城市桥梁安全风险识别与机理研究

陈 涌 秦怀荣 金 勇 李祥东 薛海斌

1.合肥市公路管理局直属分局，安徽合肥 230000；2.清华大学合肥公共安全研究院，北京 100000；3.合肥泽众城市智能科技有限公司，安徽合肥 230000

桥梁作为一种特殊的结构体，自建成以后就一直处于老化的状态。随着自身和外在环境的影响，不断发生变化，一方面，桥梁结构的工作性能和使用性能会随着材料的老化、疲劳，自身缺陷发生退化；另一方面，自然环境、地质灾害、人为事故等都可能造成桥梁结构不同程度的损伤，如果损伤发展的一定的阶段，也有可能一点小的扰动就可能造成巨大的损失。例如，1999年1月4日，重庆綦江彩虹桥整体垮塌，40人死亡，14人受伤；2007年8月13日，湖南凤凰县境内的堤溪沱江大桥突然垮塌，造成64人遇难；2009年5月17日，湖南株洲市红旗路高架桥坍塌，造成9人遇难、16人受伤，24辆车被损毁；2010年7月24日，河南栾川县一座大桥整体垮塌，造成52人死亡，14人失踪；2015年6月19日，粤赣高速广州往河源方向城南出口匝道桥突然断裂坍塌，4辆货车坠落，造成1人遇难、4人受伤。连续发生的多起桥梁倒塌事故敲响了我国桥梁安全使用的警钟。

因此，城市桥梁的风险识别就显得格外重要，本文将从三个方面识别桥梁所面临的风险：城市立交桥倾覆风险、不均匀沉降风险和超载风险，并对他们进行机理研究。

1 城市立交桥倾覆风险

城市立交桥主要的风险是桥梁整体的侧倾、侧滑、倾覆事故。由于受地形、地物、占地面积和城市景观等的影响，在城市桥梁设计建设过程中，往往设计建设成特宽桥、弯梁桥、斜梁桥、独柱墩梁桥以及多格式箱梁桥等特殊受力结构。

这类桥梁结构在建设、施工阶段就可能因为施工难度大发生桥梁事故，斜弯桥梁曲率过大，最大弯矩分布不同于普通连续梁桥，在弯曲位置容易发生主梁倾斜、墩柱开裂甚至断裂的结构风险，在使用过程中，由于离心力大，导致部分支座脱空，而产生弯曲箱梁倾覆的风险，应重点值得关注。目前，由于严重超载和规范的空白以及前期设计认识上的可能不足等多方面的原因造成的桥梁侧倾、侧滑、倾覆事故。

北部某城市立交桥是一座预应力混凝土连续箱梁、曲线梁桥，三层苜蓿叶型立交，主线桥和匝道桥均以独柱桥墩为主、单支点支撑的连续箱梁。桥梁的病害非常严重，主要分为两类：体系病害和局部病害。体系病害主要是指桥梁变位及与其关联密切的支座、桥墩病害，最大位移发生在C1墩，径向位移达到75mm。局部病害包括桥面纵向、横向裂缝，露筋，桥面边缘开裂碎边，伸缩缝缺失、脱空，钢板变形，橡胶老化，防撞墙错位；上部结构梁底空洞，露筋，混凝土脱落，有裂缝，梁底泛碱；下部结构桥台开裂外鼓，桥墩环向裂缝，CC1匝道、DD1匝道、HH1主线桥伸缩缝处防撞墙错位58-116cm，C1、H1、D1等墩径偏移严重。根据规范，桥梁健康状况等级被评定为D级。

究其原因是由于此类弯曲立交桥的弯-扭耦合作用引起的，即在车辆荷载作用下，梁截面内产生弯矩的同时必然产生扭矩，产生“弯扭耦合作用”。预应力曲线梁近十多年来在我国的桥梁结构中被广泛的研究和应用，直到现在，预应力曲线梁桥仍然是个设计难点。2000年深圳新建的滨海大道和深南大道上，先后发现六座预应力弯梁桥发生水平滑移，此后深圳市花费了大量的时间和费用对新桥进行顶升和纠偏。备受关注的深圳华强北立交桥运营数年后，突然产生70cm的水平滑移。这些事例仅表明曲线梁分析的复杂程度的一个层面。温度效应、收缩徐变、预应力效应、活载的偏心效应都可能引起其梁体变位。梁体变形的解决办法包括：首先需要拆除支座多余临时约束，使结构中的附加内力得到释放，然后可以通过设置盖梁，将部分单支座支撑改造成双支座支撑结构，采用顶梁纠偏等措施，改善目前桥梁的工作状况。

2 不均匀沉降风险

西部某城市依山而建，产业上以煤矿开采为其主导产业。煤矿长期开采导致城市大片区域变为采煤塌陷区。采煤塌陷区引起的地基不均匀沉降和地质的变化，导致桥梁的基础发生不同程度的位移，改变了最初的平衡状态。基础位移需要桥梁上部结构来承担，上部结构或者产生附加应力，或者就发生撕裂的现象，发生更大的位移。这种情况一旦发生，桥梁结构将处于一种不安全的状况，安全可靠性降低。桥梁的墩顶处主梁可能会发生结构受拉而破坏，桥台与中部桥墩高差发生竖向错位或平面错位。桥梁不均匀沉降造成的塑性破坏，一旦发展到结构无法承担的地步时，就会诱发桥梁结构整体的破坏，从而使桥梁使用寿命缩短，更有甚者，使得某些桥梁过早的成为危桥，形成极大的风险。

3 超载风险

近年来，安徽省车辆超限超载现象日趋严重，已成为公路、桥梁健康的主要“杀手”。长期的超载运输使桥梁产生大量病害、使用寿命大大缩短，更为严重的是超载车辆往往成为导致桥梁垮塌的“最后一根稻草”。据不完全统计，从2004年到2014年间，我国因为车辆超载导致的桥梁垮塌事故多达29起。中国工程院院士郑皆连公开表示：“桥梁垮塌，关键在于车辆严重超载”。

在20世纪的后四十年，在全国修建了很多桥梁。这些桥梁在设计之初，桥梁设计规范还很不完善，桥梁的设计标准还很低。但是这些桥梁处在重要的交通节点，因此大多数还在正常服役，但是随着经济的发展，货物运输越来越想向大型化、重型化发展，这些老旧桥梁实际上已经是超过设计标准超龄超载服役了；另外，运输车辆不论是在数量上，还是重量上，都已经超过原先规定的设计容许的范围。最突出的问题是有些车辆不按照现行的超载法规的规定，超载上路对桥梁影响更大。车辆严重超载不仅会使桥梁各构件应力不同程度的增加，使桥梁产生疲劳损伤，加剧了裂缝的扩展，加速桥梁的老化；严重的可能会持续累积桥梁内部的塑形损伤，在这种情况下，即使是不超过容许的荷载，桥梁健康状况也会变差，桥梁结构抗力和安全储备不断下降，桥梁安全风险正在累积。城市桥梁以多箱多室的连续梁为例，其横断面是整体式箱梁桥面多为沥青混凝土。检测发现，桥梁病害主要集中在：箱梁底板横向裂缝较为普遍，部分横向裂缝延伸至腹板。底板同时也有纵向裂缝。全桥桥面铺装破损、局部桥面存在积水现象。伸缩缝混凝土锚固区开裂，泄水孔堵塞等。桥梁纵向腹板有开裂现象、翼缘板混凝土破损，露筋。支座钢构件锈蚀，甚至可听见支座异响，支座位移变化，主梁挠度变大。行车道上的荷载会使脆弱的箱梁因为荷载过大而发生破坏，具体是在跨中段梁底部位出现因弯矩过大，应力裂缝增多。裂缝的出现会降低梁的刚度，因此箱梁整体线形会发生向下凹的现象，挠度变大，桥梁整体性能下降，承载能力降低，寿命缩短，极大影响交通安全。

4 结语

城市桥梁事故带给我们教训是沉重的，正确的解决办法应该是认真研究桥梁事故的致病机理，探寻事故发生的真实原因，找到真正解决之道。对桥梁管理单位来说，应在桥梁运营期间加强养护，按“预防为主，防治结合”的原则，以桥面养护为中心，以承重部件为重点，加强全面养护，同时应建立健康监测系统，布置长期有效的观测点，实时监测，保证桥梁的安全畅通。对交通行业主管部门来说，一方面应根据事故原因制定更加合理的设计规范，让以后的工程设计更加科学。另一方面，对超载行为进行严厉打击，维护城市生命线的安全。