4.3.3 养护管理
桥梁养护管理是指为保证桥梁设施供应驾乘行时具有快速、畅通、安全、经济的使用功能，对已建成桥梁的有关设施、环境保护诸方面提供技术、物资、人力保障，在决策、计划组织、控制与激励等方面所进行的全部活动。
随着发达国家桥梁建设高峰的过去，桥梁结构的养护管理已逐渐成为各国桥梁工作的重心。一方面，为了及时发现桥梁早期的健康问题，降低管养成本，消灭安全隐患，各国都陆续推进桥梁长期性能研究，积极发展预防性养护技术，如美国桥梁长期性能研究计划；另一方面，随着计算机技术的不断进步与BIM技术的发展，桥梁的养护管理正朝信息化与智能化大步迈进。而我国由于在相关领域起步较晚，目前在役桥梁管养主要采用的仍是传统的纠正式养护方式，桥梁信息化技术水平也较低。因此，加大对桥梁预防性养护、管养智能化研究势在必行。
4.3.3.1 预防性养护
发达国家由于桥梁建设期早，已有绝大部分桥梁进入性能衰退阶段，桥梁管养工作的比重已经逐渐取代建设工作，并上升到工作重心的位置。桥梁早期的健康问题如不能得到很好的发现和处置，必然逐步恶化，不仅大幅增加了桥梁管养经费，增大了处治技术风险，而且可能危及桥梁安全。因此，发达国家对桥梁预防性养护的关注和对长期性能的研究较早且较为深入。时至今日，世界各国都意识到桥梁预防性养护管理的重要性，是全世界桥梁技术的研究热点和今后的发展方向。各国都陆续建立了各自的桥梁管理系统，推进桥梁长期性能研究，积极发展预防性养护技术，如欧盟主线（MainLine）计划、日本桥梁预防性养护管理发展计划、美国桥梁长期性能研究（LTBP）计划（见图4-62）等。
图4-62 美国LTBP计划路线
在我国，在役桥梁管养主要采用的仍是传统的纠正式养护方式，即“治桥之大病，治桥之急病”，而难以做到“治桥之初病”，更勿论“养桥之未病”。近年来，预防性养护已日益受到重视，交通运输部于2013年启动了“混凝土梁桥长期性能研究（LBBP）”和“在役钢筋混凝土箱型拱桥可靠性评估技术及检测关键设备研发”等课题，表明桥梁长期性能与预防性养护研究受到了日益广泛的关注。但是，目前成果中对耐久性维护及耐久性病害处治对策等的研究都还处于初期阶段，往往是借鉴耐久性设计中的一些方法，缺少针对性，也忽视了环境的复杂性。因此，开展面向长大桥梁性能变化规律的深入研究，针对我国桥梁病害和环境特点，选取代表性桥梁及构件，开展长期的性能检测和跟踪监测，通过修正和优化耐久性能经时变化规律模型、承载能力退化预测模型和使用性能衰退模型，深入掌握桥梁性能衰退机制，提升长期性能状态的评估能力，已成为桥梁结构全寿命服役安全的重要保障手段，也应是今后长大桥梁养护领域的研究突破重点。本节着重介绍目前的主缆除湿和锚碇防腐预防性养护手段。
（1）传统的主缆防护密封手段正在被除湿防护体系所替代。
悬索桥主缆是悬索桥结构最主要的承重构件，且不可更换，被称为悬索桥的生命线。桥梁处在跨越江河湖海和承力的环境下，主缆钢丝在自然环境和应力下的腐蚀是难以避免的，必须进行主缆防护，以延长悬索桥的安全使用寿命。主缆防护主要有密封和除湿两个方向。传统的主缆防护体系实际上是通过对主缆外层进行密封包裹来防止水分侵入其内部以达到防腐蚀目的。该防护体系可以减缓防腐速度，但防护效果并不理想，不能彻底阻止腐蚀。图4-63为典型的主缆防护密闭构造方式。
图4-63 典型的悬索桥主缆密闭构造
而除湿防护体系由“干空气+缠丝+密封层”组成，对主缆内部填充干空气，外部密封，使钢丝处于不腐蚀环境，以达到长期防腐的目的。通过除湿对主缆进行防护已被证明在各方面都优于早期传统的密封防护体系，可以连续地对主缆内部湿气进行处理，基本代表了今后主缆防护的发展方向。
主缆除湿体系在提高干燥空气利用率及降低损耗方面，发展出了两种不同的防护技术，主要有以日本为代表的S形缠丝系统和以欧美为代表的Cableguard系统。两种系统的目的相同，即加强主缆防护层的密封、减少干空气的泄漏，但其各自的研究重点不同。日本S形缠丝技术从缠丝层的材料形状入手，将圆形缠丝的贴合构造改为异型缠丝的扣合构造，形成了类似螺纹的结构，在主缆表面形成了金属套筒，增大了空气逸出的阻力，减少了内部空气的泄漏。欧美的Cableguard系统也是从缠丝外层防护层入手，采用具有更高韧性及强度的高分子保护层在主缆表面形成高分子套筒，同样增加了空气逸出的阻力，减少了内部空气的泄漏。
主缆除湿系统当前的研究热点主要集中在：通风除湿设计方法的研究、对干燥空气除湿法流动阻力的实验研究，以及基于余热回收的主缆除湿防腐系统研究。
除湿设计方法包括传统的电阻加热和新兴的电磁加热。近年来有学者提出应用电磁感应加热进行除湿，具有如下优点：①加热效率可高达90%以上，是电阻加热的2～3倍；②加热的工件一般为铁磁性材料，电阻率低，感应电动势的作用下能产生很强的涡流，瞬间产生大量的焦耳热，温升速率可达电阻加热的几十倍。电磁感应加热除湿，感应电流频率与交变磁场频率有关，其频率越大，感应电流的频率也越大。感应电流形成的涡流主要集中在导体表面，产生的热量主要在导体表面，符合重点对主缆外围除湿的目标。高频交变的磁场使各钢丝索股的表面产生涡流，进而在表面直接与各钢丝索股之间气隙的湿气接触，能够更加有效地除去这些湿气。
流动阻力的研究可以得到不同直径下的通风阻力，推导主缆阻力的半经验公式，目的是使主缆内的空气压力略高于外界大气压而形成一种气封作用，外界潮湿的空气就不能进入主缆内部，从而满足了主缆内部干燥的要求。这样在漫长的维护阶段，高压送气装置和除湿装置只要低速运行，就可满足要求，节能效果明显，同时也大大延长了高压送气装置和除湿装置的运行寿命。余热回收可以大大减少能耗，提高系统的能量利用效率，从而最终降低除湿系统的成本。主缆除湿系统送气处理过程（见图4-64）。
图4-64 主缆除湿系统送气处理过程
综上所述，主缆防护问题紧迫，但我国目前在这一领域的研究还处于起步阶段，缺乏必要的试验数据、计算理论基础、设备材料性能指标的研究及工程经验。近几年来也进行了一些卓有成效的主缆除湿系统关键技术研究，包括干空气除湿系统的设计参数、主缆超压排气系统、除湿机节能、S形钢丝国产化等科学研究。今后的研究方向仍主要集中在开发更高效节能的除湿方法与送气系统以及余热回收等方面。
（2）锚碇防腐除湿技术亟待更新，利用智能算法进行前期可靠性评估成为一大研究方向。
锚碇是悬索桥体系的构件，用于固定主缆的端头，防止其走动。锚碇多处于潮湿地下或者岩体环境，难以避免渗水。在腐蚀环境下，腐蚀介质不仅会对普通钢筋和预应力筋造成腐蚀破坏，同时也会对缆索及索鞍锚固装置造成腐蚀。预应力钢筋和缆索发生腐蚀时，容易在毫无防备的情况下突然断裂造成结构破坏。因此，锚碇系统的防腐极其重要。
锚碇系统的防腐首先需要对锚碇系统的腐蚀状况进行评估，针对锚碇的腐蚀状况评估结果采取相对应的处理对策。目前锚碇防腐的难点在于研究新的高效可靠的防腐方法，针对锚碇结构特点制定合理的防腐策略。锚碇防腐的主要研究热点集中在锚碇腐蚀机理研究、腐蚀程度评估、防腐方法及对策研究。
分析腐蚀因素对锚碇系统整体或各构件造成的腐蚀破坏，需要恰当的腐蚀评估方法对锚碇系统的腐蚀情况进行评估。对于腐蚀评估研究的方法很多，但由于影响锚碇系统的腐蚀因素太过复杂，而可以测量到的腐蚀元素数据又较少，造成了腐蚀评估非常困难。国内有学者应用灰关联分析和可拓学理论相结合的方式对锚碇系统进行腐蚀等级评估。灰关联分析方法根据较少的数据得出较准确的结果，对锚碇系统中单个构件进行环境腐蚀因素排序，得出影响单个构件的最主要的腐蚀因素等级顺序。可拓学理论主要是对锚碇系统进行整体腐蚀等级评估，得出锚碇系统所属的腐蚀等级类别，进而针对不同的腐蚀类别采取不同的防腐蚀处理对策。
在地下工程中，应用最多的防腐除湿方法有通风、采暖除湿法、压缩除湿、冷却除湿法和吸湿剂除湿等。早期的除湿方法虽然得到了广泛的应用，但是仍然存在很多不足。例如，冷冻除湿法不仅能耗大，也很难得到预期效果；液体吸附剂会产生新的腐蚀问题。传统的除湿技术已经不能跟上时代发展的步伐。人们开始广泛关注热泵除湿、膜法除湿、热电冷凝除湿、H VAC除湿和电化学除湿等新型除湿技术。
综上所述，除湿是从根本上阻断腐蚀介质侵入，防止锚碇及其附属腐蚀退化的根本方法。因此，今后锚碇系统防腐的关键仍是研究适用于锚碇装置的新型除湿技术。同时，应用智能高效的算法对锚碇系统进行可靠评估，是锚碇系统养护的前提，也是今后研究需要重点突破的方向。
4.3.3.2 基于BIM的建管养一体化信息平台
随着我国公路桥梁建设的快速发展，目前桥梁已进入建养并重的时期。在桥梁建成后的运营期，应摒弃传统的碎片化、人工化、笼统化和低信息化的管养模式，充分利用建设期形成的BIM应用成果和相关数据成果，采用大数据分析和智能监测技术手段实现桥梁建养一体化和全寿命周期数字化、智慧化管养，建立综合的桥梁智慧管养一体化平台，打通建设期与运营期数据共享和有效传递，形成全寿命的管理数据和决策支持数据载体，实现桥梁养护和运营的一体化、标准化、可视化和可溯源化。
近三十多年来，国内外桥梁管理信息系统的相继建立，大大促进了桥梁管理信息系统的研究和开发。传统的桥梁管理信息系统总体可分为两个阶段：第一阶段是桥梁数据库管理系统，该系统用于存储桥梁各种检测或监测的数据，提供查询、检索等基本服务；第二阶段是在第一阶段的基础上增加了桥梁技术状况评价、中长期养护计划需求预测、养护加固维修计划决策等功能。传统的桥梁养护信息系统主要由桥梁结构各传感单元构成的健康监测系统，以及养护巡查日常管理、评估决策等子系统构成。各子系统相对独立，建设期的数据与运营期的数据不能有效关联，评价决策系统往往针对性不强，已不适应桥梁建设和养护高质量发展的需要。
目前，桥梁管理信息系统已进入第三阶段，即建管养一体化阶段，主要是综合运用管理学理论及信息化技术，具备静动态数据管理、三维数字平台管理、病害处治对策、维修方案、数据分析等综合管理功能。配合用于现场采集结构检查数据的巡检系统，探索计算机桥梁仿真虚拟可视化技术，实现基于三维桥梁模型的病害及维修档案的记录及管理，强调运营期桥梁各类事件的“可追溯性”和“定位性”，建立桥梁病害信息库，提高桥梁养护技术和相应的诊断水平、适宜的维修、加固设计和施工决策，从而提前做好科学预防性养护，降低全寿命周期成本，保障桥梁长期安全运行，延长桥梁使用寿命。
BIM一体化平台的基本功能架构（见图4-65）。在许多工程领域，将基于传统设计的已有工程结构“BIM化”也逐渐成为一种趋势。
图4-65 一体化平台信息基础架构
但当前的基于BIM的建管养一体化平台的研究也存在一些不足：①既有老旧桥梁难以实现融合现代信息化技术的智能管养。对于老旧桥梁，应在人工检测基础上，尽可能多地结合现代管养技术，使桥梁得到最科学的管养维护。②桥梁信息化养护管理系统主要集中应用于特大型复杂桥梁，覆盖范围有限。针对中小型桥梁，在今后的建造过程中也应该建立相应的管养维护系统，以便更好地监管、检测桥梁的健康状况。
综上所述，基于建设阶段的纵向信息和基于运营期数据的横向信息将成为基于BIM的桥梁建管养一体化平台的数据基础。可以预见，基于BIM的桥梁工程建管养一体化技术将逐渐改造我国已有的设计、施工、管养模式，使桥梁工程真正进入信息化时代。