江蘇省位於長江下游，境內江面寬闊。為了滿足陸路交通運輸需求，自1999年建成江陰大橋以來，江蘇省先後建成了8座跨江公路大橋。此外，根據規劃，江蘇省還將建設更多的過江通道。為了確保跨江橋樑的結構安全、功能完整、壽命耐久，廣大養護工程技術人員開展了20年的養護實踐與探索，積累了一定的經驗與技術，可供同類橋樑養護工作參考。
大流量交通的考驗
圖1 長江江蘇段過江通道分佈圖
江蘇境內長江干流總長約430公里，並將江蘇省劃分為江南、江北。過江通道是江蘇省南北溝通、融合發展的關鍵紐帶。截至2019年底，已建14條過江通道，其中公路橋樑8座。此外，還有8條在建的過江通道。根據規劃，到2035年，過江通道的數量將達到44條。江蘇交通控股有限公司負責江陰大橋、潤揚大橋、蘇通大橋、泰州大橋、崇啟大橋的運營與養護管理。由於江蘇交通的現狀，這5座橋樑持續經歷著大流量交通的考驗，截至2019年底，5座跨江大橋日均合計過橋流量達到了30.6萬（絕對數），貨車比例平均28%。其中，蘇通大橋日均流絕對數量已超10萬，江陰大橋日均流量達9.7萬，高峰流量超過了16萬，僅江陰大橋累計通行車輛已超3.7億輛。
江蘇交通控股有限公司充分利用高速公路網與橋樑群的管理優勢條件，以“高質量發展”作為養護總目標，樹立“科學、精準、務實、創新”理念，重點突破決策精準化、管理精細化、作業標準化、隊伍專業化、生產綠色化、效益最優化等難題，打造“蘇式養護”。在橋樑養護方面，圍繞“結構可靠、部件耐久、結構安全”，堅持預防性養護與病害處置相結合的原則，對於橋樑病害分類決策、分級處置，確保總體可控，推動橋樑養護從被動性專項治理，向系統性預防管養的模式轉化。
分類決策 分級處置
鋼橋面鋪裝
鋼橋面鋪裝一直是國內大跨徑橋樑建設與養護的重點和難點技術問題之一。江蘇跨江大橋建設階段採用的鋪裝形式，除江陰大橋採用單層澆築式外，其他基本都是雙層結構，雙層結構中又有雙層同質與雙層異質之分。
根據不同結構類型、不同運行階段等特點,養護工程技術人員開展了針對性研究,完成多種結構類型和形式鋪裝層實橋試驗,不斷探尋適應現階段使用條件的鋪裝層結構。
江陰大橋於2004年先後組織開展了6種方案、13個區段的實橋試驗，包括原有鋪裝瀝青改進，不同厚度、不同結構形式等。經過實橋驗證，確定了“下層澆築+上層環氧”鋪裝層結構——在下層採用柔變協同變形能力和水密性能優異的澆築式瀝青混凝土，以及在與重載車輛直接接觸的鋪裝上層，採用高強度、抗高溫車轍性能優異的環氧瀝青混凝土。該結構在江陰大橋中承受了3521萬次的標準軸載次數的作用，超過1200萬次的設計標準軸載次數，成功解決了大跨懸索橋鋼橋面鋪裝設計壽命期內的貫穿裂縫、車轍、推移、擁包、脫層等病害難題。“下層澆築+上層環氧”採用了兩種不同材料，需要兩套施工工藝，導致施工時間長、費用高。為適應江陰大橋超大交通量，技術人員進一步研發出“不粘輪環氧樹脂粘結層+雙層熱拌環氧瀝青混凝土”鋪裝技術體系。該體系進行鋼橋面鋪裝單條車道（寬3.75m、長1385m、厚度3.0cm）的翻修，僅需5個工作日（銑刨1個工作日、清理2個工作日、粘結層塗布1個工作日，攤鋪輾軋1個工作日）進行鋪裝修復作業、7天養生固化後，即可開放交通，實現了快速化的鋼橋面鋪裝修復作業。
圖2 橋面系服役狀態動態感知系統
泰州大橋2012年建成通車以來，經歷了最高橋面溫度70℃、最低溫度零下10℃、最大過橋日斷面流量超11萬輛（單側三車道，流量超過8萬輛）的考驗。橋面建成通車時，採用的是“下層澆築+上層環氧”瀝青混凝土雙層鋪裝。7年多來，在僅僅進行正常的日常養護情況下，橋面始終保持通車初期的狀況。根據研究，結合已有鋪裝養護經驗，該橋確定的具體養護措施是：首先要重視鋪裝狀況調查，發現病害及時進行維護處理，並認真分析其產生原因，找出防範的辦法。對於沒有發生任何破損的橋面鋪裝層，一般每月檢測一次；而對發現鋪裝層出現裂縫等病害後，則檢測頻率加大為每月兩次。其次，及時清掃鋪裝層異物，及時處理燃油或化學物質汙染，消除產生病害的條件。第三，高溫期間採取降溫措施，冰雪天氣加強除雪與防凍工作。養護人員在該橋建立了鋼橋面系全斷面溫度場、動態荷載及結構力學響應聯動感知系統，開展長期性能跟蹤檢測與研究。研究發現，對於“下層澆築、上層環氧”這種雙層鋪裝結構，存在兩階段的轍裂聯動病害演變規律，病害發生是先裂後轍，不裂不轍，轍裂聯動門檻值約為4mm。開裂的主要原因是，下層澆築瀝青混凝土在高溫下會軟化變形，使得上層環氧支撐條件改變，產生應力集中。因此，通過控制橋面溫度，能有效化解這一問題。
圖3 環氧樹脂碎石+RBPC鋪裝
潤揚大橋南汊懸索橋在橋面鋪裝維護中，採用超高性能混凝土，開發了免蒸養的應變強化型超高性能混凝土鋪裝及其配套界面粘結材料。首次針對在役大跨徑鋼橋面，採用了環氧樹脂碎石+標線剪力釘+RBPC鋪裝與環氧樹脂碎石+RBPC鋪裝兩種鋪裝組合結構。試驗路段為半幅三車道，兩方案各長70m，目前已經經過近一年的通車檢驗（日斷面交通量約為6萬輛，絕對數），尚沒有發現病害問題，並計劃於近期擴大試驗。
鋼箱梁疲勞
疲勞是大跨橋樑鋼箱梁的又一難題。2011年，江陰大橋在通車12年後，發現第一條焊縫疲勞裂紋；2018年，蘇通大橋在通車10年後，發現第一條焊縫疲勞裂紋；2018年，潤揚大橋在通車14年後，發現第一條焊縫疲勞裂紋。
根據疲勞損傷裂紋檢測的統計發現,無論是懸索橋還是斜拉橋,裂紋橫向分佈具有相同的特徵，即主要集中在重車道。但不同的橋型,裂紋縱向分佈具有不同的規律:懸索橋（江陰大橋）早期主要集中在橋塔至四分之一跨之間。隨著時間的增長,跨中部位有一定的增長趨勢。裂縫主要為U肋與頂板過焊孔處的U肋裂紋和頂板焊縫裂紋,佔裂紋總數的96%以上。斜拉橋（蘇通大橋）縱向分佈則較均勻，其中跨中和邊跨輔助墩的桁架式縱隔板開裂數量多。
針對疲勞問題，養護工程技術人員開展技術攻關，逐步形成了“分類檢測、科學評估、預防優先、綜合處治”的養護思路，並編制發佈了相應的地方性標準。
1.分類檢測
早期的鋼箱梁檢查工作，由於缺乏科學依據和相關經驗支撐，往往採取“全覆蓋”式的普查。長此以往，養護工作週期長、成本投入高，養護效率和質量難以有效保證，成為了大跨橋樑鋼箱梁養護所面臨的首要問題。
所謂分類檢測，即根據不同橋型疲勞裂紋分佈規律，對檢查區域、檢測方法、檢測頻率、疲勞裂紋等進行分類，分別制定針對性的檢測策略，確保最大限度利用有限的資源，提高檢測效率和效益。以江陰大橋鋼箱梁為例，疲勞裂紋橫橋向主要集中在上下游6#~15#U肋焊縫部位，頂板與U肋焊縫部位疲勞裂紋佔所有疲勞裂紋數量的90%以上，具有較為顯著的分佈特點。依據此特點，在日常檢查中，將上下游6#至15#U肋部位列為重點關注區域，適當提高檢查頻率，並側重頂板與U肋焊縫疲勞裂紋檢查。
對於表面可見裂紋，比如橫隔板弧形缺口部位的疲勞裂紋，可採用目視或磁粉檢測的方法。針對隱蔽裂紋，養護人員以超聲波為檢測手段，開展了鋼箱梁疲勞裂紋長度、深度、角度等三維特徵的檢測方法研究，並提出了頂板與U肋焊縫疲勞裂紋雙探頭檢測方法，有效克服了檢測盲區。
2.科學評估
疲勞裂紋檢出後，便需要制定合理的養護策略，指導後續的維修工作。“逢裂必修”不僅會加大維修投入，還會加快鋼箱梁結構維修損傷的快速累積。
根據鋼箱梁疲勞損傷發展規律，可大致分為開裂前和開裂後兩種情況。開裂前通常為疲勞損傷累積階段，可以採用相關的預防性措施，來提高焊縫或板件的抗疲勞性能，提升疲勞壽命。開裂後通常為疲勞裂紋擴展階段，需要通過止裂或維修加固，來提高局部構造的裂紋擴展壽命，並恢復一定的截面承載力。
在疲勞損傷累積階段,通過研究鋼箱梁疲勞裂紋損傷累積發展規律,結合可靠度、疲勞強度、焊縫幾何特徵等，對疲勞損傷情況進行計算,並預測損傷發展趨勢。對於低於可靠度的焊縫部位,及時採取相關措施,降低疲勞損傷累積。在疲勞裂紋擴展階段,逐步建立以跟蹤觀測和裂紋二次擴展判斷方法為基礎的疲勞裂紋動態評估方法,以裂紋長度、裂紋擴展速率、裂紋尖端位置的評估指標,對疲勞裂紋進行不定期動態評估,並採取相應的措施(見表3)。
3.預防優先
鋼箱梁預防性養護工作主要以泰州大橋為工程依託開展，即通過及時觀測和處治，阻止或延緩病害的發生，提升結構耐久性，實現養護工作的“治未病”，使得鋼箱梁養護局面由被動式養護轉變為主動式養護，更好地提高原有結構的耐久性。在鋼箱梁預防性養護工作中，根據疲勞損傷發展規律，提出了焊趾磨削、錘擊、角撐板等焊縫疲勞性能提升技術，並得到大量疲勞試驗驗證。部分技術結合泰州大橋運營特點，在現場進行了試驗及應用評估，結果表明，鋼箱梁頂板焊縫部位應力集中程度降低，有效延緩了疲勞損傷累積，提升疲勞壽命。
結合Miner線性累積損傷理論，養護人員開展了長期的疲勞損傷監測工作，掌握了服役環境下疲勞損傷狀況，明確了預防性養護的重點區域。同時，對鋼箱梁內部溫溼度進行定期監測，掌握鋼箱梁內部環境特點，必要時及時採取措施，以保證鋼箱梁內部環境穩定。
圖4 裂紋補焊技術
4.綜合處治
鋼箱梁疲勞裂紋維修處治，是鋼箱梁日常養護工作的重要內容之一。江陰大橋自2011年檢出疲勞裂紋以來，在疲勞裂紋維修方面進行了一系列改進。在技術方面，研發了氣動衝擊維修新技術，通過對裂紋表面進行高速衝擊，使裂紋開口產生閉合，提高裂紋擴展阻力。該技術效果已結合室內試驗和實橋示範應用得到了有效驗證。自2017年全面應用以來，累積維修近300條疲勞裂紋，93%以上疲勞裂紋尚未產生明顯擴展，階段性效果顯著。在工藝方面，對傳統的鑽孔止裂技術和裂紋補焊技術進行了全面優化，確定了鑽孔時機、孔徑、孔位、角度等關鍵參數取值，將原先6-8mm的鑽孔孔徑提升為10-12mm。實踐結果表明，鑽孔止裂效果得到有效提升。
同時，為了對疲勞裂紋進行信息化管理，結合跟蹤觀測工作，建立了鋼箱梁疲勞裂紋信息化編碼體系（圖5），對鋼箱梁內每條疲勞裂紋，在物理空間上進行準確定位。
圖5 鋼箱梁疲勞裂紋編碼
不同橋型、不同部位疲勞裂紋的成因和受力特徵均有一定差異，考慮共性和個性問題，在技術的應用條件、應用對象等方面進行了進一步規定，見表4。通過不同裂紋長度下維修技術的選擇，實現了疲勞裂紋針對性處治。同時進一步提出了組合維修方法，形成了“氣動衝擊+打孔”“補焊+打孔”等多種組合維修手段，實現綜合處治。
懸索橋纜索系統
1．主纜
江陰大橋建成通車時，主纜採用了“鋅粉膏膩子+圓形纏絲+表面防腐塗裝”防護體系；潤揚大橋採用了“S形纏絲+表面防腐塗裝+主纜除溼系統”防護體系 （日本引進技術和關鍵材料）；泰州大橋採用了自主研發的“S形纏絲+表面防腐塗裝+主纜除溼系統”防護體系，開發了完全自主知識產權的成套技術體系和配套的關鍵材料、施工設備。從目前檢測的結果來看，採用主纜除溼系統的潤揚大橋和泰州大橋防護效果比較理想。
江陰大橋主纜原始防護體系相對薄弱，在大橋1999年通車後不久，表面塗裝便出現了針孔、粉化和脫落等病害，並有滲水現象。針對出現的病害，2006年，在對主纜原有塗裝、索夾密封進行維修處理的基礎上，加裹了一層HM106密封劑，提高主纜防護等級。從其後的檢測結果看，該處理方案能夠有效防止外部水分的進入，但不能夠改善內部溼度狀況。
為掌握主纜內部的環境和鋼絲真實狀況，2013年1月，江陰大橋實施了國內首次主纜開纜檢查。選擇在水分最易於聚集、開纜比較方便的主跨跨中位置，打開了一段長400mm的主纜纏絲。結果顯示，主纜底部1/3圓周範圍內，表層鋼絲存在輕度鏽蝕現象。利用開纜位置，安裝主纜內部狀態長期觀察窗並埋設溫溼度傳感器。實時監測數據顯示，在沒有外界人為干預的情況下，江陰大橋主纜內部的溼度長期達到96%以上；在低溫情況下，有冷凝水從觀察窗的洩水孔滴出。為保證結構安全，江陰大橋在國內首次嘗試在既有懸索橋主纜增設除溼系統，系統於2014年12月安裝完成並投入試運行。經過一年時間，江陰大橋主纜內部溼度降低到45%以下，有效保護了主纜鋼絲。
2．吊索
江陰大橋吊索有兩種形式：長度大於10m的長吊索，採用帶PE護套的平行鋼絲索股，由109根鍍鋅高強鋼絲組成，共260根；長度小於10m的短吊索，採用Φ80鋼絲繩加PE防護套，共80根。
圖6 長吊索更換
2009年，江陰大橋通車10年，在橋樑日常檢查中發現，西幅43#吊索存在異響。經多方案檢測，確認是由於軸套磨損所致。為了有效解決軸套磨損，養護單位組織力量開展了新型軸套研究。經過大量的室內試驗，選定錫青銅作為軸套材料，其壽命可達到30年，是原來所採用的DU材料軸套的3倍，這種新型軸套被泰州大橋等新建懸索橋推廣應用。同時結合短吊索（鋼絲繩）軸套更換作業，研發形成了成熟安全的“單吊點”吊索更換施工工藝。
根據現行設計規範，吊索設計壽命一般為25年。為了應對可能出現的應急維修並進行換索技術儲備，江陰大橋和潤揚大橋先後組織開展了中長吊索換索研究與試驗，並利用試驗換下的吊索，開展剩餘使用壽命試驗研究工作。吊索疲勞試驗和靜載試驗的結果證明，江陰大橋吊索在經過近20年使用後，總體狀況依然良好，斷絲數量、鑄體和錨具都在設計允許範圍內；吊索下部錨頭處個別出現鏽蝕；使用20年的吊索若處於正常無鏽蝕狀態，其疲勞試驗的循環次數仍遠遠超過200萬次。一根處於正常無鏽蝕狀態試件，試驗次數達到300萬次仍沒有破壞跡象。但是，在鏽蝕發生後，隨著腐蝕的加劇，疲勞試驗的循環次數會大幅下降，其中一根帶有部分鏽蝕的試件，僅僅在110萬次就發生了破壞。
轉變觀念 提升舉措
在探索大交通量條件下，妥善處理運營與養護的關係中，管理單位進行了封閉集中養護、構建區域數據中心、BIM技術在橋樑養護管理中的應用等幾個方面的嘗試。
①為解決超大流量情況下，養護和保暢的矛盾問題，江陰大橋及兩岸接線開展了國內首次集中封閉養護。通過遠、中、近3個層面在相應區域範圍的交通組織調度，實施了半幅封閉，集中開展多項目、多內容、多工點的養護作業，用16個工作日完成了常規養護131天的工作任務，社會經濟效益十分顯著。
②江蘇省境內江蘇交通控股管理的橋樑中,目前已有江陰大橋等7座大跨徑橋樑建成了橋樑結構健康監測系統。為有效發揮這些系統的作用,及時把握結構狀態、探索結構長期性能、合理規劃養護作業、驗證指導科學設計,2010年著手搭建了國內首個區域性健康監測數據中心,對數據進行集中管理,對橋樑結構狀態進行分析評估,對系統運行狀況進行集中考評,並試圖進行數據的深度挖掘應用。
③以江陰大橋為試點，結合橋樑的自身養護需求，充分利用BIM技術數據互通互聯的特點，將橋樑的靜態信息、檢測數據、維修數據等，養護運營管理信息存儲在BIM模型中，通過不同層次、不同角度的數據分析，探索為橋樑的管養決策提供強有力的數據支撐，為進一步建設“數字化大橋”和“智慧大橋”打下基礎。
20年來，在全面執行國家、行業各類養護規範基礎上，江蘇交通控股有限公司結合大橋的運營管理情況、環境特點及結構特性，編制並及時修訂適用於大橋養護實際的《維護手冊》；及時處理由於早期設計施工考慮不全面導致的遺留問題；以“規範養護、適度超前”為原則，制定中長期養護規劃，針對重點、難點開展預防性養護。針對不斷出現的新問題，多方案、多試驗、多嘗試，尋求最適合的維護方案；超前謀劃，開展前瞻性研究，提前確定維修方案，儲備養護力量，應對可能出現的應急維修。在勇於實踐、大膽創新的同時，積極總結凝練養護技術，編制管養標準，制定養護規範，撰寫學術專著，努力使養護工作有標準、有制度、有傳承。
大橋養護是一項任重而道遠的工作,為了更好地做好橋樑養護,需要我們轉變思想觀念，提升技術和措施，運用“互聯網+”的思維,更好地利用大數據、BIM、人工智能、5G等現代信息技術,以滿足長大橋樑在新時代的養護管理需要。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜誌 2020年 第1期 總第9期
作者 / 吉林 汪鋒 孫洪濱
作者單位 / 江蘇揚子江高速通道管理有限公司
