论城市桥梁结构的安全度和耐久性问题

1论城市桥梁结构的安全度和耐久性问题穆祥纯北京市市政工程设计研究总院摘要近年来城市桥梁结构的安全度和耐久性问题日益被人们所重视。本文论述了城市桥梁结构安全度和耐久性的内涵，综述了国内外桥梁结构安全度和耐久性问题应关注的有关问题及研究趋势，提出了相关对策措施。以期引起人们对此问题的高度重视，促进我国城市桥梁建设事业的发展。关键词城市桥梁结构设计安全度耐久性对策措施1引言众所周知，城市桥梁通常指城区范围内建造的跨河、跨江、跨海桥梁、立交桥梁及人行天桥等。我国现行的《城市桥梁设计载荷标准(cj77-98)》将城市桥梁称谓为：“城市内新建、改建的永久性桥梁和城市高架道路结构以及承受机动车辆荷载的其他结构物。”人类进入二十一世纪后，世界各地纷纷建造大规模的城市桥梁（特别是大跨径桥梁和立交桥梁），随着我国现代化进程的加快，城市桥梁建设进入新的发展阶段。譬如：2001年建成的北京四环快速路，全长65.3km，有147座各类桥梁，桥梁总面积为48.5万m2（含城市立交57座、高架桥7座）。2003年建成的北京五环路高速路，全长97km，各类桥梁面积达70万m2。2003年5月动工兴建的杭州湾跨海大桥桥长35.57公里，是目前世界上已建和在建跨海大桥中昀长的一座，计划总投资为118亿元，大桥建成后，宁波至上海间的陆路距离将缩短120公里。同年7月动工修建的上海东海大桥，是一座完全建造在外海海域的大桥，该大桥全长31.1公里（主桥跨径为420m）。这标志着我国桥梁建设事业已跨入世界的前列。城市桥梁做为建桥所在地城市景观的重要组成部分，依其工程寿命将存在相当长的时间。因此桥梁结构的安全度和耐久性问题已引起人们的高度重视。近年来国内外发生不少桥梁倒塌事故，很多是属于非正常设计和非正常施工造成的，其中包含着工程建设出现的腐败现象（如重庆綦江虹桥倒塌事故），亟需加强法治，严格执行基建程序，确保工程质量。国外专家曾说过：“规范的超载系数，绝不可能达到足以防备设计可能的大错误，但是许许多多的中小错误都可以用规范的超载系数来防备。”“规范是分析、设计和偏于安全的思路的结合。”城市桥梁结构的安全度与耐久性是一对孪生兄弟，需慎重研究，统筹考虑。近些年我们面临的情况是：桥梁结构安全问题虽已受到重视，但各种事故却时有发生；耐久性常被忽略，却潜伏着不安全的隐患，影响着桥梁结构的使用年限。2城市桥梁安全度和耐久性的内涵何谓城市桥梁结构的安全度？笔者认为,城市桥梁结构的安全度亦是合理地确定桥梁的结构可靠度。结构可靠性的定义为：结构在规定的时间内（即设计基准期），在规定的条件下，完成预定功能的能力.它包括安全性、适用性、耐久性三个方面。用概率来研究和描述就是所谓的结构可靠度。其安全性就是指结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力以及在偶然事件发生和发生后仍保持必要的整体稳定性的能力;适用性是指结构在正常使用条件下满足预定使用要求的能力;耐久性是指结构在正常使用条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。我们所关注的城市桥梁结构的安全度亦既桥梁结构的可靠度评价，主要是其承载能力的评定和确定。在这方面公路桥梁结构做了深入的研究。其结构可靠度指标β作为概率极限状态设计下结构安全度的主要度量指标，是衡量桥梁结构可靠性相对统一的数量化指标。我国现行的公路桥梁结构按承载能2力极限状态下，采用目标可靠度评价指标，反映了我国公路桥梁结构设计的可靠度水平。目前我国城市桥梁在结构安全度亦既可靠度评价方面主要参照《公路桥涵设计规范》（JTJ021－89）。何谓城市桥梁的耐久性问题。应该说此问题是近20年来逐渐被人们所重视。笔者认为，我国桥梁结构要略晚于建筑结构领域对此问题的研究。在世界范围内，对混凝土耐久性的重视始于上世纪70年代末。清华大学陈肇元院士曾撰文指出：“建筑物的耐久性是建筑物及其构件在给定的期限内并在各种作用下维持其功能的能力，而建筑物及其构件的使用寿命则是在其建造完工或生产制成以后，仅在一般的维护条件下，其所有性能均能满足原定要求的期限。”英国学者也提出：“耐久性预测不可能是一门精确的科学，建筑物的预测寿命只能是个估计。”国内外专家近年来十分关注桥梁结构在设计基准期内，是否满足预定的功能要求作为桥梁可靠性评价的重要指标。如美国的北卡罗来那和明尼苏达等州，将桥梁剩余寿命作为评价桥梁的重要因素。研究成果表明，耐久性的研究和评价对桥梁结构寿命的延长和防止重大事故的发生将会产生巨大的经济效益和社会效益。总体说来，桥梁耐久性是对未来的预测。国际标准ISO2394:1998《结构可靠性总原则》中明确：“结构设计的目的是尽量减小结构或结构构件的失效概率，保证其可靠度……。结构与结构构件的耐久性是指其在工作寿命期内，在适当的维护条件下在其所处环境中保持正常工作的能力。”并提出要注意一些相关因素的影响，如结构预期用途、要求的性能、环境条件、材料性能、结构体系、构件形状、结构细部构造、工艺质量和控制水平、专门的防护措施以及在设计工作寿命期的维护等。3应关注的有关问题近些年来国内外在城市桥梁建设上，涉及安全度和耐久性出现的问题屡见不鲜甚至出现危急公众的安全事件。笔者认为如下若干问题应引起桥梁建设者的高度关注。3.1已建常规城市桥梁设计标准低，造成安全隐患我国在20世纪60～70年代修建的桥梁，限于当时的社会经济发展水平,其设计荷载标准较低，而且大部分城市和公路桥梁如今仍在服役，已不适应交通量日益增长的需要，面临着恢复和提高现有旧桥的承载能力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，消除交通安全隐患。我们知道桥梁安全性的评价实质就是其承载能力评定，它是桥梁可靠性评价的主要内容。通过调查发现，不少城市已建的常规城市桥梁结构（指一般结构）因设计、施工、材料、养护管理、交通荷载的变化以及所在环境的浸蚀、偶然事故等原因所引起桥梁整体或组成它的基本部件，在强度、变形、刚度等方面的损坏而影响桥梁结构在正常使用条件下的安全性和耐久性方面存在相当多的问题。例如北京西长安街上的一座跨河桥建成于1969年，经34年的运行，近期发现桥梁损坏严重，主梁混凝土40％低于设计强度，钢筋53％出现中度以上锈蚀，该桥普遍出现混凝土剥落、开裂和碳化现象，故近期对该桥进行大规模的修缮和维修加固。据悉北京市现有各式桥梁3790座，其中552座属危桥和病桥亟待改造和升级。3.2车辆超载对桥梁结构的损害近年来车辆严重超载对城市桥梁的安全度和耐久性带来很大的隐患。例如1994年通车的深圳市北环路，原设计荷载为汽车超20级，挂－120级。但北环路是深圳市连通香港唯一的货运通道。来往于深圳、东莞等地的香港货柜车行驶速度经常为90km/h（原设计车速昀高为50km/h）、货柜车载重为76～90吨，昀高为110吨（原设计荷载超20级重车为55吨重）。因此该市的一座立交桥梁由于超载造成破损严重，影响了正常使用。经采用碳纤维加固主梁，并对中墩及桥梁基础进行加固方满足要求。我国华北和华南地区的一些桥梁，由于经常过往超载的车辆（如运煤车，货柜车），造成桥梁结构严重受损,其使用寿命大大缩短，甚至出现危及人民群众生命财产安全的重大隐患。3.3混凝土品质的变化造成桥梁使用寿命和耐久性降低3在过去的一个时期，人们关注混凝土的质量往往是以单一的强度指标作为标准，导致了我国水泥工业对水泥强度的片面追求。而水泥细度的增加，水泥熟料中早期强度的提高，促使水泥矿物成份含量增大。这些措施虽有利于提高混凝土的强度，但不利其耐久性。而混凝土养护不利，以及外部环境的恶化（酸雨等），都对混凝土造成严重腐蚀，造成桥梁使用寿命和耐久性的降低。自20世纪80年代以来，工程建设领域以提高耐久性为目标，广泛采用高性能混凝土，已在世界各地引起人们的广泛重视。桥梁结构从下部结构到上部结构，从中小跨径到大跨径，高性能混凝土得到了广泛的应用，耐久性和结构强度均提高了一倍左右。研究成果表明，高性能混凝土通过增加活性掺料减少水泥用量，具有良好的耐久性、工作性、强度和体积的稳定性。3.4北方城市桥梁除冰盐对桥梁耐久性产生不利影响自20世纪70年代开始，我国北方地区（特别是北京城区）为保证冬季雪后道路交通畅通，在立交桥梁上为融化冰雪大量采用除冰盐。通过调查发现，使用10～20年左右的桥梁，除冰盐对桥梁结构的钢筋产生严重的腐蚀，使用不到10年的桥梁，在氯离子影响范围，钢筋也处于锈蚀状态。由于我国北方冬季气候非常干燥，使用除冰盐后，盐水很容易进入结构混凝土中而达到饱和，当外界环境非常干燥时，混凝土中的水流方向发生逆转，纯水通过混凝土的毛细孔向外蒸发，混凝土内部的盐分浓度增加，又使其向混凝土内部扩散，并形成恶性循环。据调查，除冰盐引起的钢筋锈蚀是北方城市桥梁结构破坏的重要原因。按照欧洲国家对混凝中钢筋腐蚀速度的研究成果，钢筋开始锈蚀至破坏的时间约为总寿命的1/3，而北京的不少立交桥梁的使用寿命受除冰盐的影响，远远不能达到人们对桥梁结构预期寿命的要求。近年来在部分城市推广的新型除雪剂仍含有盐分，对桥梁耐久性亦造成不利的影响。3.5桥梁结构防水不当影响结构的安全性和耐久性从20世纪90年代初，人们对城市桥梁防水技术开始关注并进行专题研究（北京从首都机场高速公路开始，上海从南浦大桥开始）。主要是城市桥梁漏水对桥梁结构腐蚀十分严重，严重影响桥梁的使用寿命（如20世纪70～80年代修建的北京二、三环上的立交桥梁）。不少城市桥梁不做防水或防水不利造成桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应等，引起混凝土胀裂等严重损坏问题，严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命，以及行车的舒适性和安全性。3.6施工监测不利产生的影响桥梁施工监测是针对工程施工过程中结构的关键部位，对主要施工方法及关键技术进行控制。加强对施工过程中的监测控制，是保证桥梁结构安全、可靠、确保工程质量的必要措施。城市桥梁设计中应充分考虑施工过程的变化情况（如构件运输、体系转换、振动荷载等），并应满足正常使用的需要。如果未充分考虑桥梁的结构储备和体系形成的各种不利因素，将桥梁结构视为正常使用情况的结构，会产生十分不利的问题或危及桥梁结构的安全，这方面的经验、教训在国内外的建桥史上屡见不鲜。城市桥梁（特别是大跨径城市桥梁）的施工监控问题，是桥梁建设中十分重要的问题，关系到其结构安全度和耐久性。譬如，悬索桥的施工特点是一旦主缆安装就位，主缆内力、挠度则完全取决于结构体系的形成过程、索鞍和塔顶及主梁之间相互连接情况、结构自重、施工荷载和温度场变化过程，因为后期将无法人为地再调整主缆内力和位型。因此在悬索桥的施工中，控制主缆无应力下料长度、主缆在自重作用下的初始安装位置（初始垂度和线型）、索鞍初始预偏量的计算等将成为悬索桥施工过程计算的关键。必须根据实际观测结果经分析识别得到结构实际参数，并计算和调整各施工阶段控制点标高、位移量、内力和应力的理论值，这是悬索桥施工监控的重要环节.若施工监控不利则后患无穷。又如斜拉桥施工中必须建立监测系统，一切施工步骤都必须按预定的程序严格执行。施工过程中（如混凝土斜拉桥的现浇工艺）每个步骤内力和变位都是可以预报的，因此应不断进行监测，并提高预报的可靠性，这也是一个安全警报系统，如果预报与实测值相差较4大，必须停工检查，分析原因，以确保桥梁结构的安全。这方面的实例是相当多的，本文不再赘述。3.7桥梁结构新发展所带来的问题近些年来，我国城市桥梁（主要是立交桥梁）因交通功能需要，各大中城市在修建道路立交时，采用了一批弯桥、坡桥、斜桥、独柱弯桥及异型结构（如点支承的异型平板桥），反映了我国城市立交桥梁结构的新发展。由于我国尚未有成熟的设计规范来指导设计，致使一段时间不少城市桥梁出现了问题。深圳及周边地区的不少弯箱梁桥于2000年左右，相继出现桥梁支座脱控甚至梁体位移的事故。如深圳连接笋岗西路和泥岗西路的一座立交桥梁的匝道桥，已建成通车两年，其主联连续梁于当年6月上旬突然发生梁体变位。全联连续梁在各墩位均有不同程度的切向、径向和扭转变位。其中端部扭转角达2.42°，昀大水平位移为22厘米，昀大径向位移为47厘米。该立交桥梁经加固（主