在役橋梁人為偶然因素安全風險快速綜合評估

朱森林 章世祥 曹廷

（1、華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210096 2、江蘇省交通運輸廳公路事業發展中心，江蘇 南京 210096）

近年來，隨著中國交通事業的發展，大跨度、超大跨度以及超大規模跨海、跨江大橋相繼建成，截止2018 年底，中國公路橋梁已達85.15 萬座。頻繁的交通運輸活動和復雜的橋域環境使得部分橋梁安全隱患逐漸顯露出來。2019 年1 月10 日廣深高速東洲河大橋船舶撞擊、2019 年5 月18 日杭州人行橋倒塌、2019 年10 月1 日的臺灣宜蘭大橋垮塌、2019 年10 月10 日無錫312 國道高架橋側翻等大量事故引起社會對橋梁安全的極大關注。

橋梁在運營過程中始終是一個大型復雜的系統工程，影響橋梁運營安全的因素包括結構本身缺陷和外部作用。外部作用包括碰撞、超載、洪災、沖刷、火災、風災、地震、施工不當、管養不到位等。相對而言，結構本身的退化可認為是緩慢的、長期的，而外部作用則種類多、突發性強。而在所有事故中人為偶然因素（碰撞、超載、火災、施工不當等）發生的可能性更大，約占橋梁總事故的52%以上[1]。相比地震、洪災、風災等天然災害而言，預防人為偶然因素導致災害的可控性更強。因此很有必要開展在役橋梁人為偶然因素安全風險的評估。

當前，不少學者針對橋梁偶然因素開展了橋梁安全分析。如Fu CC[2]、施有志[3]、王娟[4]等開展車輛撞擊的受力分析；林鐵良[5]、鄧江濤[6]等開展船舶與橋墩撞擊的分析；王祥[7]等開展橋梁火災風險評價分析；Zhang Xiangqun[8]等開展深厚覆蓋層橋梁基礎風險評估研究。這些研究主要采用理論計算、有限元模擬等方法，不適宜大量橋梁在實際中的快速評估，且實際橋梁常為多個偶然因素共同作用，無法用單一指標評價。因此，本文開展在役橋梁人為偶然因素安全風險快速綜合評估。

1 指標確定

為了對影響在役橋梁安全的人為偶然因素進行深入分析，首先開展橋梁事故安全調查。根據文獻[9-12]收集了國內外304起橋梁運營期間的人為安全事故，每類事故發生次數如圖1 所示。

圖1 橋梁人為偶然因素事故原因調查統計

由圖可見，車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災這些事故發生次數較大，分別約占34%、22%、25%、8%。從受力來看，橋梁結構自身的承載能力及技術狀況均能滿足設計時的正常使用要求，但是在這些偶然荷載下，其荷載作用常超出了設計規定荷載，導致橋梁毀壞。因此，考慮事故發生的頻率和發生后的后果，確定影響在役橋梁安全風險的人為偶然因素指標為：車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災。

2 指標評估

通過分析公路橋梁技術特點、事故致因理論以及大量工程實際調研，系統梳理可能影響橋梁安全的風險因素，綜合考慮評估指標的全面性、關鍵性、一致性和易檢性，提出了從“事故發生的可能性”和“結構抵抗災害的能力”兩個方面進行在役橋梁人為偶然因素安全風險指標的評估。評估時，各指標采用“1～5 級”標度，其中標度“1”表示安全風險最低，標度“5”表示安全風險最高。

2.1 車輛撞擊

2.1.1 評估指標

車輛撞擊的評估分為車撞主梁評估與車撞橋墩評估，具體如圖2 所示。

圖2 車輛撞擊評估指標

2.1.2 評估內容和方法

2.1.2.1 車撞主梁評估

（1）交通事故嚴重性評估

交通事故嚴重程度較高的評估方法采用“提升公路橋梁安全防護能力專項行動技術指南”[13]中的規定要求。即近三年內車輛碰撞交通事故數據統計資料，具有下列情形之一時，作為交通事故嚴重程度較高的判別條件：近三年內發生3 起及以上，或1 起死亡3 人及以上的車輛墜橋事故；近三年內發生3 起及以上，或1 起死亡3 人及以上車輛穿越中央分隔帶護欄或隔離設施的事故。

（2）跨越道路等級評估

對于跨線橋，當跨越道路等級為高速公路、一級公路、鐵路時可判斷為跨越道路等級較高。

（3）橋下凈空評估

跨線橋的主梁易于被超高超限車輛撞擊，應該測量橋下通行道路最小凈高與凈寬，并與設計凈空比較判斷其是否滿足要求。橋下凈空的具體參數要求參考《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）中3.6.1 和9.2 條。

（4）大型車比例評估

大型車比例評估主要考慮大型車比例是否較高，其較高的判別條件參考文獻[13]確定。

（5）主梁防車撞設施評估

根據《公路橋梁抗撞防撞設計指南》（送審稿）規定，當橋梁主梁防撞的標志、標線、警示設施、強制減速設施和監控設施滿足指南中不同設防標準橋梁的規定時，可認為橋梁主梁防車撞設施滿足要求。

2.1.2.2 車撞橋墩評估

（1）交通事故嚴重性評估

交通事故嚴重程度較高的評估方法與“2.1.3.1”節相同。

（2）跨越道路等級評估

對于跨線橋，應實地調研并結合有關資料判斷跨越道路等級。

（3）大型車比例評估

大型車比例評估主要考慮大型車比例是否較高，其較高的判別條件與“2.1.3.1”相同。

（4）橋墩及防撞構造措施評估

跨線橋梁的橋墩類型、布置位置以及防撞構造措施對車撞橋墩損傷影響很大?？缇€橋梁的橋墩類型可分為重力式橋墩和輕型橋墩，橋墩布置位置可分為路中央和路兩側。橋墩防撞構造措施，包括不同防護等級橋梁的橋墩防撞護欄、標志及標線等，其具體要求參見《公路橋梁抗撞防撞設計指南》（送審稿）[14]。當橋墩為位于路中央的輕型橋墩，且沒有防撞構造措施時，認為橋墩抗撞性能較低，其余為橋墩抗撞性能較高。

2.1.3 評估等級劃分

對于跨線橋梁，車輛撞擊指標的評估綜合考慮了車撞主梁評估和車撞橋墩評估兩個方面，每個方面各分為五個標度，綜合評估標度取兩方面評估標度中的較大值。

2.1.3.1 車撞主梁評估的標度劃分如表1 所示。

表1 車撞主梁評估

2.1.3.2 車撞橋墩評估的標度劃分如表2 所示。

表2 車撞橋墩評估

2.2 船舶撞擊

2.2.1 評估指標

船舶撞擊評估指標有：船撞事故嚴重性、航道等級、橋梁凈高凈寬和橋梁抗撞性能，如圖3 所示。

圖3 船舶撞擊評估指標

2.2.2 評估內容和方法

2.2.2.1 船撞事故嚴重性評估

根據資料收集與現場調查階段獲取的近三年內與碰撞橋梁結構相關的交通事故數據統計資料，作為交通事故嚴重程度較高的判別條件：近三年內發生3 起及以上或1 起死亡3 人及以上受傷的船舶碰撞橋梁結構事故。

2.2.2.2 通航等級評估

將《內河通航標準》（GB50139-2014）中航道等級1-3 級設為本指南的通航等級較高；將航道等級4-7 級設為本指南的通航等級較低。

2.2.2.3 橋梁凈高凈寬評估

根據《內河通航標準》（GB50139-2014），橋梁凈高凈寬應滿足下列要求。

2.2.2.4 結構抗船撞性能

橋梁抗防撞性能評估時，首先，確定橋梁的重要性等級和設防船撞作用水準的等級，根據兩者確定橋梁抗撞防撞性能目標；其次，根據結構總體性能和部分構件性能確定橋梁的抗撞防撞性能等級；最后，比較橋梁的抗撞防撞性能等級是否達到橋梁抗撞防撞性能目標。當滿足《公路橋梁抗撞防撞設計指南》要求時，則橋梁結構抗撞性能滿足要求。

2.2.3 評估等級劃分

綜合考慮上述4 方面進行評估，得到船舶撞擊評估標度如表3 所示。

表3 船舶撞擊評估標度劃分

2.3 超載超限

2.3.1 評估指標

超載超限的評估指標有：超載超限事故嚴重程度、超載量、超載率、抗超載性能不利的結構形式，如圖4 所示。

圖4 超載超限評估指標

2.3.2 評估內容和方法

2.3.2.1 超載超限事故嚴重程度

根據橋梁歷史統計資料，若發生過因車輛超載或超限而導致橋梁發生損壞、倒塌的事故，則超載超限事故嚴重程度較高。

2.3.2.2 超載量

《中華人民共和國道路交通安全法》中將車輛超出所規定的核定標準30%定義為嚴重超載等。根據橋梁稱重系統記錄的車輛重量，計算超過橋梁設計車輛荷載的超載車輛重量的年平均值，將年平均超載量分為兩級：嚴重（≥30%），輕微（＜30%）。

2.3.2.3 超載率

根據國務院辦公廳印發的《推進運輸結構調整三年行動計劃（2018—2020 年）》（交運發〔2018〕142 號）中規定，綜合考慮現今橋梁運營狀況，根據所評估橋梁通行歷史年平均超載率是否大于0.5%將超載率分為兩級：高（≥0.5%）、低（＜0.5%）。

2.3.2.4 抗超載性能不利的結構形式

具有下列情形之一時，作為抗超載性能不利結構形式的判別條件：①采用單支座獨柱墩的彎橋；②單支座獨柱墩連續使用個數大于2；③空心板梁、T 梁的橫向連接采用鉸接、鋼板焊接等形式。

2.3.3 評估等級劃分

將超載超限按上述4 個因素劃分5 個標度，如表4 所示。

表4 超載超限評估

2.4 火災

2.4.1 評估指標

橋梁火災評估指標有：火災事故嚴重程度、火災隱患程度、結構抗火性能、交通服務重要程度、消防設施，如圖5 所示。

圖5 火災評估指標

2.4.2 評估內容和方法

2.4.2.1 火災事故嚴重程度

根據橋梁運營歷史資料，查找橋梁運營以來發生的火災次數。具有下列情形之一時，作為火災事故嚴重程度較高的判別條件：①運營以來發生3 起及以上或1 次死亡3 人及以上的火災事故；②結構發生因火災引起的大修加固；③結構火災后修復費用累計大于1000 萬元。

2.4.2.2 火災隱患程度

引起火災的因素有橋梁周圍存放易燃易爆物、車撞/車輛自燃、船撞、油輪撞、油罐車撞等。具有下列情形之一時，作為火災事故嚴重程度較高的判別條件：①橋梁周圍200 米范圍內存放易燃易爆物；②近3 年年均發生車撞燃燒、車輛自燃次數大于等于5 次；③近5 年內發生油輪撞火災事故，或年油輪通航次數大于500 輛；④近5 年內發生油罐車撞火災事故，或年油罐車通行次數大于100 萬輛。

2.4.2.3 結構抗火性能

影響結構抗火的因素包括結構材料、使用年限等。具有下列情形之一時，作為結構抗火性能不利的判別條件：①橋梁為鋼橋、木橋，或者鋼材使用量超過2000 噸的橋梁等；②橋梁使用年限超過50 年。

2.4.2.4 交通服務重要程度

交通服務重要程度根據橋梁所在公路等級、日平均交通量、橋梁地理位置等進行評估。具有下列情形之一時，作為交通服務重要程度較高的判別條件：①橋梁所在公路等級為高速公路、一級公路；②橋梁位于城市中心位置。

2.4.2.5 消防設施良好程度

具有下列情形之一時，作為消防設施良好的判別條件：①消防設施齊全，能夠滿足一般滅火需求；②自身消防設施一般，但消防急救中心到達時間在10min 內。

2.4.3 評估等級劃分

火災評估標度等級劃分如表5 所示。

表5 火災評估

3 綜合評估

鑒于層次分析法具有系統性、簡潔實用等優點，在役橋梁人為偶然因素安全風險綜合評估采用層次分析法[15]。通過邀請四十位專家對“車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災”四個因素打分評價，得到各因素權重為：0.122：0.300：0.349：0.228。將各因素所得標度值乘以相應權重得到在役橋梁人為偶然因素安全風險綜合評估值。

在役橋梁人為偶然因素安全風險評價等級如表6 所示。根據安全風險綜合評估值確定所分析橋梁的安全風險等級和相應的防患措施。

表6 在役橋梁人為偶然因素安全風險評價等級

4 實例研究

以江蘇省鹽城灌河大橋為案例進行分析。該橋建于1987年，主橋為預應力混凝土T 形剛構+掛梁（T 梁）的形式，引橋為4 孔30m 的預應力混凝土T 形簡支梁，全橋跨徑為：4×30m+（60+3×90+60）m+4×30m，橋梁全長為636m。根據該橋梁設計文件、相應運營資料進行分析，該橋曾發生過車撞、船撞等安全事故，評估結果如表7 所示。該橋人為偶然因素安全風險評價標度為3.024，評估等級為三級，需在防止船舶撞擊、超載超限等方面加強防患措施。

表7 評估結果

5 結論

5.1 通過橋梁事故成因調查，建立了以“車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災”四個因素為主的在役橋梁人為偶然因素安全風險快速綜合評估指標?；趯哟畏治龇ńo出了相應的綜合評估方法和評估等級。

5.2 各指標評估從“事故發生的可能性”和“結構抵抗災害的能力”兩個方面進行考慮，適合于橋梁的大量普查，實用性強。

5.3 實例驗證了該安全風險評估的全面性、準確性、可操作性，從而為在役橋梁基于人為偶然因素的安全風險評估提供有效快速方法。