基于动态环境因素的运营期桥梁安全风险评估研究

罗小云

摘要：笔者通过总结历年渝黔高速公路桥梁养护实际情况，以近年来国内发生的运营阶段桥梁事故为调查和研究对象，通过大量的统计分析数据，得出了以下这些事故发生的原因、规律。在深入分析事故原因、桥梁运营环境因素的动态性以及桥梁安全评估方法研究现状的基础上，提出以桥梁运营环境因素为出发点，采用风险理论对运营阶段桥梁安全性进行评估管理，建立起预防事故发生的长效机制的思路。意在为以后的桥梁设计、评估及养护管理决策提供参考。

关键词：桥梁事故；预防性养护；运营环境；风险评估

中图分类号：B82文献标识码： A

一、运营阶段桥梁事故原因分析

桥梁运营安全事故按引发事故的直接原因大致可以分为两大类：结构本身缺陷和外部环境作用。结构本身缺陷主要指设计缺陷、施工不规范以及结构材料本身的自然老化和损伤累积等。[1]外部环境作用主要包括水毁（洪水、冲刷、漂流物等）；碰撞（汽车碰撞、船只碰撞等）；超载（交通量过大、车辆荷载超重）；养管（养护管理不到位、不及时）；其他（地质灾害、风灾、火灾、运输危险品爆炸等）。

自1999年1月4日重庆綦江彩虹桥事故至今，15年间中国运营中的桥梁共发生垮塌事故80余起。根据统计，运营阶段桥梁事故中由于结构本身原因造成事故的仅为2起，占总事故数的2.5%；而由于外部运营环境因素造成事故的有78起，占总事故数的97.5%，其中超载事故有26起，占32.5%；碰撞事故19起，占23.8%；水毁事故18起，占22.5%；养管事故8起，占10.0%；其他事故7起，占8.75%。由此可见，外部环境因素是造成运营阶段桥梁安全事故的主要原因。大多数事故桥梁是在结构本身较为完好的情况下，在一次突发的撞击、超载或洪水的作用下发生垮塌的，甚至部分桥梁在发生事故近期刚进行过加固。从受力的角度分析，桥梁结构本身的承载能力及技术状况均能满足设计荷载标准荷载标准的正常使用要求，而由于桥梁运营外部环境条件发生了不利变化，其作用荷载远远超出了设计荷载或出现了设计中未考虑的新荷载或永久荷载或偶然荷载，致使桥梁毁坏。

图表 115年间中国运营中的桥梁事故统计

二、桥梁运营环境因素的动态发展

运营过程中的桥梁始终是一个大型复杂的系统工程，作用在桥梁上的外部因素往往是多方面的，且随着工程巨型化、技术复杂化以及自然环境和人类活动的多变性，给桥梁运营安全性带来诸多的不确定性。在不同的时间和空间中桥梁运营环境因素是动态变化的，且种类多、作用复杂、突发性强、危害巨大，相对而言结构本身的退化可认为是缓慢的、长期的，具有一定的延性和可控性。[2]桥梁运营环境因素的动态发展主要包括以下几方面。

1、车辆超载

货运车辆超载运输造成的破坏与损失触目惊心，有关部门不断强调严加管理，但就是屡治不止，时至今日超载状况未见根本性好转，有些地方还愈演愈烈，成为公路桥梁的一种“癌症”。据有关部门调查，额定载重25 t的各类货运车辆，超载超限比例高达30%～85%。这些超载车最大装载率都在300%以上，最高达760%，即1辆额定载重2 t的货车，实际运载量最高可达15 t。据有关部门在一些重点超载地区调查发现，运输车辆几乎100%超载，超载程度一般都在一倍以上，有的达到5～6倍，远远超出了桥梁设计时的车辆荷载。

2、交通量剧增

随着经济的高速发展和路网的拓展，交通运输活动更加频繁，早期修建的汽10、汽15等低荷载标准的桥梁已经无法承载现行的交通量，而桥梁的评估验算仍采用原有的设计标准，造成评估结果与桥梁实际状况大相径庭。

3、水文条件的变化

主要指人类活动造成桥位处河床变迁，河床严重下切，从而使桥梁基础变位，对结构造成不利影响。包括河床采砂导致桥梁破坏及河床的泄洪能力的下降，山岭隧道的弃渣和生活区改河对自然环境的影响，山区的纵向桥或高架桥对山区急流河槽水流的影响。

4、突发撞击

桥梁撞击主要为车撞和船撞。当今船舶运输行业迅猛发展，大吨位船舶日益增多，撞击力大。[3]目前对船桥碰撞研究较多，而车桥碰撞研究较少，在实际设计中很少考虑车桥碰撞作用。但随着城市立交的发展，超限车辆撞击跨线桥和车辆撞上中央分隔带桥墩的案例也逐年增加。

5、气候突变

全球气候变化将导致越来越频繁的极端气候事件发生，暴雨、大风、暴雪、冰雹、极值气温和温度聚变等极端气候对桥梁结构的影响不可忽略，但目前的桥梁设计对环境气候动态变化考虑不足。

6、其他因素

地震、地质灾害、火灾、地面单侧堆载、环境污染、运输危险品爆炸等特殊事故的影响也逐渐成为了桥梁运营安全评估中不可忽视的外部环境因素。

三、现行桥梁安全性评价存在的问题

目前对运营桥梁结构安全性的评估方法大致有：外观调查评估法、基于设计规范的方法、荷载试验法、基于结构可靠度理论的方法、承载能力的计算机有限元模拟法、基于专家经验或专家系统的评估方法，还有模糊综合评估、灰色关联度评估法、模糊神经网络法等[4]。各评估方法之间存在着一定的区别，也有一定的联系，按侧重点不同，可分为以桥梁承载能力评估为主的方法和以桥梁技术状态评估为主的方法。这些评估方法能在一定程度上反映结构的健康状态，但也存在以下问题或不足。

目前桥梁安全评估方法主要集中于对结构本身病害（如混凝土强度、裂缝、钢筋锈蚀、基础变位等）的检测分析，对外部荷载作用变化的调查分析较少，采用更先进的检测手段只能较真实地反映结构当时的使用状态，却无法反映外界实际的荷载作用大小。

目前的评估计算会由于结构损伤、支承条件的改变使结构体系更为复杂而难以模拟；此外，结构在破损状态下的非线性加剧也会影响评估的精度；且计算模型中考虑的荷载大多，仅根据设计文件计算，无法真实反映结构的实际受力模式，评估计算结果也值得商榷。

目前的评估方法都是基于结构已经发生了病害，评估在正常使用荷载下的承载力水平，其结果不具有预测性，对制定下一步预防养护措施的针对性不强。

桥梁运营环境因素是复杂而多变的，如何准确评估运营桥梁的安全性、提高其运营期间抵御风险事故的能力是迫切需要解决的问题。

四、桥梁运营安全风险评估技术

为了提升运营安全分析的准确度和易用性，荷载、材料、计算模型及运营过程的各种不确定性环境因素逐渐成为研究的重点内容，而风险评估正是针对这种不确定性问题而展开的研究，是解决这类问题的有力手段。

桥梁运营安全风险评估是从风险评估体系的角度出发，对一座桥或一条线路进行现场环境勘测（包括物的不安全状态和人的不安全行为），由专家定性判断影响运营桥梁安全的主要环境因素（关键风险源），通过定性（专家打分评价）、定量（建立评估计算模型分析）或半定量方法进行桥梁综合评估工作，分析运营失效的可能性及其损失，让桥梁运营相关方切实了解一条线路中哪座桥梁的安全隐患最大，运营过程中存在多少关键风险源、风险程度如何、降低风险的代价等，进而获得技术、管理等方面的解决方案，明确相应的应对策略和目标，再选择合适的解决方案来实现风险的降低，提高桥梁运营的安全性。[4]

桥梁运营安全风险评估的步骤包括：风险识别、风险评估、风险控制及应急预案。桥梁运营安全风险评估的关键是运营过程中的环境勘测，主要包括物的不安全状态和人的不安全行为，其内容如下。

物的不安全状态包括材料劣化、裂缝、缺损、基础冲刷移位、构件变形等结构病害的不利影响；江河水流的冲刷现状及河床变迁的影响；洪水、泥石流、滑坡、台风等灾害的影响。

人的不安全行为包括车船的超载超限运输、车辆船舶的撞击、人为挖沙淘空、人为堆载、火灾、环境污染、危险品运输等。

桥梁运营安全风险评估是一项针对性较强、理论与经验紧密结合、定性与定量相互补充的系统评估方案。它不仅需要详细的结构定量检测和环境勘测报告，而且要求有专家调查分析的定性结论和精细化的计算机仿真分析报告，其评估结论不仅是对桥梁技术现状作出评估，更多的是对既有桥梁目前存在的风险源以及未来一段时间内将会面临的风险源进行识别、评估，以制定相应的风险控制措施和预案。

结束语

通过统计分析中国近十几年中运营阶段桥梁事故，得出事故发生的一般性规律及主要原因。鉴于外部环境因素对运营阶段事故发生的重要影响，讨论了桥梁运营环境因素的客观性和动态性，以及目前桥梁评估方法存在的问题和不足，并从风险评估体系的角度出发，提出了一种能为桥梁预防性养护提供决策依据的运营安全风险评估方法，可为以后的桥梁设计、评估及养护提供参考。

参考文献:

[1]于利存.既有钢管混凝土肋拱桥承载力评估及加固分析[D].成都：西南交通大学，2010.

[2]张喜刚，徐国平，刘高，等.公路桥隧工程风险评估[J].公路交通科技，2010，27（11）：7377.

[3]王永，李森，白午龙.城川河大桥安全风险评估和管控对策[J].公路，2013（1）：7378.

[4]王艺霖，刘西拉，方从启.基于应变指标的桥梁损伤识别方法[J].建筑科学与工程学报，2011，28（2）：6268.