基于動態環境因素的運營期橋梁安全風險評估研究

羅小云

摘要：筆者通過總結歷年渝黔高速公路橋梁養護實際情況，以近年來國內發生的運營階段橋梁事故為調查和研究對象，通過大量的統計分析數據，得出了以下這些事故發生的原因、規律。在深入分析事故原因、橋梁運營環境因素的動態性以及橋梁安全評估方法研究現狀的基礎上，提出以橋梁運營環境因素為出發點，采用風險理論對運營階段橋梁安全性進行評估管理，建立起預防事故發生的長效機制的思路。意在為以后的橋梁設計、評估及養護管理決策提供參考。

關鍵詞：橋梁事故；預防性養護；運營環境；風險評估

中圖分類號：B82文獻標識碼： A

一、運營階段橋梁事故原因分析

橋梁運營安全事故按引發事故的直接原因大致可以分為兩大類：結構本身缺陷和外部環境作用。結構本身缺陷主要指設計缺陷、施工不規范以及結構材料本身的自然老化和損傷累積等。[1]外部環境作用主要包括水毀（洪水、沖刷、漂流物等）；碰撞（汽車碰撞、船只碰撞等）；超載（交通量過大、車輛荷載超重）；養管（養護管理不到位、不及時）；其他（地質災害、風災、火災、運輸危險品爆炸等）。

自1999年1月4日重慶綦江彩虹橋事故至今，15年間中國運營中的橋梁共發生垮塌事故80余起。根據統計，運營階段橋梁事故中由于結構本身原因造成事故的僅為2起，占總事故數的2.5%；而由于外部運營環境因素造成事故的有78起，占總事故數的97.5%，其中超載事故有26起，占32.5%；碰撞事故19起，占23.8%；水毀事故18起，占22.5%；養管事故8起，占10.0%；其他事故7起，占8.75%。由此可見，外部環境因素是造成運營階段橋梁安全事故的主要原因。大多數事故橋梁是在結構本身較為完好的情況下，在一次突發的撞擊、超載或洪水的作用下發生垮塌的，甚至部分橋梁在發生事故近期剛進行過加固。從受力的角度分析，橋梁結構本身的承載能力及技術狀況均能滿足設計荷載標準荷載標準的正常使用要求，而由于橋梁運營外部環境條件發生了不利變化，其作用荷載遠遠超出了設計荷載或出現了設計中未考慮的新荷載或永久荷載或偶然荷載，致使橋梁毀壞。

圖表 115年間中國運營中的橋梁事故統計

二、橋梁運營環境因素的動態發展

運營過程中的橋梁始終是一個大型復雜的系統工程，作用在橋梁上的外部因素往往是多方面的，且隨著工程巨型化、技術復雜化以及自然環境和人類活動的多變性，給橋梁運營安全性帶來諸多的不確定性。在不同的時間和空間中橋梁運營環境因素是動態變化的，且種類多、作用復雜、突發性強、危害巨大，相對而言結構本身的退化可認為是緩慢的、長期的，具有一定的延性和可控性。[2]橋梁運營環境因素的動態發展主要包括以下幾方面。

1、車輛超載

貨運車輛超載運輸造成的破壞與損失觸目驚心，有關部門不斷強調嚴加管理，但就是屢治不止，時至今日超載狀況未見根本性好轉，有些地方還愈演愈烈，成為公路橋梁的一種“癌癥”。據有關部門調查，額定載重25 t的各類貨運車輛，超載超限比例高達30%～85%。這些超載車最大裝載率都在300%以上，最高達760%，即1輛額定載重2 t的貨車，實際運載量最高可達15 t。據有關部門在一些重點超載地區調查發現，運輸車輛幾乎100%超載，超載程度一般都在一倍以上，有的達到5～6倍，遠遠超出了橋梁設計時的車輛荷載。

2、交通量劇增

隨著經濟的高速發展和路網的拓展，交通運輸活動更加頻繁，早期修建的汽10、汽15等低荷載標準的橋梁已經無法承載現行的交通量，而橋梁的評估驗算仍采用原有的設計標準，造成評估結果與橋梁實際狀況大相徑庭。

3、水文條件的變化

主要指人類活動造成橋位處河床變遷，河床嚴重下切，從而使橋梁基礎變位，對結構造成不利影響。包括河床采砂導致橋梁破壞及河床的泄洪能力的下降，山嶺隧道的棄渣和生活區改河對自然環境的影響，山區的縱向橋或高架橋對山區急流河槽水流的影響。

4、突發撞擊

橋梁撞擊主要為車撞和船撞。當今船舶運輸行業迅猛發展，大噸位船舶日益增多，撞擊力大。[3]目前對船橋碰撞研究較多，而車橋碰撞研究較少，在實際設計中很少考慮車橋碰撞作用。但隨著城市立交的發展，超限車輛撞擊跨線橋和車輛撞上中央分隔帶橋墩的案例也逐年增加。

5、氣候突變

全球氣候變化將導致越來越頻繁的極端氣候事件發生，暴雨、大風、暴雪、冰雹、極值氣溫和溫度聚變等極端氣候對橋梁結構的影響不可忽略，但目前的橋梁設計對環境氣候動態變化考慮不足。

6、其他因素

地震、地質災害、火災、地面單側堆載、環境污染、運輸危險品爆炸等特殊事故的影響也逐漸成為了橋梁運營安全評估中不可忽視的外部環境因素。

三、現行橋梁安全性評價存在的問題

目前對運營橋梁結構安全性的評估方法大致有：外觀調查評估法、基于設計規范的方法、荷載試驗法、基于結構可靠度理論的方法、承載能力的計算機有限元模擬法、基于專家經驗或專家系統的評估方法，還有模糊綜合評估、灰色關聯度評估法、模糊神經網絡法等[4]。各評估方法之間存在著一定的區別，也有一定的聯系，按側重點不同，可分為以橋梁承載能力評估為主的方法和以橋梁技術狀態評估為主的方法。這些評估方法能在一定程度上反映結構的健康狀態，但也存在以下問題或不足。

目前橋梁安全評估方法主要集中于對結構本身病害（如混凝土強度、裂縫、鋼筋銹蝕、基礎變位等）的檢測分析，對外部荷載作用變化的調查分析較少，采用更先進的檢測手段只能較真實地反映結構當時的使用狀態，卻無法反映外界實際的荷載作用大小。

目前的評估計算會由于結構損傷、支承條件的改變使結構體系更為復雜而難以模擬；此外，結構在破損狀態下的非線性加劇也會影響評估的精度；且計算模型中考慮的荷載大多，僅根據設計文件計算，無法真實反映結構的實際受力模式，評估計算結果也值得商榷。

目前的評估方法都是基于結構已經發生了病害，評估在正常使用荷載下的承載力水平，其結果不具有預測性，對制定下一步預防養護措施的針對性不強。

橋梁運營環境因素是復雜而多變的，如何準確評估運營橋梁的安全性、提高其運營期間抵御風險事故的能力是迫切需要解決的問題。

四、橋梁運營安全風險評估技術

為了提升運營安全分析的準確度和易用性，荷載、材料、計算模型及運營過程的各種不確定性環境因素逐漸成為研究的重點內容，而風險評估正是針對這種不確定性問題而展開的研究，是解決這類問題的有力手段。

橋梁運營安全風險評估是從風險評估體系的角度出發，對一座橋或一條線路進行現場環境勘測（包括物的不安全狀態和人的不安全行為），由專家定性判斷影響運營橋梁安全的主要環境因素（關鍵風險源），通過定性（專家打分評價）、定量（建立評估計算模型分析）或半定量方法進行橋梁綜合評估工作，分析運營失效的可能性及其損失，讓橋梁運營相關方切實了解一條線路中哪座橋梁的安全隱患最大，運營過程中存在多少關鍵風險源、風險程度如何、降低風險的代價等，進而獲得技術、管理等方面的解決方案，明確相應的應對策略和目標，再選擇合適的解決方案來實現風險的降低，提高橋梁運營的安全性。[4]

橋梁運營安全風險評估的步驟包括：風險識別、風險評估、風險控制及應急預案。橋梁運營安全風險評估的關鍵是運營過程中的環境勘測，主要包括物的不安全狀態和人的不安全行為，其內容如下。

物的不安全狀態包括材料劣化、裂縫、缺損、基礎沖刷移位、構件變形等結構病害的不利影響；江河水流的沖刷現狀及河床變遷的影響；洪水、泥石流、滑坡、臺風等災害的影響。

人的不安全行為包括車船的超載超限運輸、車輛船舶的撞擊、人為挖沙淘空、人為堆載、火災、環境污染、危險品運輸等。

橋梁運營安全風險評估是一項針對性較強、理論與經驗緊密結合、定性與定量相互補充的系統評估方案。它不僅需要詳細的結構定量檢測和環境勘測報告，而且要求有專家調查分析的定性結論和精細化的計算機仿真分析報告，其評估結論不僅是對橋梁技術現狀作出評估，更多的是對既有橋梁目前存在的風險源以及未來一段時間內將會面臨的風險源進行識別、評估，以制定相應的風險控制措施和預案。

結束語

通過統計分析中國近十幾年中運營階段橋梁事故，得出事故發生的一般性規律及主要原因。鑒于外部環境因素對運營階段事故發生的重要影響，討論了橋梁運營環境因素的客觀性和動態性，以及目前橋梁評估方法存在的問題和不足，并從風險評估體系的角度出發，提出了一種能為橋梁預防性養護提供決策依據的運營安全風險評估方法，可為以后的橋梁設計、評估及養護提供參考。

參考文獻:

[1]于利存.既有鋼管混凝土肋拱橋承載力評估及加固分析[D].成都：西南交通大學，2010.

[2]張喜剛，徐國平，劉高，等.公路橋隧工程風險評估[J].公路交通科技，2010，27（11）：7377.

[3]王永，李森，白午龍.城川河大橋安全風險評估和管控對策[J].公路，2013（1）：7378.

[4]王藝霖，劉西拉，方從啟.基于應變指標的橋梁損傷識別方法[J].建筑科學與工程學報，2011，28（2）：6268.