梁的維修手段，維修決策過程中由于受經驗的限制，缺乏對橋梁病害類型及其程度的定量化，經常導致橋梁養(yǎng)護及維修方案的不合理，最終使橋梁總體狀況進一步惡化；另一方面橋梁的養(yǎng)護資金往往不能滿足完成橋梁所有的維修處治的需求，資源分配方面缺乏客觀的評判標準和科學的決策手段，僅僅憑主觀判斷來分配，橋梁維修經濟分析與優(yōu)化的理論研究方面尚處于基礎性探索階段。
3 大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的理論研究
近年來結合教育部高校博士點基金和黑龍江省交通廳科技項目，我們以哈爾濱松花江斜拉橋為背景橋開展了大跨度鋼-混凝土斜拉橋的養(yǎng)護、維修、評價和管理方面的研究工作，開發(fā)了數字化斜拉橋養(yǎng)護管理系統(tǒng)DBMS(Digital Cable-stayed Bridge Management System)[7]。該系統(tǒng)針對大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的幾個關鍵技術問題進行了一些探討與改進，可供有關部門參考。
3.1 大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的數據采集
大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的數據采集旨在收集整理能全面描述橋梁基本特征和當前技術狀況的信息。在建立橋梁基本信息檔案庫的同時，提供對橋梁進行評價決策的數據支持，從而對橋梁進行有效的管理和狀況監(jiān)控。數據采集分兩部分內容：橋梁基本數據信息和橋梁檢查、檢測數據信息。其中橋梁基本數據信息提供該橋所需的基本數據資料，包括設計資料、施工資料、竣工資料、重車過橋記錄以及維修歷史等基本內容。橋梁檢查檢測數據信息是橋梁運營狀態(tài)評估和決策的主要數據來源，它包括人工檢查數據、儀器檢測數據和健康監(jiān)測數據。
通過橋梁檢測可以隨時清楚地了解橋梁的運營狀態(tài)。橋梁檢測內容包含經常檢查、定期檢查、特殊檢查和橋梁綜合技術狀況檢查四部分。橋梁經常檢查、定期檢查與特殊檢查旨在發(fā)現問題；橋梁綜合技術狀況檢查則是在已經部分了解問題的情況下[8]，進行全橋全面、綜合性的檢查以確定問題的嚴重性。為了盡量避免人工檢查的局限性，系統(tǒng)在檢查檢測信息錄入時為檢查人員提供了橋梁各個部位可能出現的病害類型、病害描述、病害原因分析、病害發(fā)展趨勢以及病害對比圖片等大量信息，使檢查人員通過這些信息做出正確的判斷；系統(tǒng)中盡量減少檢查人員的定性判斷，增加他們對定量數據的輸入，例如：
鋼筋銹蝕電位、主梁線形、伸縮縫接縫處高差、支座相對位置偏離等定量信息；系統(tǒng)盡量做到凡檢查人員的判斷都有據可依，有標準可查。除此之外，系統(tǒng)中還包含檢查計劃和檢查統(tǒng)計模塊，并隨著橋梁的狀態(tài)不斷更新，這樣使檢查人員能夠按部就班地對橋梁進行系統(tǒng)的檢查，并隨時了解橋梁建成以來的檢查檢測情況。近年來橋梁的健康監(jiān)測已有了一定的發(fā)展，系統(tǒng)中將健康監(jiān)測的數據作為養(yǎng)護管理系統(tǒng)數據來源的輔助手段，主要包括荷載監(jiān)測和響應監(jiān)測兩部分內容。
將大跨度橋梁的基本數據信息、人工檢查檢測信息、健康監(jiān)測信息一體化，有利于分析結構產生病害的原因，及時發(fā)現構件缺損和相關環(huán)境的變化，系統(tǒng)的掌握橋梁的技術狀況。
3.2 大跨度橋梁的評估理論
大跨度橋梁的評估理論是近年來的研究熱點，由于大跨度橋梁的復雜性和不確定性，使得人們在這方面的研究始終沒有較大的突破。針對原始的“傳統(tǒng)經驗法”，DBMS中的評估方法不再依賴工程技術人員的評估經驗和個人主觀判斷，它采用系統(tǒng)工程的有關理念以及多指標綜合評估、不確定型層次分析法、模糊綜合評估等方法建立起大跨度橋梁的評估指標體系，能夠相對客觀的對橋梁的技術狀態(tài)給出更科學的評價。
系統(tǒng)中包含對大跨度橋梁在整體上和承載能力兩個方面的評估。由于大跨度橋梁的復雜性，橋梁的綜合評估采用不確定型層次分析和模糊綜合評估兩種評估方法。承載能力評估也采用兩種方法：基于規(guī)范的方法和基于有限元模型修正的方法。兩種方法相互校核，互相驗證，有助于橋梁評估結論的正確性。在進行大跨度橋梁綜合評估時，首先將影響橋梁的諸多因素層次化，建立大跨度橋梁綜合評估的多層次關系模型，然后用不確定層次分析理論對層次中各個評估指標的權重區(qū)間進行計算。由于計算權重的數據來源于很多專家給定的判斷矩陣，因而在處理這些判斷矩陣時使用了群判斷和集值統(tǒng)計原理的方法綜合所有專家的意見，這樣得到的評估權重結果更加客觀。通過大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)中的所有數據信息，得到每個評估指標的評估值，由于評估指標的量綱不盡相同，因而需對其進行無量綱處理。最后，應用變權理論層層遞推，逐層綜合，得到橋梁各個指標以及整體的綜合評估結果[9]。模糊綜合評估的方法見文獻[7]，在此不再贅述。
在承載能力評估中，系統(tǒng)自動根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（征求意見稿），全面考慮結構構件的表觀質量、結構動力特性、強度等指標對結構的影響，通過檢測和監(jiān)測的數據計算得到結構（或構件）的惡化系數、截面折減系數和活載影響修正系數等，并以橋梁成橋狀態(tài)的有限元模型為基準，對其進行計算和分析，從而對橋梁實際的承載能力進行合理的、實時的評定。另一方面，系統(tǒng)通過結構分析模塊得到橋梁的有限元模型，以當前狀態(tài)下（即對初始成橋模型修正后的）相對真實、準確的有限元模型為基礎，采用數值加載的方法，進行“設計荷載”下橋梁的承載力計算和分析，從而評估當前狀態(tài)下橋梁結構是否依然具備設計的通行能力，使承載能力鑒定結果更加真實、準確。
3.3 大跨度橋梁的病害分析
由于設計理論不完善、施工質量問題、環(huán)境材料問題以及運營交通量劇增等多方面的原因，使已建成的大跨度橋梁出現種種病害，導致結構構件老化、承載能力降低，影響了結構的正常運營。未來的幾十年，將會是我國橋梁維修加固改造的高峰期。透徹研究橋梁病害的根源，進行橋梁病害診斷分析是橋梁維修加固的重要環(huán)節(jié)，也是橋梁維修加固設計的前提。
大跨度橋梁的復雜性，使得研究者難以對其病害原因給出合理的解釋。同一橋型中，構件不同；同一構件中，材料、所處環(huán)境、管理養(yǎng)護等方面不同，都會使橋梁產生完全不一樣的病害。這就必須通過調研、收集國內外發(fā)生各種病害及事故的多座橋梁的實例，對所需要研究的橋型病害進行歸類和原因分析，并將它們放到病害數據庫中供橋梁養(yǎng)護管理部門參考。此外，利用建立橋梁病害分析的精細化模型的方法，模擬病害過程，分析其易損部位和關鍵部位，并進行橋梁的特性分析，包括各種工況下橋梁的靜力特性、動力特性分析（例如，在進行斜拉橋病害分析時，可假設多種不同斜拉索的損傷程度、分布情況，進行有關靜、動力分析，研究拉索損傷對橋梁結構受力性能的影響）。靜力分析主要是獲得在各主要工況下橋梁線形、內力等結構整體性能；動力分析主要是獲得結構自振頻率、振型、阻尼比等動力特性，從而為橋梁病害知識庫的建立打下基礎，為養(yǎng)護維修決策提供依據。
3.4 大跨度橋梁的主動養(yǎng)護理念
大跨度橋梁的養(yǎng)護管理理念應該由傳統(tǒng)養(yǎng)護工作的防御性轉向技術預測，變以往的消極防御為主動養(yǎng)護，即將現場調查、現場檢測與監(jiān)測、計算識別與判別、維修與預測的整個過程系統(tǒng)化。橋梁結構的長期性能預測關系到結構將來維修計劃的制訂以及維護工作的優(yōu)先級排序[10]，通過對結構各構件的合理預測、掌握橋梁工作狀態(tài)的變化趨勢，管理者可以選擇養(yǎng)護維修工作的最佳時機，并及時制訂養(yǎng)護維修計劃，從而降低維修成本和橋梁出現重大事故的概率，維修工作不及時將會嚴重影響大跨度橋梁結構的使用壽命。系統(tǒng)中以哈爾濱松花江斜拉橋為研究對象，綜合考慮了混凝土的收縮、徐變及預應力鋼束松弛等時效因素對斜拉橋結構的影響，運用綜合計算時效影響的時效分析數值算法，完成對該橋整個運營使用期內，任意時刻結構應力、撓度、索力等長期性能預測，并隨著運營期內實測結果的改變動態(tài)更改結構預測模型。另外，根據國內近十幾年大型斜拉橋的建設、使用經驗，從結構的耐久性理論入手，對哈爾濱松花江斜拉橋各主要構件和附屬構件的耐久性進行了預測分析，包括混凝土構件的碳化深度、混凝土銹脹開裂、混凝土表面涂裝、鋼主梁的防腐蝕涂裝、斜拉索及其防護系統(tǒng)以及橡
膠支座耐老化性等內容的預測。
通過對大量已建斜拉橋的調研，系統(tǒng)中為不同的橋梁病害形式提供相對實用的維修策略，并針對橋梁的長期性能預測給出了維修預案，其中包括斜拉橋的換索預案?？紤]斜拉索可能出現病害的工況組合，利用大型有限元程序 ANSYS 進行分析，建立由空間桿、梁、板殼單元組成的空間有限元模型，以斜拉索索力優(yōu)化理論為基礎，利用最小余能原理，建立通過換索、調索改善結構線形與內力的理論和方法，進行換索過程的計算分析。
4 哈爾濱松花江斜拉橋養(yǎng)護管理系統(tǒng)簡介
哈爾濱松花江斜拉橋是黑龍江省第一座大跨度斜拉橋[11]，針對該橋開發(fā)的DBMS系統(tǒng)集數據采集、檢查檢測、評估、預測、維修對策等于一體。該系統(tǒng)包含八個模塊：數據管理模塊、檢查與檢測模塊、評估模塊、有限元分析模塊、病害診斷與預測模塊、養(yǎng)護與維修模塊、查詢統(tǒng)計模塊和幫助模塊。此外，該系統(tǒng)還建立了較為全面的斜拉橋病害維修知識庫，提供了較為完整的斜拉橋養(yǎng)護管理指南和實驗方法手冊。該系統(tǒng)根據人工檢查數據庫、橋梁基本資料庫和健康監(jiān)測子系統(tǒng)的數據信息，通過對平面和空間有限元模型的修正、計算，采用兩種綜合評估方法和承載力評估方法對橋梁的狀態(tài)進行科學的評價，能夠完成橋梁的病害診斷、構件預警、壽命預測、維修管理等功能。圖 1 為DBMS的界面示意圖。
5 結語
大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)是近年來國際上的研究熱點，國內的一些特大型橋梁都已經或將要使用相應的橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)。本文基于大量調查研究、實際橋梁考查的基礎上，就大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展趨勢進行了分析。并以數字化斜拉橋養(yǎng)護管理系統(tǒng) DBMS 為例介紹該系統(tǒng)針對大跨度橋梁養(yǎng)護管理中的幾個關鍵技術問題所做的研究與改進。通過 DBMS 系統(tǒng)的運行，可以實時了解橋梁的工作狀況，給出相應的維護方案，并預測橋梁在未來狀態(tài)下的運營狀況，使橋梁的養(yǎng)護和管理更加科學化。
大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的研究涉及運籌學、系統(tǒng)分析、工程技術、經濟學以及計算機技術等眾多領域的知識，目前它的研究仍處于比較初級的發(fā)展階段，且缺乏有關橋梁管理維修方面的實際數據積累。隨著一批科技含量高、技術復雜、施工難度大的特大跨徑橋梁在我國的建成，隨之而來對橋梁養(yǎng)護也提出了更高的要求，要把更多的精力投入到大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的研究中，切實采取有效措施，保證大跨度橋梁的安全暢通，確保或延長大型橋梁的設計使用壽命。
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