城市橋梁安全風(fēng)險識別與機(jī)理研究

陳 涌 秦懷榮 金 勇 李祥東 薛海斌

1.合肥市公路管理局直屬分局，安徽合肥 230000；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，北京 100000；3.合肥澤眾城市智能科技有限公司，安徽合肥 230000

橋梁作為一種特殊的結(jié)構(gòu)體，自建成以后就一直處于老化的狀態(tài)。隨著自身和外在環(huán)境的影響，不斷發(fā)生變化，一方面，橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能和使用性能會隨著材料的老化、疲勞，自身缺陷發(fā)生退化；另一方面，自然環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、人為事故等都可能造成橋梁結(jié)構(gòu)不同程度的損傷，如果損傷發(fā)展的一定的階段，也有可能一點小的擾動就可能造成巨大的損失。例如，1999年1月4日，重慶綦江彩虹橋整體垮塌，40人死亡，14人受傷；2007年8月13日，湖南鳳凰縣境內(nèi)的堤溪沱江大橋突然垮塌，造成64人遇難；2009年5月17日，湖南株洲市紅旗路高架橋坍塌，造成9人遇難、16人受傷，24輛車被損毀；2010年7月24日，河南欒川縣一座大橋整體垮塌，造成52人死亡，14人失蹤；2015年6月19日，粵贛高速廣州往河源方向城南出口匝道橋突然斷裂坍塌，4輛貨車墜落，造成1人遇難、4人受傷。連續(xù)發(fā)生的多起橋梁倒塌事故敲響了我國橋梁安全使用的警鐘。

因此，城市橋梁的風(fēng)險識別就顯得格外重要，本文將從三個方面識別橋梁所面臨的風(fēng)險：城市立交橋傾覆風(fēng)險、不均勻沉降風(fēng)險和超載風(fēng)險，并對他們進(jìn)行機(jī)理研究。

1 城市立交橋傾覆風(fēng)險

城市立交橋主要的風(fēng)險是橋梁整體的側(cè)傾、側(cè)滑、傾覆事故。由于受地形、地物、占地面積和城市景觀等的影響，在城市橋梁設(shè)計建設(shè)過程中，往往設(shè)計建設(shè)成特寬橋、彎梁橋、斜梁橋、獨柱墩梁橋以及多格式箱梁橋等特殊受力結(jié)構(gòu)。

這類橋梁結(jié)構(gòu)在建設(shè)、施工階段就可能因為施工難度大發(fā)生橋梁事故，斜彎橋梁曲率過大，最大彎矩分布不同于普通連續(xù)梁橋，在彎曲位置容易發(fā)生主梁傾斜、墩柱開裂甚至斷裂的結(jié)構(gòu)風(fēng)險，在使用過程中，由于離心力大，導(dǎo)致部分支座脫空，而產(chǎn)生彎曲箱梁傾覆的風(fēng)險，應(yīng)重點值得關(guān)注。目前，由于嚴(yán)重超載和規(guī)范的空白以及前期設(shè)計認(rèn)識上的可能不足等多方面的原因造成的橋梁側(cè)傾、側(cè)滑、傾覆事故。

北部某城市立交橋是一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、曲線梁橋，三層苜蓿葉型立交，主線橋和匝道橋均以獨柱橋墩為主、單支點支撐的連續(xù)箱梁。橋梁的病害非常嚴(yán)重，主要分為兩類：體系病害和局部病害。體系病害主要是指橋梁變位及與其關(guān)聯(lián)密切的支座、橋墩病害，最大位移發(fā)生在C1墩，徑向位移達(dá)到75mm。局部病害包括橋面縱向、橫向裂縫，露筋，橋面邊緣開裂碎邊，伸縮縫缺失、脫空，鋼板變形，橡膠老化，防撞墻錯位；上部結(jié)構(gòu)梁底空洞，露筋，混凝土脫落，有裂縫，梁底泛堿；下部結(jié)構(gòu)橋臺開裂外鼓，橋墩環(huán)向裂縫，CC1匝道、DD1匝道、HH1主線橋伸縮縫處防撞墻錯位58-116cm，C1、H1、D1等墩徑偏移嚴(yán)重。根據(jù)規(guī)范，橋梁健康狀況等級被評定為D級。

究其原因是由于此類彎曲立交橋的彎-扭耦合作用引起的，即在車輛荷載作用下，梁截面內(nèi)產(chǎn)生彎矩的同時必然產(chǎn)生扭矩，產(chǎn)生“彎扭耦合作用”。預(yù)應(yīng)力曲線梁近十多年來在我國的橋梁結(jié)構(gòu)中被廣泛的研究和應(yīng)用，直到現(xiàn)在，預(yù)應(yīng)力曲線梁橋仍然是個設(shè)計難點。2000年深圳新建的濱海大道和深南大道上，先后發(fā)現(xiàn)六座預(yù)應(yīng)力彎梁橋發(fā)生水平滑移，此后深圳市花費了大量的時間和費用對新橋進(jìn)行頂升和糾偏。備受關(guān)注的深圳華強(qiáng)北立交橋運營數(shù)年后，突然產(chǎn)生70cm的水平滑移。這些事例僅表明曲線梁分析的復(fù)雜程度的一個層面。溫度效應(yīng)、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、活載的偏心效應(yīng)都可能引起其梁體變位。梁體變形的解決辦法包括：首先需要拆除支座多余臨時約束，使結(jié)構(gòu)中的附加內(nèi)力得到釋放，然后可以通過設(shè)置蓋梁，將部分單支座支撐改造成雙支座支撐結(jié)構(gòu)，采用頂梁糾偏等措施，改善目前橋梁的工作狀況。

2 不均勻沉降風(fēng)險

西部某城市依山而建，產(chǎn)業(yè)上以煤礦開采為其主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。煤礦長期開采導(dǎo)致城市大片區(qū)域變?yōu)椴擅核輩^(qū)。采煤塌陷區(qū)引起的地基不均勻沉降和地質(zhì)的變化，導(dǎo)致橋梁的基礎(chǔ)發(fā)生不同程度的位移，改變了最初的平衡狀態(tài)。基礎(chǔ)位移需要橋梁上部結(jié)構(gòu)來承擔(dān)，上部結(jié)構(gòu)或者產(chǎn)生附加應(yīng)力，或者就發(fā)生撕裂的現(xiàn)象，發(fā)生更大的位移。這種情況一旦發(fā)生，橋梁結(jié)構(gòu)將處于一種不安全的狀況，安全可靠性降低。橋梁的墩頂處主梁可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)受拉而破壞，橋臺與中部橋墩高差發(fā)生豎向錯位或平面錯位。橋梁不均勻沉降造成的塑性破壞，一旦發(fā)展到結(jié)構(gòu)無法承擔(dān)的地步時，就會誘發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)整體的破壞，從而使橋梁使用壽命縮短，更有甚者，使得某些橋梁過早的成為危橋，形成極大的風(fēng)險。

3 超載風(fēng)險

近年來，安徽省車輛超限超載現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，已成為公路、橋梁健康的主要“殺手”。長期的超載運輸使橋梁產(chǎn)生大量病害、使用壽命大大縮短，更為嚴(yán)重的是超載車輛往往成為導(dǎo)致橋梁垮塌的“最后一根稻草”。據(jù)不完全統(tǒng)計，從2004年到2014年間，我國因為車輛超載導(dǎo)致的橋梁垮塌事故多達(dá)29起。中國工程院院士鄭皆連公開表示：“橋梁垮塌，關(guān)鍵在于車輛嚴(yán)重超載”。

在20世紀(jì)的后四十年，在全國修建了很多橋梁。這些橋梁在設(shè)計之初，橋梁設(shè)計規(guī)范還很不完善，橋梁的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)還很低。但是這些橋梁處在重要的交通節(jié)點，因此大多數(shù)還在正常服役，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貨物運輸越來越想向大型化、重型化發(fā)展，這些老舊橋梁實際上已經(jīng)是超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)超齡超載服役了；另外，運輸車輛不論是在數(shù)量上，還是重量上，都已經(jīng)超過原先規(guī)定的設(shè)計容許的范圍。最突出的問題是有些車輛不按照現(xiàn)行的超載法規(guī)的規(guī)定，超載上路對橋梁影響更大。車輛嚴(yán)重超載不僅會使橋梁各構(gòu)件應(yīng)力不同程度的增加，使橋梁產(chǎn)生疲勞損傷，加劇了裂縫的擴(kuò)展，加速橋梁的老化；嚴(yán)重的可能會持續(xù)累積橋梁內(nèi)部的塑形損傷，在這種情況下，即使是不超過容許的荷載，橋梁健康狀況也會變差，橋梁結(jié)構(gòu)抗力和安全儲備不斷下降，橋梁安全風(fēng)險正在累積。城市橋梁以多箱多室的連續(xù)梁為例，其橫斷面是整體式箱梁橋面多為瀝青混凝土。檢測發(fā)現(xiàn)，橋梁病害主要集中在：箱梁底板橫向裂縫較為普遍，部分橫向裂縫延伸至腹板。底板同時也有縱向裂縫。全橋橋面鋪裝破損、局部橋面存在積水現(xiàn)象。伸縮縫混凝土錨固區(qū)開裂，泄水孔堵塞等。橋梁縱向腹板有開裂現(xiàn)象、翼緣板混凝土破損，露筋。支座鋼構(gòu)件銹蝕，甚至可聽見支座異響，支座位移變化，主梁撓度變大。行車道上的荷載會使脆弱的箱梁因為荷載過大而發(fā)生破壞，具體是在跨中段梁底部位出現(xiàn)因彎矩過大，應(yīng)力裂縫增多。裂縫的出現(xiàn)會降低梁的剛度，因此箱梁整體線形會發(fā)生向下凹的現(xiàn)象，撓度變大，橋梁整體性能下降，承載能力降低，壽命縮短，極大影響交通安全。

4 結(jié)語

城市橋梁事故帶給我們教訓(xùn)是沉重的，正確的解決辦法應(yīng)該是認(rèn)真研究橋梁事故的致病機(jī)理，探尋事故發(fā)生的真實原因，找到真正解決之道。對橋梁管理單位來說，應(yīng)在橋梁運營期間加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，按“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的原則，以橋面養(yǎng)護(hù)為中心，以承重部件為重點，加強(qiáng)全面養(yǎng)護(hù)，同時應(yīng)建立健康監(jiān)測系統(tǒng)，布置長期有效的觀測點，實時監(jiān)測，保證橋梁的安全暢通。對交通行業(yè)主管部門來說，一方面應(yīng)根據(jù)事故原因制定更加合理的設(shè)計規(guī)范，讓以后的工程設(shè)計更加科學(xué)。另一方面，對超載行為進(jìn)行嚴(yán)厲打擊，維護(hù)城市生命線的安全。