运营期桥梁养护加固工程造价优化-论文.pdf

'第40卷第27期山西建筑Vo1．40No．27·166·2014年9月SHANXIARCHITECTURESep．2014文章编号：1009-6825(2014)27—0166-04运营期桥梁养护加固工程造价优化徐伟(中国海洋大学，山东青岛266100)摘要：引用了国外桥梁养护加固方法分类标准，总结了国内常用的养护加固决策方法，分析了桥梁养护加固投资决策优化算法的条件及一般的计算流程，介绍了与桥梁养护加固费用密切相关的性能评估与退化的研究概况，以供参考。关键词：养护加固，费用估算，方案决策，优化算法中图分类号：U449．7文献标识码：A0引言护”(preventative(reactive)maintenance)。表1养护工作的分类一般来说，桥梁是在其规划、设计、施工、使用及在多年后养预防性(前馈的)养护桥面清洗护期间决策和采取措施的产物。由于结构的自然老化、车辆荷载预防性养护清除冰雪的增加、不利环境的影响以及养护维修的欠缺，一部分桥梁不可预防性(反馈的)养护修补裂缝、修补脱落混凝土避免地产生各种结构损伤。这导致结构的承载能力和使用性能小修修补裂缝、修补脱落混凝土增加桥面厚度或铺装厚度降低，运营状况不能满足规定的要求。对现有桥梁的养护加固逐重大养护大修碳纤维加固渐成为了工作的重点。张拉体外预应力桥梁的养护加固对桥梁状态的退化速度具有重要的作用。重建更换桥面铺装、更换梁体国外关于桥梁退化规律的研究往往是基于一定的养护水平上的。重大的养护又可以分为小修、大修和重建。如图1所示是文献[1]中分析的桥梁养护对桥梁构件耐久性的作但无论是什么样的养护分类方法，养护都有一个共同的特用。其中，未经养护的构件使用寿命是实际的统计结果，而最佳点，那就是养护和加固可以产生一个、几个或所有的以下的效养护的使用寿命并非是实际统计结果，而是根据目前的研究结论应：得出的期望使用寿命。1)结构的状态在实施该维修后立即有所提高。2)在维修后的一段时间里状态退化速率为零。3)在维修后的一段时间里状态的退化速率减小。养护对性雾[墨：能退化的影响见图2。冀时I司时]图2养护对性能退化的影响基于养护的以上特点，就使得采用计算机进行辅助维修决策成为可能。2养护加固费用估算按照全寿命设计的理念，桥梁寿命周期成本包括从规划、设计、建造、使用、维护到最终拆除的寿命全过程期间可能发生的总成本。具体可包括以下方面：1)经常检查及小修保养。2)定期检查，含大桥技术状况评估、承载能力评估和耐久性评估。3)应急检查。4)专门检查。5)关键参数测量。6)维修加固。7)大桥养护系统建设、维护与升级。8)大桥运营期科研工作。9)大桥养护制度修编。收稿日期：2014．07．19作者简介：徐伟(1980．)，男，在读工程硕士 第4O卷第27期2014年9月徐伟：运营期桥梁养护加固工程造价优化·167·1O)其他养护工作，包括养护通道改造、养护设备购置等。4养护决策的优化算法根据养护加固工作的不同，费用的估算标准通过下述几种途4．1养护加固的功效及投资径进行调研，并结合工程的实际情况进行适当的调整。不同的养护方式显然有着不同的养护效果。在进行养护决1)参照现行定额和取费标准。如《广东省公路养护工程预算策之前，首先要能够定量的描述每种养护方法对桥梁性能恢复的定额》中对部分加固、维修工程造价计算方法做出了规定。贡献。显然，桥梁性能恢复的定量描述是建立在桥梁性能评估体2)参考项目本身已发生的管养投入。日常巡检、常规养护工系上的。例如文献[6]中采用了9级评价方法，养护对桥梁性能作费用相对固定，对于这部分费用可以参考已发生的管养投入。的恢复如表2所示。3)类比其他工程项目。对于没有取费标准的养护和维修工表2养护方法对桥梁性能的恢复效果作，可以参考类似工程项目实际发生的费用来估算，如斜拉索换养护方法性能恢复索工程、支座顶升更换工程等。裂缝维护0．484)市场调研。对于参考资料很少的管养项目，则可以通过向裂缝闭合0．41混凝土剥落处理O．81设备商、材料商、施工单位等询价的方式进行估算。修补坑槽0．793养护加固决策的分类及特点阴极保护0．58养护加固决策优化能够对规定时间内桥梁的养护和维修提加铺沥青层O．00加铺环氧树脂薄层1．19出最优的方案。掺橡胶改良混凝土3．17结合中国桥梁管理部门的实际情况，维修方案的决策类型可增加桥面板和铺装厚度1．86分为三种：设置附加梁O．92加铺混凝土或高密度材料2．171)即时决策。通过检查和检测获取辖区内桥梁的状态等级。实际上，养护方法对桥梁性能恢复的贡献与桥梁性能的退化按照桥梁的状态等级安排维修计划(通常为当年的维修计划)。曲线一样，并不是确定的，而应该是随机的。只是由于研究的深维修计划具有即时性，即不考虑桥梁退化的影响。这种决策方法度有限，现在采用的算法绝大多数采用了确定的性能恢复值和退是管理部门采用的最多的方法。这种决策方式对桥梁的退化没化函数。文献[7]所介绍的维修决策则是架构在随机的性能退化有要求，计算量也很小。及随机的性能恢复的基础上(见图4)。2)短期决策。维修计划制定在一定的时间段内。比如所辖区内桥梁维修的5年计划、10年计划等等。这种决策方法也是管理部门较多采用的方法。这种决策方式要建立在桥梁状态的退化函数上。由于是短期计划，对退化函数精度的要求不高，计算量不大。3)全寿命决策。全寿命决策方法在发达国家已经开始广泛应用。维修计划制定在桥梁的整个寿命周期内。这种决策方法时间在国内还很少采用，因为这种决策方法对退化函数的拟订、检测图4考虑随机性的桥梁性能退化与恢复检查的精度以及桥梁设计的合理性、施工质量等都有较高的要桥梁维护的费用可以分为直接费用和用户费用。其中直接求。同时，其计算量相当的大，要求使用较为复杂的数学算法。费用是指材料费用和维修费用，这类费用是比较容易预估的。除即时决策外，短期决策和全寿命决策都需要桥梁或构件的用户费用的预估则比较复杂。文献[8]中较为全面的给出了退化曲线。退化曲线是通过大量的实验及统计得到的(见图3)。用户费用的组成，并且给出了一种桥梁养护总体费用的计算方在桥梁退化规律的研究上，我国起步较晚，多是以桥梁各构件平法。文中指出用户费用主要由以下费用组成：桥梁加固施工导致均的使用寿命为基础，然后采取一定的退化函数来拟合的。由于旅客及货物运输成本提高的金额；桥梁加固施工使附近相关公路材料、施工及设计的理念都有所不同，桥梁的耐久性有着很大的增加拥挤的旅客及货物运输成本提高的损失；桥梁加固施工使车不同。已建桥梁的许多资料都是不完整的。比如混凝土的配比、辆绕行增长里程而相应增加的旅客及货物运输成本；旅客及货物养护的龄期等一般是无法考证的，而部分桥梁的图纸已经遗失延长在途时间的价值；增加交通事故而产生的费用；增加货损事了。在这种情况下，仅靠实验或统计而获得的理论公式来模拟桥故而产生的费用。梁的退化是非常不准确的。因此，对于已建桥梁，应当采用跟踪4．2养护加固决策的优化条件检测与理论公式相结合的方式来获取桥梁的退化曲线。养护加固决策优化的条件主要包括优化目标、计算假定和维修方法的适用性。这三者的制定是自由的，可以根据实际需要设定不同的目标、假定和适用性。以下，本文将举例来说明这三者的设定方法。养护加固决策具有一定目标。常用的决策目标有维修资金掣最少、维修效力最大、使用年限最长以及它们的各种组合形式。然而不同的决策态度则决定了不同的优化目标，以下举例来说明几种常见的优化目标：养护产生的恢复效果最大，总费用不能超时间过预算；桥梁性能的恢复与费用的比值最大；一段时间内，在保证图3桥梁性能退化曲线桥梁性能满足要求的基础上，总费用最省等。对于新建的桥梁，在各种资料比较充分的情况下则可以通过养护加固优化具有一定的假定条件。所有的决策优化都有理论公式来模拟桥梁的退化曲线。一个基本的假定，那就是假定构件的退化形式是已知的。此外， 168·第20401卷4第年297期月山西建筑·常用的假定有如下几种：假定维修后退化形式(函数)不变；构件思想给出了如图6所示的评估方法。经过维修后，其分数不能超过满分；在计算总费用时只考虑构件病害1单位费用等。同时维修方法有一定的适用条件。通常，当桥梁的病害2病害3状态不同时，要采用不同的维修方法。有的维修方法可能只适用病害4于状态较好的桥梁，而不适用于损坏严重的桥梁。所以，算法中病害5要采用合适的维修方法。病害64．3养护加固决策的优化算法病害7养护加固决策优化的计算量是非常大的。优化算法的选取病害8霄非常重要。优化算法主要包括解析法、枚举法以及随机法。尽管病害n解析法能得到精确解并且计算效率很高，但由于对函数的性质要求过高，故一般不用在养护决策优化的计算中。图6桥梁构件性能评估网络遗传算法(GeneticAlgorithm)是一类借鉴生物界的进化规律文献[11]同样采用了神经网络的评估方法。而与文献[12](适者生存，优胜劣汰遗传机制)演化而来的搜索方法，它属于随不同的是，文献[11]的神经网络设置了学习的功能。他通过调查机法中的一种。问卷的方式获得了4个桥梁建设部门的7位专家对同一座桥梁的评价。然后依照他们的评估结果来“训练”神经网络评估系统，其主要特点是直接对结构对象进行垛作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力；采使系统的参数自动调整，从而得出与专家的建议比较一致的评估用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适结果。应地调整搜索方向，不需要确定的规则。由于遗传法的搜索速度5．2桥梁性能的退化研究较快，且条件比较宽松，所以它被应用在了桥梁养护决策优化上。桥梁性能的退化研究是一个长期而复杂的工作。对于桥梁尤其是在全寿命决策时，遗传算法往往成为首选算法。文献[1O]构件退化规律的研究手段有试验分析、理论分析和统计分析三详细给出了遗传法在桥梁养护决策中的应用。种。而研究的思想则分为三个层次，分别是科学层次、工程层次按照国内桥梁管理工作的特点，养护加固决策优化主要针对和技术层次。即时决策和短期决策展开。即时决策和短期决策的计算量相对科学层次是最高的层次。这一层次的退化模型所采用的退较少，使枚举算法成为可能。化曲线具有非常可靠的科学依据。它往往是通过各种各样严格枚举的优点是方法简单，思路明确，可以寻找到全局的极值。的化学、物理或机械的实验来获得的。某一特定的钢筋混凝土结同时，枚举对目标函数的要求很低，不需要目标函数是连续光滑构本身的各种信息以及它所受的环境作用(碳化、氯离子侵入、碱的。它的最大缺点是计算效率低。对于一个实际问题，常常由于骨料反应、冻融作用)都被考虑进来。科学层次的模型特别适用太大的搜索空间而不可能将所有的情况都搜索到，即会出现“指于新建成的大型建筑物，比如大跨径桥梁。建立科学层次的模型数爆炸”的问题。往往代价昂贵。由于科学层次的模型是建立在大量随机变量的图5是遗传法及枚举法两种优化算法的基本流程图。基础上的，要想精确建模也非常的不容易。科学层次模型的一个重要应用是为工程层次的模型提供信息。选定初始方案群工程层次是一种采用混合思路的平均层次。工程层次的模为方案群评分型基于的是半科学的结论或平均的材料特性，例如扩散系数。它依据评分决定选择概率们是以像混凝土表面平均氯离子浓度之类的平均“作用参数”为否基础的。它们也常常以进行过工程简化的定理定律(如菲克第二定律)为基础。工程层次的模型经常会把结构的退化限制在某些简单的形式上，例如由氯离子的侵入导致钢筋的锈蚀。工程层次的模型可以被用在新结构物的耐久性设计或是已有结构物退化规律的建立上。工程层次的模型的一个重要应用是为技术层次的模型提供信息。b)枚举法技术层次的退化模型是最为简单的退化模型。它是基于对结构构件的直接观察而不是研究细节的退化规律。技术层次的图5遗传算法与枚举算法流程图模型往往是基于从工程层次的模型上获取的有限的几个参数上。5与养护加固决策相关的关键问题技术层次的模型可以用在对一定数量的桥梁的维修决策优化上。5．1桥梁性能的评价方法技术层次的模型经常用在已有混凝土结构退化的初步研究上。尽管桥梁养护决策已经有了一套成熟的思路，但仍然面临着6结论及展望许多困难。这些困难使得桥梁养护决策算法取得的效果与实际的工作需要还有很大的距离。其中最突出的两点就是桥梁性能随着旧桥养护加固工作的不断增加，相应的投资不断攀升。的评估方法和桥梁性能的退化。我国对于新桥建设造价的管理及优化有一定的经验，但在桥梁养如前所述，要想定量的描述桥梁性能的退化及恢复，就必须护加固造价决策优化方面，仍是一个急待研究的问题。遗传法和有一套桥梁性能评估方法。桥梁性能的评估很难形成一种统一枚举法是两种有效的计算方法，可以很好的应用在实际工作中。的标准。目前已经有大量的桥梁性能评估模型。其中最为常用桥梁性能评估方法的架构是桥梁养护加固费用优化的必要条件。的是引入神经网络的思想来评估桥梁的性能。如文献[11]首先神经网络在评估模型中的应用取得了较好的效果。桥梁性能的将桥梁的性能分为使用性能和承载力性能，然后按照神经网络的退化规律是维修养护决策的基础，因此对于(下转第265页) 第40卷22014年97背何杰等：3DMAx建筑建模课的教学流程控制改革·265·格，虽便于学习但也在一定程度削弱了学习的积极主动性，以后战，2014(15)：39．41．会改进加入更多的自主设计环节。[2]罗声．3DMax绘图课程教学探索——多管齐下打造高效4结语课堂[J]．广东教育(职教版)，2013(4)：67．68．此次3DMAX建模课程的教学改革重新分解和定义了教学[3]刘长飞，白朝勤．中文版AutoCAD2012室内装饰装潢精讲的各个环节和流程，学生反映良好，任课教师也因此规范和减轻教程(1DVD)[M]．北京：北京希望电子出版社，2011．了自己的备课和教学任务，具有一定的推广价值。但此次改革还[4]何杰，刘长飞．AutoCAD2009中文版城市规划与设计有一些问题需要改进，比如在控制的弹性方面和如何提高学生的[M]．北京：清华大学出版社，2009．积极主动性方面应该多做些设计，欢迎各位同仁指正口]。[5]叶萍，刘少红，何杰．AutoCAD2009中文版室内设计从参考文献：入门到精通(附光盘1DVD)[M]．北京：中国铁道出版社，[1]傅存诏．高校{3DMAX)课程教学改革经验谈[J]．教学实20】0．Theteachingprocesscontrolrearmof3DMAXarchitecturemodelingcourseHEJieSUNYue-jie(ArchitectureSchool，HenanScienceandTechnologyUniversity，Luoyang471023，China)Abstract：Accordingtothecharacteristicsof“repeatteaching‘challenge‘easycopy”andotherinconvenientcontrolofteaching．tutorshipandexaminationprocessofarchitecturalmodelingcourse，thispaperusedthescreenrecordingsoftwareanewtodesigntheteachingprocess，inordertoreducetherepeatednumbersofdecreasinglecturesandtutorials，improvinglearningeficiency，efectivelyreducedtheteacher’swork—load，andreducedthestudentslearningdificulty．Keywords：computer，architecturemodeling，3DMAX，teachingreform⋯】⋯】●一】⋯】⋯】●⋯(上接第168页)桥梁退化的研究必须同步进行。随着桥梁退[7]HitoshiFuruta，MichiyukiHirokane，MakikoSaito．Life—cycle化规律的研究和优化算法的完善，桥梁养护加固费用优化决策必costbasedmaintenanceofinfrastructuresystemsconsidering将大大提高桥梁养护工作的效率，并降低桥梁运营期的管养成本。predictionuncertainties，Life—CycleCostAnalysisandDesignof参考文献：CivilInfrastructureSystems，2005．[1]BojidarS．Yanev．Bridgemaintenancelifecyclecostassess-[8]魏洪昌，张劲泉．公路桥梁维修加固技术经济评价方法研究ment，Life-CycleCostAnalysisandDesignofCivilInfrastruc-[J]．公路交通科技，2005(15)：99．100．tureSystems，2005．[9]褚蕾蕾，陈绥阳，周梦．计算智能的数学基础[M]．北京：[2]AyaboMiyamoto．Developmentofabridgemanagementsystem科学出版社，2002．(J-BMS)injapan，Life-CycleCostAnalysisandDesignofCivil[10]Cheol-KyuLee．Sung—KeunKim．GA—basedalgorithmforse—InfrastructureSystems，2005．lectingoptimalrepairandrehabilitationmethodsforreinforced[3]ParagC．Das．Maintenanceplanningforroadpavementsandconcrete(RC)bridgedecks，AutomationinConstruction，structures-commonalityofprinciplesandprocedures，Life-Cycle20o6．CostAnalysisandDesignofCivilInfrastructureSystems，2005．[11]Shixuefei，Fengwenjun，Ruanxin，eta1．IntroductionofanIn·[4]DanM．Frangopol，LuisC．Neves．Probilisticperformancepre—tegratedBridgeInformationManagementSystem，TheInterna—dictionofdeterioratingstructuresunderdifferentmaintenancetionalSymposiumonIntegratedLife·cycleDesign&Manage-strategies：condition，safetyandcost，Life-CycleCostAnalysismentofInfrastructures，2007．andDesignofCivilInfrastructureSystems，2005．[12]KeiKawamura，HideakiNakamura，AyahoMiyamoto．Develop-[5]马军海，陈艾荣．基于全寿命的混凝土连续梁桥使用寿命研mentofconcretebridgeratingexpertsystem(BREX)inJa—究[J]．交通部科技项目，2008(11)：38-39．pan，Life—CycleCostAnalysisandDesignofCivilInfrastruc-[6]TaeHoonHong，MakarandHastak，EvaluationanddeterminationtureSystems，2005．ofoptimalMR&Rstrategiesinconcretebridgedecks，Automa一[13]PalleI1loft—Christensen．CorrosionandcrackingofreinforcedtioninConstruction．2006．concrete，Life·CyclePerformanceofDeterioratingStructures．ThecostoptimizationofbridgemaintenanceandreinforcementprojectinoperationperiodXUWei(ChinaOceanUniversity，Qingdao266100，China)Abstract：Thispaperreferencedthemaintenanceandreinforcementmethodsclassificationstandardsofforeignbridge，summarizedthedomesticcommonlyusedmaintenanceandreinforcementdecisionmethod，analyzedtheconditionofbridgemaintenanceandreinforcementinvestmentdeci—sionoptimizationalgorithmandgeneralcalculationprocess，introducedtheperformanceassessmentanddegradationresearchsituationcloselyre-latedtobridgemaintenanceandreinforcementcost，forreference．Keywords：maintenanceandreinforcement，costestimating，projectdecision，optimizationalgorithm'