論城市橋梁的經濟性、耐久性和創新性

穆祥純

（北京市市政工程設計研究總院，北京市 100082）

0 引言

隨著我國現代化建設的快速推進，我國城市橋梁建設進入了全新的發展階段，并得到了空前的發展。北京、上海、天津和重慶等一大批城市橋梁的建設令世人矚目。城市橋梁通常指城區范圍內建造的跨河、跨江、跨海橋梁，立交橋梁及人行天橋等。我國現行的《城市橋梁設計載荷標準》(CJ 77—1998)將城市橋梁定義為：“城市內新建、改建的永久性橋梁和城市高架道路結構以及承受機動車輛荷載的其他結構物。”

近三十多年來，特別是進入21世紀后的十多年來，我國城市橋梁在橋型、跨徑、施工方法與新技術應用等方面都有重大突破，并躋身世界前列。與此同時，我們不應回避的現實是，在城市橋梁快速發展的同時，也時常發生橋梁的垮塌和傷人事故。據不完全統計，最近6年來，全國有二十多座大橋發生垮塌事故，造成約200人傷亡。在垮塌的大橋中，有近六成的大橋壽命不足20年，由此引發人們對城市橋梁安全性的反思，因此應高度關注城市橋梁的經濟、耐久、創新等相關問題。

1 城市橋梁經濟、耐久和創新理念的內涵詮釋

筆者認為關注城市橋梁的經濟、耐久和創新十分重要，但首先要確保城市橋梁結構安全，即合理地確定其結構可靠度。橋梁結構可靠性是指結構在規定的時間內（即設計基準期）、規定的條件下完成預定功能的能力。它包括安全性、適用性、耐久性3個方面，用概率來研究和描述就是所謂的結構可靠度。橋梁結構的安全性是指結構在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現的各種作用的能力以及在偶然事件發生和發生后仍保持必要的整體穩定性的能力；適用性是指結構在正常使用條件下滿足預定使用要求的能力；耐久性是指結構在正常使用條件下，隨時間變化仍能滿足預定功能要求的能力。

1.1 城市橋梁的經濟性

一般來說，城市橋梁的經濟性主要是反映橋梁設計和建設的合理性，其重要指標是每平方米橋面的材料用量和單價。橋梁設計的經濟性主要是指選擇適當的材料以及施工方式，爭取以最低的成本建造出既經濟又符合要求的橋梁。

如眾所知，國際橋梁設計競賽十分重視能體現競爭力和技術水平高低的單位經濟指標。由于中國在材料工業方面與國外的差距，橋梁工程的材料等級是相對落后的。例如鋼箱梁的設計，歐美各國主要采用HPS460（歐洲HPS480、美國BHS500、日本SM570）高性能鋼材，甚至在局部的高應力區還用少量HPS560、HPS690，以減少厚板，簡化構造和制造的難度。我國目前仍采用唯一的一種S345鋼材，而且不同厚度鋼板的焊接工藝十分不便，也很不經濟。在混凝土結構方面，我國大都用C50級，而國外的高性能HPC80已商品化。我國的混凝土橋梁往往顯得相對粗笨和肥胖，而國外的混凝土橋梁纖細輕巧得多，外形尺寸較小，壁厚也較薄，其混凝土用量大大減少，由此可見明顯的差距。

1.2 城市橋梁的耐久性

橋梁耐久性是指橋梁在正常使用和維護條件下，隨時間的延續仍能滿足橋梁既定功能的能力，通俗地講也就是橋梁的使用周期。在世界范圍內，對混凝土耐久性的重視始于20世紀70年代末。清華大學陳肇元院士曾撰文指出：“建筑物的耐久性是建筑物及其構件在給定的期限內并在各種作用下維持其功能的能力，而建筑物及其構件的使用壽命則是在其建造完工或生產制成以后，僅在一般的維護條件下，其所有性能均能滿足原定要求的期限。”英國學者也提出：“耐久性預測不可能是一門精確的科學，建筑物的預測壽命只能是個估計。”國內外專家近年來十分關注橋梁結構在設計基準期內是否滿足預定的功能要求，并把其作為橋梁可靠性評價的重要指標，如美國的北卡羅來那、內布拉斯加和明尼蘇達等州，將橋梁剩余壽命作為評價橋梁的重要因素。

研究成果表明，耐久性的研究和評價對橋梁結構壽命的延長和防止重大事故的發生將產生巨大的經濟、社會效益。國際標準ISO2394:1998《結構可靠性總原則》中明確：“結構設計的目的是盡量減小結構或結構構件的失效概率，保證其可靠度……結構與結構構件的耐久性是指其在工作壽命期內，在適當的維護條件下，在其所處環境中保持正常工作的能力。”并提出要注意一些相關因素，如結構預期用途、要求的性能、環境條件、材料性能、結構體系、構件形狀、結構細部構造、工藝質量、控制水平、專門的防護措施以及在設計工作壽命期的維護等[1]。

1.3 城市橋梁的創新性

技術創新狹義上是指與新產品制造、新工藝過程或設備的首次商業引用有關的技術、設計、生產及商業活動，是涉及技術、生產、管理、財務和市場等環節的綜合化過程。

城市橋梁技術創新的目的是在滿足使用功能和城區環境的條件下，提高橋梁工程建設的質量，節約建設費用，縮短建設工期，制定合理的工期計劃，實現安全、耐久和美觀。同濟大學項海帆院士指出：橋梁創新是“建設者通過非常規的分析、研究、試驗驗證、特殊設計和施工解決了難題，取得了具有創新意義的成績，并對后繼工程產生指導意義。技術以發明和創造為核心，并通過發明和創造使某一專業技術不斷推陳出新，不斷向前發展和進步”。美籍華人鄧文中院士認為，創新是發展和改良，延伸傳統的概念和方法并使之更好，或是用基本的花費獲得更多的價值。創新有多種表現方式，雖然發明也是創新的一個特例，但創新不只是發明。人們不必把創新想象得遙不可及，其實，多一個想法、多一種運用都是一種創新。工程師對整個社會都有一定的責任，他說：“一位橋梁工程師如果不試圖在每項設計中盡可能地進行改進，那么他就沒有盡到工程師的義務。”應樹立自主創新和集成創新的觀念，努力實現原始創新，不僅僅滿足規模大、跨徑大和建橋的高速度，更應關注城市橋梁工程建設中的創新技術、工程質量和橋梁美學，真正實現創造性設計，給人們留下傳世的城市橋梁精品。

2 城市橋梁經濟、耐久和創新性的案例分析

2.1 案例之一——關于城市橋梁經濟性

湖南矮寨特大懸索橋（見圖1）是長沙至重慶公路通道吉茶高速公路的控制性工程。該大橋在矮寨鎮上空355 m處跨越德夯大峽谷，其主跨跨徑1 176 m，是目前世界上跨峽谷跨徑最大的鋼桁梁懸索橋。大橋地處峽谷，峽谷總體呈V字型，兩側懸崖距離從900 m到1 300 m變化，平均坡度達40°，最陡處懸崖直立，施工場地十分狹小，橋面與谷底垂直高差約330 m，施工難度極大。矮寨特大橋創下了4項世界第一：一是目前為世界峽谷跨徑最大懸索橋；二是首次采用塔、梁完全分離的結構設計方案；三是首次采用“軌索滑移法”架設鋼桁梁；四是首次采用巖錨吊索結構，并用碳纖維作為預應力筋材。國內專家曾針對此大橋表示：一件好的橋梁設計作品不應該只是有漂亮的外表、驚奇的結構，更應該有的是與自然的有機融合，要科學環保，要與自然、時代、社會和經濟和諧，同時更要引領這個行業。

圖1 湖南矮寨懸索橋

該工程的突出之處是完成了《特大型橋梁的經濟性評價》研究課題。該科研課題依托矮寨特大橋，提交的技術資料齊全、內容翔實、結論可信，成果具有創新性。針對該項目建設特點，在探索特大型橋梁建設項目經濟性評價基本原理和方法的基礎上，構建了特大型橋梁建設項目經濟性評價指標體系，并首次運用系統動力學模型對矮寨特大橋進行了經濟性評價，為類似工程投資決策和建設管理起到了參考和指導作用。

2.2 案例之二——關于城市橋梁耐久性

我國北方許多城市冬天消除橋面積雪采取灑鹽方式，這對橋梁耐久性產生很大的影響。當橋梁混凝土結構開裂后，內部鋼筋容易受氯離子侵蝕，造成橋梁出現橋面滲水、鋼筋銹蝕、鋪裝層剝落及堿骨料反應，從而引起混凝土脹裂等嚴重損壞問題，嚴重影響了橋梁的耐久性和正常使用壽命，以及行車的舒適性和安全性。我國大多數城市橋梁橋面不做防水或防水不利，對主梁造成了嚴重的侵蝕（見圖2），因此，要重視橋梁結構防水材料的研究，積極研制和開發適合橋梁結構防水的專用材料。

圖2 北京某立交橋梁防水不利對主梁的侵蝕

橋梁防水材料應具有較高強度和優良的防水性、延伸性、抗裂性，能適應車輛荷載、溫度變化等作用下產生的變形功能；要具有良好的耐熱、耐寒性能，能適應較大的溫度變化；要具有良好的粘結性、抗剪切性和抗疲勞性，能使防水材料與橋梁主梁混凝土和橋面鋪裝間有可靠的聯結；應滿足防水施工工藝簡單、便于掌握、造價適中、運輸和儲存方便，并能確保防水質量。提高城市橋梁的耐久性應從總體上關注提高混凝土的品質，積極采用高性能混凝土，以達到橋梁結構高耐久性、高強度的目的。在結構構造設計上要充分考慮橋梁耐久性要求，提高結構的防水性能，并重視和增加對現有混凝土橋梁的維修養護工作。

自20世紀70年代以來，橋梁混凝土耐久性問題在發達國家受到廣泛關注。20世紀80年代美國的相關報告顯示：在美國約有25.3萬座混凝土橋面結構處于不同程度的損害，而且每年還會增加3.5萬座新的病害結構。日本也對部分沿海范圍內修建的15座混凝土橋梁進行調查，發現它們在建成后不久出現了由于鹽分侵蝕引起的鋼筋銹蝕、混凝土剝落、預應力筋損傷等各種病害。我國21世紀以來大規模建造拉索結構橋梁，但并不了解對這類拉索結構的壽命如何預測。據統計，拉索壽命為2～16 a，約為橋梁設計壽命的1/10～1/5，超出期限，任何時候拉索都有破斷的可能。根據發達國家的經驗，因為結構耐久性原因而產生的維修費、加固費是昂貴的，例如拉索結構橋梁其拉索破斷毀橋的修復費用已達全橋建造當年總價的2～4倍，故提高橋梁的耐久性成為迫切需要解決的問題。

2.3 案例之三——關于城市橋梁創新性

重慶朝天門長江大橋（見圖3）位于長江上游重慶主城區，西連江北青草壩，東接南岸王家沱，主跨長552 m，全長1 741 m，若含前后引橋段則長達4 881 m，主跨為世界跨徑最大的拱橋，超越上海的盧浦大橋。建成后的朝天門大橋，分為上下兩層。上層為雙向6車道，行人可經兩側人行道上橋；下層則是雙向輕軌軌道，并在兩側預留了2個車行道，可保證今后大橋車流量增大時的需求。大橋采用組合式系桿，節省鋼材約1 000 t，既節約了資金，還為大橋減輕了重量。

圖3 重慶朝天門長江大橋

朝天門長江大橋的創新性表現在：主橋鋼桁架拱橋在設計、鋼桁梁制造、施工技術、關鍵技術研究和施工監控中，針對橋梁結構復雜、施工中結構受力狀態變化大、施工布置難度大等困難，在諸多方面取得了重大突破。該大橋目前為世界最大跨度拱橋，主橋中部的支座為世界上承載力最大的球形鉸抗震支座；在國內鋼橋永久結構設計中，首次采用主橋下系桿“鋼制桿件+輔助系索”的組合式預應力系桿等一系列新技術、新材料、新工藝、新設備，是我國大跨度鋼桁拱橋設計創新的代表作，成為重慶市新的地標性建筑。

研究表明，現今斜拉橋的跨度已突破千米，且尚有發展的潛力，在1 200 m跨度范圍內，完全自錨的斜拉橋的經濟性將明顯優于懸索橋 , 而且多跨斜拉橋的剛度、抗風穩定性和可施工性也優于多跨懸索橋。如德國和丹麥之間的費馬恩海峽的橋梁方案 (Fehmarnsund Bridge)選用多跨780 m的斜拉橋，可滿足20萬t海輪的通航要求，是最經濟的跨海工程方案，也為我國長江下游的越江工程和東南沿海的跨海連島工程提供了重要借鑒[2,3]。

3 城市橋梁經濟、耐久和創新性的研究趨勢

3.1 全壽命設計理念將被廣泛應用

對我國目前已建城市橋梁的統計分析表明，橋梁工程耐久性更多的只是作為一種概念，雖然橋梁設計中提出了使用年限的要求，但還沒有進行專門的耐久性設計，橋梁設計中更多考慮強度要求，而考慮耐久性較少，存在著重視強度極限狀態，而忽視使用極限狀態的傾向。

歐美國家的最新成果表明，如果在橋梁設計和建造時期未充分考慮橋梁的安全性和耐久性，將會在橋梁運營和維護中付出慘重的代價。近些年來國外專家在分析研究、認真總結以往工程事故經驗教訓的基礎上，提出了全壽命周期成本最小的設計理念，以系統論思想為引領，從項目生命周期的全過程綜合看待成本，更加強調工程耐久性的重要性。21世紀后，國內外專家的共識是——必須充分關注城市橋梁在其設計壽命中的健康。有的學者提出，橋梁建設者的責任就是以最大的成本效率來建造在規定服務時間內保持安全的橋梁，應不斷提出對更耐久性橋梁的挑戰。一個成功的設計必須要預計在橋梁服務壽命期內可能會發生的情況。中國工程院撰寫的咨詢報告呼吁：要盡快建立基于耐久性全壽命設計理念的橋梁，制定相應的規范標準，使我國橋梁在設計和建造階段，充分考慮到全壽命的使用性能和要求。

3.2 經濟性原則將受到重視

在橋梁建設前期，應考慮如何制定一個最經濟的方案，鼓勵橋梁建設者實現創新的目標，并在特定環境下實現標志性景觀的要求。可適當允許超過基礎性方案的造價，但必須要有一個限度，德國的做法是不超過10%。對于城市中小跨度的橋梁，因其投資較少，對特殊的景觀要求放寬至15%，超過15%的方案將不予接受，以體現經濟性原則的重要性。

在橋型方案的比選中，國內著名專家提出要慎用造價較昂貴、施工期也較長的懸索橋。長江下游的越江工程、沿海的跨海連島工程，以及中西部山區的跨谷工程中，應優先考慮相對較經濟且拉索可以更換的斜拉橋或者拱橋方案。如必須采用懸索橋時應提出充分的理由，而且，對于不可更換的主纜防腐要認真處理，以保證其壽命期中的耐久性。不能僅單純以追求跨度為由，不顧經濟性原則而隨意選用懸索橋方案。應充分認識經濟性作為判定一個橋梁建設和設計是否成功的基本標準，將橋梁造價保持在一個合理的范圍內。

3.3 鋼筋混凝土結構的耐久性將不斷提高

國內外在混凝土橋梁耐久性研究方面取得了突破性進展。近些年來人們認識到，隨著時間的推移，混凝土橋梁整體或局部質量的下降和老化將影響橋梁的耐久性，主要反映在4個方面：一是混凝土裂縫（包括垂直裂縫、斜裂縫和縱向水平裂縫）；二是支座混凝土的局部開裂和混凝土腐蝕（氣相腐蝕和液相腐蝕）；三是鋼筋的不斷銹蝕；四是荷載造成的損傷累積（包括超載運營）。應盡快改變目前在設計圖紙上無細化的防水設計、無防水選材說明、防水設計選材不當、降低設計標準等影響橋梁使用壽命和耐久性的現狀。對于新建橋梁，建議進行鋼筋混凝土結構的預防性保護；對于已經發生病害的橋梁，在進行病害治理的同時，還要做表面的防護，以延長結構的使用壽命。國外在這方面已經進行了數十年的研究和實踐，已經有比較成熟的材料和工藝，可以借鑒，但必須指出的是，我國的經濟發展水平、混凝土性能與國外有一定差距，必須結合我國具體情況進行改進。國內外的研究和實踐都表明，結構耐久性對于橋梁的安全運營和經濟性起著決定性作用。提高鋼筋混凝土結構耐久性是一項系統工程，要從設計、選材與施工、維護各個環節著手，特別要體現以設計為前提、為龍頭的指導思想，改進我國橋梁防水、防腐結構設計。

3.4 將綜合考慮橋梁的安全性和耐久性

各地車輛的超載問題嚴重危及橋梁結構的安全。國外專家曾說過：“規范的超載系數，絕不可能達到足以防備設計可能的大錯誤，但是許許多多的中小錯誤都可以用規范的超載系數來防備。”“規范是分析、設計和偏于安全思路的結合。”近些年，我國城市橋梁結構的安全性與耐久性是一對孿生兄弟，我們面臨的情況是：橋梁結構安全問題雖已受到重視，但各種事故卻時有發生；耐久性常被忽略，潛伏著不安全的隱患，直接影響著橋梁結構的使用壽命和年限，應慎重研究，統籌考慮。

國內外的研究和實踐表明，結構耐久性對于橋梁的安全運營和經濟性起著決定性作用。要盡量減少橋梁使用期間的事故，不斷提升對橋梁工程耐久性的重視程度，需從工程建設的指導思想、制度、技術、養護、運營管理等方面全方位提高橋梁的工程耐久性。對于不可更換的部件要保證其可檢性和可修性；對于一些不可能全壽命使用的部件，如支座、拉索等則要具有可檢性和可換性；要采用各種先進的健康監測手段使病害能被早期發現，并通過及時養護、維修和更換等措施以保證橋梁的全壽命服務質量。在橋梁設計中，必須對橋梁傾覆穩定性進行分析，優先選用抗傾覆能力強的結構形式，增加相應的構造措施來提高橋梁的抗傾覆安全性能，并進行長期的、專門的科學研究[5]。

3.5 橋梁結構承載能力的評估研究將會得到更大發展

近年來，橋梁結構承載能力的評估研究取得了重大進展。橋梁運行評估最首要的是合理評估既有橋梁的承載能力并使之規范化。橋梁承載力的評估應是建立在現有橋梁設計規范的基礎上，而不同的橋梁構件承載能力的表達方式是不同的。國外學者Talyt提出的承載能力評估方法被廣泛采用，其主要思想是用各種構件的活載承載能力和各種橋梁構件在設計活載下的最大彎矩、剪力和軸力的比作為各單元承載能力的評估指標。對于不同形式的橋梁，其承載能力的評定方法也不同。常用的方法包括：基于外觀調查評定法、基于設計規范的方法、荷載試驗的方法、基于專家經驗的方法和基于結構可靠度理論的方法。

3.6 通過采用高性能混凝土提高橋梁的防水性

2010年我國《城市橋梁橋面防水工程技術規程》（以下簡稱《規程》）正式頒布實施，該《規程》全面反映和吸收了我國城市橋梁橋面防水技術在設計理念、防水技術及防水材料方面的科技研發和工程實踐的創新成果。《規程》明確了設置橋面防水層的原則，揭示了城市橋梁橋臺防水的特點，明確了防水層的適用范圍，規定了防水等級的劃分。《規程》特別詮釋了橋面防水應樹立城市橋梁橋面防水是一個“系統工程”的理念。這些設計思想充分反映了近年來我國城市橋梁橋面防水技術在設計理念和提高橋梁耐久性方面的最新成果。

一般來說，鋼筋混凝土橋梁結構防水應著眼于自身防護，并提倡應用高性能混凝土。自20世紀80年代以來，工程建設領域以提高耐久性為目標，廣泛采用高性能混凝土。高性能混凝土加入了比水泥顆粒小約100倍的膠凝材料，如微硅粉、優質粉煤灰，并采用高效減水劑使混凝土可以采用較低的水灰比，擁有良好的養護條件。其結果是減小了骨料與膠凝材料間的間隙，使其粘結強度提高，在混凝土整體強度提高的同時，密實度增加，混凝土自身抗滲性提高，從而大大提高混凝土的耐久性，這已在世界各地引起人們的廣泛重視[6，7]。

4 對策建議

（1）應充分認識城市橋梁經濟、耐久和創新問題的重要性，積極應用最新的科研成果，并通過各類工程和非工程措施，提高我國城市橋梁建設的正常使用能力和結構的耐久性。橋梁工程建設者和相關主管部門應將城市橋梁作為城市生命線工程最重要組成部分給予高度關注。

（2）應進一步加強城市橋梁創新性的專題研究，引入創新理念和運作機制，積極開展城市橋梁的創新工作，在滿足使用功能和城區環境的條件下，提高橋梁工程建設的質量，節約建設費用，縮短建設工期，制定合理的工期，實現城市橋梁的安全、耐久和美觀。

（3）對已出現的城市橋梁坍塌事故和案例，應本著科學、客觀、公正的態度，將最終的結論公之于眾，并組織召開專題研討會，使更多的人從國內外發生的事故案例中汲取有益的經驗和教訓，防微杜漸，通過共同努力，使我國城市橋梁的風險損失降至最低。

（4）應在準確、細致的災害調查基礎上，對城市交通和社會基礎設施的現有荷載設置、設計方法和規范進行系統評估，總結相關經驗教訓，并為建立安全、合理的防災設計體系提供科學依據。加強對橋梁結構的安全防護與監測、環境保護與節能、新型建筑材料的開發與推廣，以及網絡化監測與控制等領域等系統的開發研究。

（5）應總結近年來國內四川汶川、青海玉樹等特大地震的經驗，根據震害對橋梁結構所造成的損失情況及分析結果，適當調整我國的地震區劃，適當提高我國結構抗震設防標準；專題研究城市橋梁的設防標準，提高城市橋梁抗御災害的能力，進而避免和減輕重大地震災害造成的損失。

（6）針對我國城市橋梁耐久性和安全性研究的基礎性工作較薄弱的特點，應盡快建立橋梁風險評價基礎資料數據庫，包括橋梁事故、災害實例數據庫等。加強對自然災害風險，如風暴、潮流及波浪災害風險，暴雨及內澇、地震及海嘯風險，雷擊風險等；意外事故風險（不可抗力），如船舶碰撞、橋梁結構施工技術創新、主要施工設備、管理及責任等風險的深入研究。

（7）積極開展相應的科研工作，高等院校、科研機構應和從事城市橋梁建設的設計、施工、監理和建設方密切結合，共同推進我國城市橋梁風險評價領域的發展。

（8）加強與國際同行的交流，積極關注國際上該領域的發展趨勢，及時了解和搜集國外的最新科研成果，開展國內外的學術交流活動，大力促進我國城市橋梁建設的技術進步，推動我國城市橋梁建設的可持續發展，并朝著世界橋梁強國的目標邁進[8]。

[1] JTGD D62—2004.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2] 項海帆.中外新建橋梁中的技術創新比較[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3] 鮑衛剛,周泳濤,趙慧，等.預應力混凝土梁式橋設計施工技術指南[M].北京:人民交通出版社，2009.

[4] 林元培.橋梁設計工程師手冊[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5] 穆祥純.城市橋梁結構安全度和耐久性問題的研究[A].第十六屆全國橋梁學術會議論文集[C].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 穆祥純.論北京城市橋梁設計的創新技術[A].第十七屆全國橋梁學術會議論文集[C].北京:人民交通出版社,2006.

[7] 中國公路學會橋梁和結構工程分會.面向創新的中國現代橋梁[M].北京:人民交通出版社，2009.

[8] 穆祥純.基于創新理念的城市橋梁及市政建設[M].北京:人民交通出版社，2012.