浅谈桥梁结构安全性与耐久性

2012-08-15王荣华

浙江交通职业技术学院学报 2012年1期

王荣华

(江苏省交通规划设计院股份有限公司,南京 210005)

桥梁结构安全与耐久,关系到人民生命财产安全和社会和谐稳定。近年来,随着我国经济建设的高速发展,桥梁工程建设规模也不断发展壮大,担当交通运输功能的桥梁在现代化建设中发挥了重要作用。随着桥梁建设的增多,桥梁垮塌事故时有发生,且越来越频繁,危害越来越大,伤亡越来越多,造成了巨大的人民生命财产损失和恶劣的社会影响,已引起社会各界的关注。分析和研究桥梁结构安全与耐久性问题,避免或减少桥梁垮塌事故再次发生,切实保障人民生命财产安全,使桥梁结构更好的适应我国改革开放现代化建设事业的需求,已十分迫切。根据多年工作实践和研读相关文献[1-4]的体会,阐述了现阶段我国桥梁结构安全性与耐久性概况,结合一些桥梁垮塌事故,总结分析了其主要原因及经验教训,提出了提高桥梁结构安全性与耐久性的对策和建议。

1 现阶段我国桥梁结构安全性与耐久性概况

1.1 桥梁安全事故概览

2011年7月11日至7月19日,我国9天之内5座桥梁垮塌或损伤,本该百年寿命的大桥频现“短命”,令人触目惊心。7月11日,建于1997年的江苏盐城境内 328省道通榆河桥倒塌;12日,武汉黄陂一高架桥被发现引桥严重开裂,裂缝可以放进一只脚,桥体开裂发生时,此桥还没正式通车;14日,建成不到12年、造价逾千万的当地标志性工程武夷山公馆大桥倒塌;15日,通车仅14年的杭州钱江三桥引桥桥面塌落;19日,重达160吨的严重超载货车,通过北京市宝山寺白河桥时,造成桥梁坍塌。

1998年宁波招宝山混凝土斜拉桥在悬拼到23段时突然被压溃;1999年1月4日,重庆綦江彩虹大桥突然整体垮塌,造成40人死亡,14人受伤,直接经济损失600万余元;1999年7月24日,甘肃岷县北郊憩乐岛公园的铁索桥突然坍塌,至18人死亡;2001年11月7日,四川宜宾小南门大桥吊杆断裂,桥面坍塌;2006年5月16日,始建于1974年的甘肃岷县省道306线北门洮河大桥突然全部垮塌;2006年11月25日,安康市冷水大桥垮塌;2006年12月9日,北京顺义一悬索桥静载试验时垮塌;2007年6月15日,一艘佛山籍运沙船偏离主航道航行,撞击九江大桥,导致桥面坍塌200米,导致9人死亡;2007年8月13日,湖南凤凰县在建的堤溪沱江大桥突然垮塌,造成64人死亡,4人受伤,18人轻伤,直接经济损失3975万余元;2009年5月17日,株洲红旗路高架桥拆除时发生坍塌事故,造成至少9人死亡,16人受伤,大量汽车损毁;2009年12月4日,南京耗资5000万的新建汉中门大桥,被市民发现30多根栏杆开裂;2009年12月26日,运载20多吨建筑垃圾的工程车辆行驶至无锡北塘区丽新路复新桥时,导致拱形桥梁发生垮塌;2010年1月3日,昆明在建新机场立交桥垮塌7死34伤。2010年7月24日,河南栾川伊河汤营大桥因特大暴雨袭击整体垮塌,事故造成50人遇难;2010年11月26日,南京快速内环西线南延钢箱梁侧翻,导致7人死亡,3人受伤;2011年4月12日,新疆库尔勒孔雀河大桥垮塌等。

在役的、在建的桥梁因各方面的原因导致桥梁垮塌事故屡屡发生,实际发生的远远不止上述事故。我国桥梁安全与耐久性状况不容乐观,令人堪忧,迫切需要深入研究探讨。

1.2 桥梁安全与耐久性问题研究现状

近几十年来,由于桥梁倒塌所带来巨大的损失和灾难,桥梁安全与耐久性得到政府和民众的高度重视,主要体现在如下一些方面:高性能材料、荷载标准、设计方法、施工工艺、养护检测等。

1.2.1 高性能材料方面

混凝土材料主要集中在大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀问题,主要归纳为对建筑材料的耐久性退化机理研究和对混凝土结构性能蜕化后的耐久抗力研究,这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的,对如何从结构应用角度改善桥梁耐久性却缺乏研究;钢结构方面主要为防腐、耐热、耐火、高强等综合性能的研究。

1.2.2 荷载标准方面

桥梁载重设计标准经历了从汽-10到汽-超20发展过程,目前规范采用公路-I级、特殊车列等,虽然荷载标准提高了不少,但相对国外车辆荷载还很低。

1.2.3 设计方法方面

当前桥梁规范[5-7]要求按承载能力和正常使用极限状态来进行桥梁结构设计,从定性和定量的形式上保证了桥梁安全性和适用性要求。利用作用、材料分项系数及作用组合系数等来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备。是一个半概率的极限状态设计法。规范还根据桥梁所处环境对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定,并提出了混凝土保护层的厚度要求。桥梁设计倾向考虑强度更多而考虑耐久性少,耐久性更多的只是作为概念上受到关注,未进行全寿命设计。

1.2.4 施工工艺方面

在钢束张拉、管道压浆、钢筋、钢绞线保护、焊接工艺等方面取得丰硕的成果。

1.2.5 养护检测方面

已逐步撰写、修订和完善相应的养护、检测规程,制定了定期养护、检测的时间和方法;加大了养护管理、加固维修的费用;成立了桥梁检测、评估机构。

我国桥梁结构安全与耐久性研究虽然取得上述成果,但从事故调查分析结果证明,桥梁结构安全与耐久性是一个系统工程,涉及的方面和因素还很多,如责任心不强、不按图施工、偷工减料、政府过多干预、设计中态度不严谨、计算错误、环境因素、养护不及时、自然灾害等。

我国目前存在大量承载力低、施工质量差、病害严重、抗御灾害能力弱的在役桥梁,随着交通量增加、车速增加、载重增加和更加恶劣的环境作用,这些桥梁安全与耐久性岌岌可危。由于其建设规模之大、涉及地域之广、对交通运输安全畅通影响之严重、维修费用之高,已为世界工程界所关注,拯救之路任重道远。

2 桥梁结构安全性与耐久性差的主要原因分析

上述桥梁垮塌事故的原因大致代表了当前我国部分桥梁安全与耐久性差的主要因素,造成桥梁结构安全性不够、耐久性不足的主要原因是多方面的,大致为管理、设计、施工、运营维护、自然灾害等方面。

2.1 法制观念淡薄,缺乏科学管理

法制观念淡薄,安全意识薄弱,管理不科学涉及政府主管部门、建设各方。主要问题有:

政府行业主管部门,没有制定相应法律法规去约束、监督建设各方面的人与单位;随着现在车重的增加与日益恶化的环境,对规范安全设置水准要求没有及时相应的提高,如我国荷载分项系数相对外国规范偏小,材料分项系数偏低,导致我国桥梁设计承载力仅为美国的68%和英国的60%;开展结构耐久性研究滞后,材料特性方面等相关研究进展缓慢,没有充分利用学会、协会及科研单位资源;过于干预工程建设。

建设单位,为了政绩,前期调研不充分,匆匆立项,必然不合理;立项、招标、审查机制不健全,使的有些工程未立项、未审查或由无资质单位施工;片面加快施工进度,使得结构养护时间不够,违背科学规律,牺牲结构质量与耐久性;个别官员腐败,收受他人贿赂,不按正常程序办事,行贿的工程款项进入私人腰包,损害国家利益和人民生命安全。

设计、施工、监理各单位,设计人员水平良莠不齐,无证上岗,随意分包、转包,设计成果把关不严。施工人员素质低,随意,没有安全意识。监理人员没有行使自己的职责,做好好人,更有甚者与施工人员合伙,篡改数据,掩盖事实,给工程安全留下隐患。

2.2 设计理论缺陷和考虑不全面

桥梁科学发展至今,仍然有很多理论知识认识不够,研究不清楚,如振动和疲劳等,许多桥梁因为振动和疲劳问题导致开裂或断裂,如东平桥裂纹和小尖山大桥垮塌;设计人员知识不够丰富、专业,结构特性认识不深入,方案先天缺陷,如箱肋拱桥,悬吊体系,无背索斜拉桥,连续多个独柱墩等方案,均为在使用中容易造成局部损坏、整体垮塌的隐患,如四川宜宾南门桥和新疆库尔勒孔雀河大桥垮塌等;过分依赖规范、计算不够精细、分析不透彻、细节处理不当,结构设计常常仅关注强度,对耐久性和稳定问题考虑较少,结构整体性和延性不足,重总体计算轻局部计算,计算图式和传力不明确,应进行空间计算分析的为省事只进行简化分析,结构受力不清晰,结构尺寸和配筋要么保守要么不够,导致结构不安全,对重要的桥梁或构件没有采用更高的安全系数和提高设计荷载,未能根据结构所处环境和使用条件对结构体系提出不同的布局和构造细节等方面的要求,采用的混凝土强度等级低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄,对滨海或涂盐环境没有钢筋防腐措施,裂缝控制不严,受拉性能差的材料使用在结构的受拉区等,这些都将削弱结构的耐久性;创新精神不够,新技术、新材料的使用不当,方案缺乏科学论证,技术和材料没经过实践的检验贸然使用,也会导致桥梁安全和耐久性不足;另外,由于设计周期紧张,设计常常分包转包甚至再分包转包的现象,这样就容易使质量难以保证、设计中各道工序脱节,有些图纸未审核、甚至未复核,与设计质量要求相差甚远;以上这些设计方面存在的问题都或多或少的影响桥梁结构安全与耐久性。

2.3 施工不规范和质量缺陷

施工水平低、人员素质低,安全意识不够,没有全员就安全质量进行动员和教育,没有制定详细的施工组织和计划,管理混乱,权责不清。不按图和规范施工,如南京纬八路桥垮塌,偷工减料,以次充好,如采用不合格材料,钢材强度不够,钢管壁厚不够;混凝土配合比设计不佳、塌落度控制不好,级配、胶凝材料选择,添加剂控制不当,养护时间不够、方法不当,均会影响混凝土强度、匀质性和耐久性;标高、尺寸达不到设计要求,如桩底标高不准,沉渣层过厚,严重影响桩基的承载力,尤其对嵌岩桩,问题更严重;运送材料马虎,破损材料没有进行及时修复,涂装防护不及时;混凝土压浆不密实或没及时压浆,没有排除波纹管中水气,久而久之,容易引起钢绞线锈蚀;张拉时混凝土龄期早,锚头局部压碎,并出现收缩裂缝和斜向裂缝,预应力张拉不到位,结构承载力低,刚度不够;钢筋布置间距过密,混凝土振捣不密实,间距过疏,局部配筋不够,该焊接的不焊接,影响结构承载力和耐久性;对预制拼装结构湿节段处处理不好,将完全改变结构受力性能,纵向使连续梁变简支梁,横向使整体受力变单梁受力,如钱江三桥引起垮塌;保护层厚度不够,尤其是滨海环境更需要加大保护层厚度,导致处于曲线段的混凝土崩裂或混凝土碳化严重,钢筋锈蚀;防渗、防漏处理不到位或控制不严,尤其是负弯矩区、伸缩缝处和锚头处;钢结构焊接技术水平差,烧伤原钢材,毛刺严重,结构提前损伤,连接不可靠,漏焊、漏连接,结构不牢靠,整体稳定性差,如重庆綦江彩虹桥垮塌;拆除临时措施时机和方式不当,违反正确的施工工序,如株洲红旗路高架桥坍塌、凤凰堤溪沱江大桥整体倒塌,高空作业时,对施工设备不做安全检查和测试。

2.4 运营维护管理不到位

我国早期修建了大量标准低的桥梁,经历了自然的侵袭,大多承载力低,病害严重,因没有进行及时的健康检测、评估和修缮,导致出现大量桥毁人亡事故;拱桥吊杆,拉索没有得到及时检修或更换,导致人间悲剧发生,如四川宜宾小南门桥垮塌;道路运营车辆超载比较普遍,超载超出结构承载能力,引起结构疲劳,使桥梁疲劳应力幅加大、损伤加剧,并造成桥梁内部损伤不能恢复,使得桥梁正常荷载下的工作状态发生变化,从而危害桥梁结构的安全性与耐久性,甚至造成桥梁突然垮塌,如辽宁盘锦田庄台大桥垮塌;在道路运营中还经常发生车船撞击桥梁结构,导致桥梁垮塌,如广东九江大桥,盐城商侍大桥,常州运河大桥的倒塌。

2.5 不可抗力的自然灾害

随着环境日益恶化,近年来极端的自然灾害如特大洪水、台风、飓风、地震等时有发生,它们都是人类不可抗拒的,桥梁结构若能逃过这些灾害的摧毁,实属万幸。如冷水大桥因受洪水浸泡,加之建设标准低、横向联系薄弱、交通量剧增导致倒塌;西安灞河铁路桥因挖沙至桥梁基础被淘空,山洪爆发冲到桥墩;深汕高速16米空心板桥因扩大基础受洪水侵蚀冲刷成软基,桥梁坍塌;河南伊河汤营大桥被特大暴雨袭击而垮塌。泉州顺济桥因台风刮起江水冲击浅基的桥墩而倒塌,中国台湾的高屏大桥因台风导致河水暴涨,基础冲垮,大桥拦腰断裂。地震横波产生巨大的水平力,桥梁桥墩剪断、倾覆、基础下沉,导致大量桥梁倒塌,交通生命线中断,人民生命财产受到严重损失,如1976年唐山大地震和2008年的汶川特大地震。

3 提高桥梁结构安全性与耐久性的对策建议

为了顺应当前我国现代化建步伐,使国民经济少受损失,面对当前我国桥梁安全与耐久性差的现实,研究提高桥梁结构安全与耐久性的具体措施显得尤为迫切和重要。

俗话说 “解铃还需系铃人”,结合以上各方面桥梁垮塌事故原因分析,现提出如下一些对策建议,以期抛砖引玉。

3.1 健全法律法规,牢固树立质量安全意识

从现在一些桥梁事故看,部分工程未严格按建设程序和法规办事,安全意识不强,招投标制度不完善,层层受贿,勘测设计、施工不规范,权责不明,缺乏应有的质量监督和控制等等。因而,通过立法、监察、监督、检查等法规制度,健全桥梁事故防范保障体系,对桥梁建设参与各方进行政策范围内的行为约束,使建设各方严格按法律法规办事,落实相关单位和个人的安全责任,加大处罚力度,使其牢记质量终身制。严惩腐败,杜绝金钱交易、黑箱操作,增加透明度,接受公众监督。要以各种方式进行安全生产教育的培训,所有建设参与人员牢固树立质量第一、安全第一的意识。

3.2 加强科研,修订规范,合理设置安全水准

我国桥梁结构耐久性研究起步较晚,与欧美发达国家还有差距,需要加强研究的方面主要有材料的耐久性研究、风致振动、钢结构焊接工艺、疲劳寿命、钢管混凝土受力性能、连续梁、连续钢构扰度与裂纹的病害,施工工艺、旧桥评价和加固技术,构造措施、地震等方面的研究。

我国规范修订周期较长,随着环境、车载的变化,因为规范标准偏低导致桥梁垮塌的事故越来越多,因此,有必要在调查研究的基础上进行适宜的提高调整,在现行规范标准的基础上完善耐久性方面的内容,建议桥梁结构按全寿命设计,不仅考虑结构建成时的安全,还需考虑在其寿命使用期内的安全与耐久性。建议适当提高荷载标准和材料安全系数,提高结构安全水准。

3.3 全面科学合理计算分析确定桥梁方案

不可否认,有些桥梁方案是先天缺陷和计算不足、分析不全面导致事故的,如倒塌的小南门桥和孔雀河桥方案不合理。因此,建议选择桥梁结构方案时考虑成熟的方案,不要为创新而冒险,应科学认证;方案比选时,除了考虑结构的美观、经济外,安全还是第一位的,而且考虑经济的时候需要考虑后期维护的费用,应将其纳入概算中,作为维修基金,这样对比选结果可能有影响;另外确定方案时还需考虑施工的费用和风险。设计的时候严格按规范设计并应重视耐久性设计,在材料选用、构造处理、保护层厚度、钢筋布置、预应力张拉、防腐设计等方面精心设计。计算力求全面,不仅要重视整体强度的计算,还应仔细研究稳定问题、局部问题、疲劳问题、冲刷问题、结构延性问题等,对重要结构提高荷载标准和安全系数,鉴于理论和软件的缺陷,建议用多种方法和软件验算。另外注意和相似工程对比,以求万无一失。

3.4 提高施工技术和管理水平,文明施工

施工质量的好坏对结构安全和耐久有直接的影响,施工单位对施工质量负有最主要的责任。当前,施工队伍中水平参差不齐,这些企业把施工当成是力气活,为了节省开支,招聘了大量没有工作经验的新手,现场一线人员懂技术的很少,对他们不培训不教育,由包工头指导干活,根本不按图和规范施工,心存侥幸心理,违反操作规程,盲目蛮干,他们技术水平低,不懂科学规律。因此,施工单位应高度重视施工质量,全员进行安全教育,坚决按施工规范和图纸施工,编好施工组织计划,找出工程特点,难点和容易出安全事故的环节,充分做好防范,不滞后也不超前施工;同时,绝不允许偷工减料,野蛮施工,以高度的责任心对人民负责。除此之外,还应加强施工阶段的试验、监测,加强管理,多总结积累经验,进行安全可靠的施工工艺研究,提高技术水平,打造企业品牌,建设精品工程,获得百姓的口碑,对人民和企业是一个双赢的。

3.5 加强运营和养护管理,定期检测和维修

加强桥梁养护管理,增加维修基金的投入,完善桥梁养护维护技术规范;强制进行定期检测、评估和维修工作。对在役、在建桥梁全面检查其安全状况,根据评估结论,按轻重缓急、逐步实施的原则及时进行加固改造。对桥梁病害应当科学分析病因、对症下药,提出合理可行科学的改造方案。此外,在实际运营中,加强严禁超载和不正常行驶的力度,杜绝此类的事情发生;研究方便可靠的方法检验运载车辆是否超载,研究保护桥梁不受外物撞击的措施。