摘要：本文介绍了现有桥梁养护管理系统的发展情况和研究现状，剖析了大跨度桥梁养护管理系统在管理模式、数据来源、桥梁评估、病害分析和维修决策等方面存在的问题，并针对这些问题给出了部分对策。以数字化斜拉桥养护管理系统DBMS为例，讨论了该系统在以下几个方面的研究进展，包括大跨度桥梁的数据采集、综合评估方法研究、病害维修知识库的建立、桥梁主动养护维修理念以及预测分析等。通过DBMS的实时运行，可以全面把握桥梁结构的运营状态，并提前了解桥梁在未来时期的危险或较危险的工作状态，为进一步的养护维修提供科学的依据，从而推动桥梁的养护管理水平。
1 引言
随着（此词被过滤）经济的发展，特别是桥梁结构分析理论、计算机技术、土木建筑材料、结构检测技术和桥梁施工技术的巨大进步，一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、现代化品位和科技含量比较高的大跨径桥梁被建造出来。然而，随着大型桥梁设计的轻柔化、结构设计的日趋复杂化以及桥梁安全事故的频频发生，大跨度桥梁的安全维护问题也越来越受到各国政府的重视。在桥梁结构的运营阶段，如何对其进行科学的管理、合理的制订养护维修计划、实时的了解桥梁的运营状态，以提高桥梁的服务水平，保障人民的生命财产安全已成为目前大型桥梁的管理者们面临的最为紧迫的问题。因而有必要建立一个系统化、智能化、数字化的桥梁养护管理系统，辅助管理部门对现有桥梁进行有效的管理。
桥梁管理系统最早于 1968 年出现在美国，主要用于存储国家桥梁的档案数据；随后在美国被广泛使用的桥梁管理系统为PONTIS和BRIDGIT，这两个系统具有桥梁数据存储、状态评估、退化预测、费用效益分析以及优化决策等功能；在欧洲，典型的桥梁管理系统是丹麦目前使用的DANBRO、法国的Edouard、英国的NATS等[1]；亚洲有日本的道路公用桥梁管理系统，韩国的SHBMS等。
我国桥梁管理系统的开发始于上个世纪 80 年代初期，其中较为典型的是交通部的CBMS2000[2]，该系统主要针对中小桥梁进行管理，它包括数据管理、统计查询、评价决策、费用模型、维修计划和GIS应用六个子系统，具有较综合的信息采集、评估、费用计算及决策功能；1995 年-1998 年，同济大学开发了基于GIS平台的上海市桥梁管理系统[3]，该系统是我国第一个城市桥梁管理系统，其部分功能涉及到桥梁养护管理问题，如可依据桥梁的技术状况预估模型，做出养护需求分析并制定出桥梁维修计划。针对大跨度桥梁我国也自主开发了一些相应的养护管理系统：2000 年，海沧大桥养护管理系统(BMMS)问世并投入使用， BMMS将特大型桥梁的管养任务划分为桥梁结构、附属设施、交通操作三大部分，建立了一整套完备的桥梁养护管理制度[4]；交通部公路科学研究所开发了“南京二桥综合管理系统”，对南汊斜拉桥、北汊特大桥、全线桥梁、公路、沿线设施以及竣工等文档进行有效地管理，其中南汊斜拉桥管理系统主要完成南汊斜拉桥的日常养护、维修计划以及结构实时监测等管理[5]；除此之外，还有大佛寺长江大桥健康监测系统、东海大桥健康监测系统、南京三桥养护管理系统、文晖大桥健康监测与评估管理系统等，都是针对大跨度桥梁开发的管理系统。
总的来说，桥梁管理系统的发展经历了三个阶段：最初的桥梁管理系统只是用简单的电子数据库来代替繁杂的桥梁管理资料；其后管理系统中除桥梁数据库外，还包括桥梁检测、养护及维修信息，涵盖各桥梁构件的检测细节和详细的等级划分以及维修历史等；近年来较先进的管理系统增添了维护决策功能，即制订维护策略、进行维护优化等。到目前为止，大跨度桥梁养护管理系统的研究取得了一定的成绩，但是由于它是一个复杂的系统工程，无论国内或国外，该领域的研究仍处于基础性探索阶段，诸多关键技术问题仍没有得到解决。
2 现有大跨度桥梁养护管理系统存在的问题
2.1 管理模式方面
大型桥梁的生命过程一般包括总体规划、设计施工和运营管理这三个阶段。受经济和技术条件的限制，人们往往把主要精力放在设计施工阶段，而对运营管理阶段的桥梁维护重视不足，我国“重建轻养”的现象仍较严重。桥梁管理部门停留在落后的管理模式和管理手段上，缺少科学的指导思想、系统的检测评价方法。现行的桥梁养护规范，如《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)，《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99-2003)等都是针对中小桥梁制定的，这种仅对桥梁的外观状态和正常使用性能进行的定性、粗框的安全评价方法，对大跨度桥梁是不适用的。
一些现有的大跨度桥梁管理系统的基本模式沿袭中小桥梁，其主要功能是存储桥梁有关的数据，养护管理的核心是修补危害桥梁结构运营的部分，包括重新涂刷、修补铺装的凹陷以及因交通事故而损坏的一些设施等，其实质是消极的防御型。这对于大跨度桥梁，仅仅通过已往简单的养护措施和技术手段显然是不恰当和不够的。由于缺少对桥梁长期性能变化的科学预测，因此桥梁的养护、维修和管理并未达到理想的效果。
2.2 数据来源方面
一些桥梁管理系统的数据大多来源于常规的人工目测检查或便携式仪器测量得到的信息，但人工检查方法在实际应用中具有一定的局限性。而另一方面很多大跨度桥梁养护管理系统却又过分依赖桥梁健康监测的数据。经过近二十年的积极探索，人们在桥梁健康监测领域取得了一些成果，但应该清醒的认识到，由于桥梁结构本身的复杂性和不确定性，以及受到很多客观条件的限制，目前桥梁健康监测系统的研究仅仅处于起步阶段，其在核心技术方面和理论方面均存在许多问题尚未彻底解决，例如：大量原始数据的实时处理、有限传感器的优化布置、桥梁结构性能的变化对结构指纹的改变的不敏感、监测系统本身的稳定性、抗干扰性和耐久性不足、损伤识别中的损伤指标对结构损伤不敏感、桥梁的健康监测尚无统一的标准和规范等问题，致使桥梁结构健康监测系统的使用效果受到影响。
2.3 桥梁评估方面
现有养护管理系统对大跨度桥梁进行评估，主要根据对桥梁状况的定性了解和工程师的经验来进行，即常提到的“传统经验法”[6]。但具有丰富专业知识和评估经验的工程技术人员十分有限，且这种方法所采用的调查手段及判断准则与专家个人的知识水平和经验直接相关，在不同的背景下，不同的专家对同一问题的评估结果也会出现一些偏差。最近美国联邦公路局的调查表明，由人工目测检查做出的评估结果有 56%是不恰当的。故这种方法已不能适应大型桥梁养护管理的需要。为了改变这些不足，减少人们评估决策时的主观随意性，国内外许多研究机构已对桥梁评估问题展开研究并取得不同程度的进展，但这些方法始终没有很好的应用到大跨度桥梁养护管理系统中，并对其进行实际工程的验证。
2.4 病害分析和维修决策方面
大跨度桥梁在长期的使用过程中难免会发生各种各样的病害，病害的原因可能是使用、维护不当、车祸、船舶撞击事故等人为因素，也可能是环境腐蚀、地震、台风等自然灾害所致。然而，大跨度桥梁的病害分析理论与实际的研究还很缺乏，桥梁的病害分析也只限于表面病害状况，并没有在理论上通过桥梁的结构特性对其产生病害的原因进行分析。
另外，养护管理系统中对于大跨度桥梁的维修策略仅仅局限于中小桥梁的维修手段，维修决策过程中由于受经验的限制，缺乏对桥梁病害类型及其程度的定量化，经常导致桥梁养护及维修方案的不合理，最终使桥梁总体状况进一步恶化；另一方面桥梁的养护资金往往不能满足完成桥梁所有的维修处治的需求，资源分配方面缺乏客观的评判标准和科学的决策手段，仅仅凭主观判断来分配，桥梁维修经济分析与优化的理论研究方面尚处于基础性探索阶段。
3 大跨度桥梁养护管理系统的理论研究
近年来结合教育部高校博士点基金和黑龙江省交通厅科技项目，我们以哈尔滨松花江斜拉桥为背景桥开展了大跨度钢-混凝土斜拉桥的养护、维修、评价和管理方面的研究工作，开发了数字化斜拉桥养护管理系统DBMS(Digital Cable-stayed Bridge Management System)[7]。该系统针对大跨度桥梁养护管理系统的几个关键技术问题进行了一些探讨与改进，可供有关部门参考。
3.1 大跨度桥梁养护管理系统的数据采集
大跨度桥梁养护管理系统的数据采集旨在收集整理能全面描述桥梁基本特征和当前技术状况的信息。在建立桥梁基本信息档案库的同时，提供对桥梁进行评价决策的数据支持，从而对桥梁进行有效的管理和状况监控。数据采集分两部分内容：桥梁基本数据信息和桥梁检查、检测数据信息。其中桥梁基本数据信息提供该桥所需的基本数据资料，包括设计资料、施工资料、竣工资料、重车过桥记录以及维修历史等基本内容。桥梁检查检测数据信息是桥梁运营状态评估和决策的主要数据来源，它包括人工检查数据、仪器检测数据和健康监测数据。
通过桥梁检测可以随时清楚地了解桥梁的运营状态。桥梁检测内容包含经常检查、定期检查、特殊检查和桥梁综合技术状况检查四部分。桥梁经常检查、定期检查与特殊检查旨在发现问题；桥梁综合技术状况检查则是在已经部分了解问题的情况下[8]，进行全桥全面、综合性的检查以确定问题的严重性。为了尽量避免人工检查的局限性，系统在检查检测信息录入时为检查人员提供了桥梁各个部位可能出现的病害类型、病害描述、病害原因分析、病害发展趋势以及病害对比图片等大量信息，使检查人员通过这些信息做出正确的判断；系统中尽量减少检查人员的定性判断，增加他们对定量数据的输入，例如：
钢筋锈蚀电位、主梁线形、伸缩缝接缝处高差、支座相对位置偏离等定量信息；系统尽量做到凡检查人员的判断都有据可依，有标准可查。除此之外，系统中还包含检查计划和检查统计模块，并随着桥梁的状态不断更新，这样使检查人员能够按部就班地对桥梁进行系统的检查，并随时了解桥梁建成以来的检查检测情况。近年来桥梁的健康监测已有了一定的发展，系统中将健康监测的数据作为养护管理系统数据来源的辅助手段，主要包括荷载监测和响应监测两部分内容。
将大跨度桥梁的基本数据信息、人工检查检测信息、健康监测信息一体化，有利于分析结构产生病害的原因，及时发现构件缺损和相关环境的变化，系统的掌握桥梁的技术状况。
3.2 大跨度桥梁的评估理论
大跨度桥梁的评估理论是近年来的研究热点，由于大跨度桥梁的复杂性和不确定性，使得人们在这方面的研究始终没有较大的突破。针对原始的“传统经验法”，DBMS中的评估方法不再依赖工程技术人员的评估经验和个人主观判断，它采用系统工程的有关理念以及多指标综合评估、不确定型层次分析法、模糊综合评估等方法建立起大跨度桥梁的评估指标体系，能够相对客观的对桥梁的技术状态给出更科学的评价。
系统中包含对大跨度桥梁在整体上和承载能力两个方面的评估。由于大跨度桥梁的复杂性，桥梁的综合评估采用不确定型层次分析和模糊综合评估两种评估方法。承载能力评估也采用两种方法：基于规范的方法和基于有限元模型修正的方法。两种方法相互校核，互相验证，有助于桥梁评估结论的正确性。在进行大跨度桥梁综合评估时，首先将影响桥梁的诸多因素层次化，建立大跨度桥梁综合评估的多层次关系模型，然后用不确定层次分析理论对层次中各个评估指标的权重区间进行计算。由于计算权重的数据来源于很多专家给定的判断矩阵，因而在处理这些判断矩阵时使用了群判断和集值统计原理的方法综合所有专家的意见，这样得到的评估权重结果更加客观。通过大跨度桥梁养护管理系统中的所有数据信息，得到每个评估指标的评估值，由于评估指标的量纲不尽相同，因而需对其进行无量纲处理。最后，应用变权理论层层递推，逐层综合，得到桥梁各个指标以及整体的综合评估结果[9]。模糊综合评估的方法见文献[7]，在此不再赘述。
在承载能力评估中，系统自动根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（征求意见稿），全面考虑结构构件的表观质量、结构动力特性、强度等指标对结构的影响，通过检测和监测的数据计算得到结构（或构件）的恶化系数、截面折减系数和活载影响修正系数等，并以桥梁成桥状态的有限元模型为基准，对其进行计算和分析，从而对桥梁实际的承载能力进行合理的、实时的评定。另一方面，系统通过结构分析模块得到桥梁的有限元模型，以当前状态下（即对初始成桥模型修正后的）相对真实、准确的有限元模型为基础，采用数值加载的方法，进行“设计荷载”下桥梁的承载力计算和分析，从而评估当前状态下桥梁结构是否依然具备设计的通行能力，使承载能力鉴定结果更加真实、准确。
3.3 大跨度桥梁的病害分析
由于设计理论不完善、施工质量问题、环境材料问题以及运营交通量剧增等多方面的原因，使已建成的大跨度桥梁出现种种病害，导致结构构件老化、承载能力降低，影响了结构的正常运营。未来的几十年，将会是我国桥梁维修加固改造的高峰期。透彻研究桥梁病害的根源，进行桥梁病害诊断分析是桥梁维修加固的重要环节，也是桥梁维修加固设计的前提。
大跨度桥梁的复杂性，使得研究者难以对其病害原因给出合理的解释。同一桥型中，构件不同；同一构件中，材料、所处环境、管理养护等方面不同，都会使桥梁产生完全不一样的病害。这就必须通过调研、收集国内外发生各种病害及事故的多座桥梁的实例，对所需要研究的桥型病害进行归类和原因分析，并将它们放到病害数据库中供桥梁养护管理部门参考。此外，利用建立桥梁病害分析的精细化模型的方法，模拟病害过程，分析其易损部位和关键部位，并进行桥梁的特性分析，包括各种工况下桥梁的静力特性、动力特性分析（例如，在进行斜拉桥病害分析时，可假设多种不同斜拉索的损伤程度、分布情况，进行有关静、动力分析，研究拉索损伤对桥梁结构受力性能的影响）。静力分析主要是获得在各主要工况下桥梁线形、内力等结构整体性能；动力分析主要是获得结构自振频率、振型、阻尼比等动力特性，从而为桥梁病害知识库的建立打下基础，为养护维修决策提供依据。
3.4 大跨度桥梁的主动养护理念
大跨度桥梁的养护管理理念应该由传统养护工作的防御性转向技术预测，变以往的消极防御为主动养护，即将现场调查、现场检测与监测、计算识别与判别、维修与预测的整个过程系统化。桥梁结构的长期性能预测关系到结构将来维修计划的制订以及维护工作的优先级排序[10]，通过对结构各构件的合理预测、掌握桥梁工作状态的变化趋势，管理者可以选择养护维修工作的最佳时机，并及时制订养护维修计划，从而降低维修成本和桥梁出现重大事故的概率，维修工作不及时将会严重影响大跨度桥梁结构的使用寿命。系统中以哈尔滨松花江斜拉桥为研究对象，综合考虑了混凝土的收缩、徐变及预应力钢束松弛等时效因素对斜拉桥结构的影响，运用综合计算时效影响的时效分析数值算法，完成对该桥整个运营使用期内，任意时刻结构应力、挠度、索力等长期性能预测，并随着运营期内实测结果的改变动态更改结构预测模型。另外，根据国内近十几年大型斜拉桥的建设、使用经验，从结构的耐久性理论入手，对哈尔滨松花江斜拉桥各主要构件和附属构件的耐久性进行了预测分析，包括混凝土构件的碳化深度、混凝土锈胀开裂、混凝土表面涂装、钢主梁的防腐蚀涂装、斜拉索及其防护系统以及橡
胶支座耐老化性等内容的预测。
通过对大量已建斜拉桥的调研，系统中为不同的桥梁病害形式提供相对实用的维修策略，并针对桥梁的长期性能预测给出了维修预案，其中包括斜拉桥的换索预案。考虑斜拉索可能出现病害的工况组合，利用大型有限元程序 ANSYS 进行分析，建立由空间杆、梁、板壳单元组成的空间有限元模型，以斜拉索索力优化理论为基础，利用最小余能原理，建立通过换索、调索改善结构线形与内力的理论和方法，进行换索过程的计算分析。
4 哈尔滨松花江斜拉桥养护管理系统简介
哈尔滨松花江斜拉桥是黑龙江省第一座大跨度斜拉桥[11]，针对该桥开发的DBMS系统集数据采集、检查检测、评估、预测、维修对策等于一体。该系统包含八个模块：数据管理模块、检查与检测模块、评估模块、有限元分析模块、病害诊断与预测模块、养护与维修模块、查询统计模块和帮助模块。此外，该系统还建立了较为全面的斜拉桥病害维修知识库，提供了较为完整的斜拉桥养护管理指南和实验方法手册。该系统根据人工检查数据库、桥梁基本资料库和健康监测子系统的数据信息，通过对平面和空间有限元模型的修正、计算，采用两种综合评估方法和承载力评估方法对桥梁的状态进行科学的评价，能够完成桥梁的病害诊断、构件预警、寿命预测、维修管理等功能。图 1 为DBMS的界面示意图。
5 结语
大跨度桥梁养护管理系统是近年来国际上的研究热点，国内的一些特大型桥梁都已经或将要使用相应的桥梁养护管理系统。本文基于大量调查研究、实际桥梁考查的基础上，就大跨度桥梁养护管理系统存在的问题及发展趋势进行了分析。并以数字化斜拉桥养护管理系统 DBMS 为例介绍该系统针对大跨度桥梁养护管理中的几个关键技术问题所做的研究与改进。通过 DBMS 系统的运行，可以实时了解桥梁的工作状况，给出相应的维护方案，并预测桥梁在未来状态下的运营状况，使桥梁的养护和管理更加科学化。
大跨度桥梁养护管理系统的研究涉及运筹学、系统分析、工程技术、经济学以及计算机技术等众多领域的知识，目前它的研究仍处于比较初级的发展阶段，且缺乏有关桥梁管理维修方面的实际数据积累。随着一批科技含量高、技术复杂、施工难度大的特大跨径桥梁在我国的建成，随之而来对桥梁养护也提出了更高的要求，要把更多的精力投入到大跨度桥梁养护管理系统的研究中，切实采取有效措施，保证大跨度桥梁的安全畅通，确保或延长大型桥梁的设计使用寿命。
参考文献
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