城市橋梁安全風險識別與機理研究

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構體，自建成以后就一直處于老化的狀態。隨著自身和外在環境的影響，不斷發生變化，一方面，橋梁結構的工作性能和使用性能會隨著材料的老化、疲勞，自身缺陷發生退化；另一方面，自然環境、地質災害、人為事故等都可能造成橋梁結構不同程度的損傷，如果損傷發展的一定的階段，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。連續發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險：城市立交橋傾覆風險、不均勻沉降風險和超載風險，并對他們進行機理研究。

1 城市立交橋傾覆風險

城市立交橋主要的風險是橋梁整體的側傾、側滑、傾覆事故。由于受地形、地物、占地面積和城市景觀等的影響，在城市橋梁設計建設過程中，往往設計建設成特寬橋、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構。

這類橋梁結構在建設、施工階段就可能因為施工難度大發生橋梁事故，斜彎橋梁曲率過大，最大彎矩分布不同于普通連續梁橋，在彎曲位置容易發生主梁傾斜、墩柱開裂甚至斷裂的結構風險，在使用過程中，由于離心力大，導致部分支座脫空，而產生彎曲箱梁傾覆的風險，應重點值得關注。目前，由于嚴重超載和規范的空白以及前期設計認識上的可能不足等多方面的原因造成的橋梁側傾、側滑、傾覆事故。

北部某城市立交橋是一座預應力混凝土連續箱梁、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、單支點支撐的連續箱梁。橋梁的病害非常嚴重，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聯密切的支座、橋墩病害，最大位移發生在C1墩，徑向位移達到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；上部結構梁底空洞，露筋，混凝土脫落，有裂縫，梁底泛堿；下部結構橋臺開裂外鼓，橋墩環向裂縫，CC1匝道、DD1匝道、HH1主線橋伸縮縫處防撞墻錯位58-116cm，C1、H1、D1等墩徑偏移嚴重。根據規范，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，梁截面內產生彎矩的同時必然產生扭矩，產生“彎扭耦合作用”。預應力曲線梁近十多年來在我國的橋梁結構中被廣泛的研究和應用，直到現在，預應力曲線梁橋仍然是個設計難點。2000年深圳新建的濱海大道和深南大道上，先后發現六座預應力彎梁橋發生水平滑移，此后深圳市花費了大量的時間和費用對新橋進行頂升和糾偏。備受關注的深圳華強北立交橋運營數年后，突然產生70cm的水平滑移。這些事例僅表明曲線梁分析的復雜程度的一個層面。溫度效應、收縮徐變、預應力效應、活載的偏心效應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，使結構中的附加內力得到釋放，然后可以通過設置蓋梁，將部分單支座支撐改造成雙支座支撐結構，采用頂梁糾偏等措施，改善目前橋梁的工作狀況。

2 不均勻沉降風險

西部某城市依山而建，產業上以煤礦開采為其主導產業。煤礦長期開采導致城市大片區域變為采煤塌陷區。采煤塌陷區引起的地基不均勻沉降和地質的變化，導致橋梁的基礎發生不同程度的位移，改變了最初的平衡狀態。基礎位移需要橋梁上部結構來承擔，上部結構或者產生附加應力，或者就發生撕裂的現象，發生更大的位移。這種情況一旦發生，橋梁結構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生結構受拉而破壞，橋臺與中部橋墩高差發生豎向錯位或平面錯位。橋梁不均勻沉降造成的塑性破壞，一旦發展到結構無法承擔的地步時，就會誘發橋梁結構整體的破壞，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，形成極大的風險。

3 超載風險

近年來，安徽省車輛超限超載現象日趨嚴重，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生大量病害、使用壽命大大縮短，更為嚴重的是超載車輛往往成為導致橋梁垮塌的“最后一根稻草”。據不完全統計，從2004年到2014年間，我國因為車輛超載導致的橋梁垮塌事故多達29起。中國工程院院士鄭皆連公開表示：“橋梁垮塌，關鍵在于車輛嚴重超載”。

在20世紀的后四十年，在全國修建了很多橋梁。這些橋梁在設計之初，橋梁設計規范還很不完善，橋梁的設計標準還很低。但是這些橋梁處在重要的交通節點，因此大多數還在正常服役，但是隨著經濟的發展，貨物運輸越來越想向大型化、重型化發展，這些老舊橋梁實際上已經是超過設計標準超齡超載服役了；另外，運輸車輛不論是在數量上，還是重量上，都已經超過原先規定的設計容許的范圍。最突出的問題是有些車輛不按照現行的超載法規的規定，超載上路對橋梁影響更大。車輛嚴重超載不僅會使橋梁各構件應力不同程度的增加，使橋梁產生疲勞損傷，加劇了裂縫的擴展，加速橋梁的老化；嚴重的可能會持續累積橋梁內部的塑形損傷，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，橋梁結構抗力和安全儲備不斷下降，橋梁安全風險正在累積。城市橋梁以多箱多室的連續梁為例，其橫斷面是整體式箱梁橋面多為瀝青混凝土。檢測發現，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象。伸縮縫混凝土錨固區開裂，泄水孔堵塞等。橋梁縱向腹板有開裂現象、翼緣板混凝土破損，露筋。支座鋼構件銹蝕，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生破壞，具體是在跨中段梁底部位出現因彎矩過大，應力裂縫增多。裂縫的出現會降低梁的剛度，因此箱梁整體線形會發生向下凹的現象，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 結語

城市橋梁事故帶給我們教訓是沉重的，正確的解決辦法應該是認真研究橋梁事故的致病機理，探尋事故發生的真實原因，找到真正解決之道。對橋梁管理單位來說，應在橋梁運營期間加強養護，按“預防為主，防治結合”的原則，以橋面養護為中心，以承重部件為重點，加強全面養護，同時應建立健康監測系統，布置長期有效的觀測點，實時監測，保證橋梁的安全暢通。對交通行業主管部門來說，一方面應根據事故原因制定更加合理的設計規范，讓以后的工程設計更加科學。另一方面，對超載行為進行嚴厲打擊，維護城市生命線的安全。