城市橋梁典型病害與運營風險管控

李君強，張保山，王森森

（1.濟南市道路和橋隧服務中心，山東 濟南 250000；2.山東金朝工程檢測有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

我國經過數十年的集中城市發展建設，大中型城市普遍建設了包括高架、快速路、大型立交等在內的城市橋梁群[1]。當前，城市從大規模基礎設施建設逐漸轉入存量養護運維時代，城市橋梁的運營管理成為保障城市安全平穩運行的重要工作之一。不少地區的城市橋梁在運營過程中暴露出各種結構病害，更有甚者出現嚴重安全事故，造成人員傷亡和交通癱瘓，帶來惡劣的社會影響。為此，城市橋梁管理者需要厘清城市橋梁運營過程中的主要風險，采用科學的決策方法，建立有序、系統、完善的養護管理方案，科學管控風險，提升橋梁運營性能，保障結構長期運營安全。

1 城市橋梁結構形式

城市橋梁，特別是道路高架，20 世紀和21 世紀初的典型結構形式包括：15～20 m 跨徑的混凝土空心板梁、25 m 左右跨徑的小T 梁、30 m 左右跨徑的混凝土箱梁，以及超過30 m 的少量鋼箱梁和高架上下匝道的混凝土曲線箱梁。代表性工程包括上海內環、上海中環、廣州內環路、武漢二環、成都二環、紹興二環等。近年來，城市快速路也有采用全線節段預制拼裝混凝土連續梁方案的，如鄭州四環。

除上述結構形式外，在一些重要的跨江、跨河節點，各地還采用了形式各異的橋梁。其中以三類橋梁為主要形式，包括經濟性良好的預應力混凝土連續梁橋、景觀性良好的系桿拱橋以及斜拉橋。這些橋梁都有一個共性的受力構件——鋼索（包括鋼絞線、吊桿、斜拉索等）。

由于我國城市建設時間集中，城市橋梁在日常運營檢測過程中，往往發現某座橋有病害后，相似橋梁也會陸續出現同類型病害，病害呈現集中爆發的特點，給橋梁管養帶來潛在風險和管理難度。

2 典型結構病害和事故

2.1 空心板梁鉸縫失效

空心板梁橋在我國城市高架中應用廣泛，部分地區占比甚至超過95%。早期建設的空心板梁橋，其空心板間橫向小鉸縫在運營過程中容易由于往復車輛荷載作用而出現破損，失去有效的橫向聯系，無法分擔橋面車輛荷載作用。單片空心板梁在重車作用下，其荷載效應可能增大到設計最不利狀態的2～3 倍，若進一步考慮超載，空心板極可能在重車作用下被破壞，引發重大事故[2]。

典型事故包括：2009 年4 月12 日河南澧河橋在重車作用下多片空心板失效坍塌；2011 年7 月15 日錢江三橋引橋在滿載鋼板的貨車作用下發生外側空心板梁破壞的事故；2021 年3 月16 日武漢長豐橋在填滿砂料重車作用下發生單片空心板梁破壞落梁事故。

除空心板梁橋外，類似采用多片梁分擔橋面荷載的中小跨徑橋梁形式還包括混凝土T 梁和小箱梁，橫向聯系失效也可能導致結構坍塌。例如2011年5 月29 日長春榮光大橋就曾出現單片混凝土小箱梁被重車壓垮的事故。

2.2 索結構橋梁拉索失效

索結橋梁包括索體作為主要傳力構件的拱橋、斜拉橋和懸索橋。這類橋梁一般用于城市中跨越距離較大的道路上，例如跨江、跨河、跨鐵軌等，屬于結構形式特殊、結構重要性高的橋梁。

考慮橋梁50～100 a 的設計使用年限，索結構當前設計理念為可更換構件，設計使用年限一般為20 a。索結構在橋梁運營期內會經歷多次損傷老化到更換的過程。目前索結構檢查方法尚不成熟，索體狀態往往難以準確獲知，這是目前索結構管理的痛點。

國內索結構橋梁病害數據表明，索結構病害類型較多，包括索體護套損傷、減振機構損傷、索體亮化工程損傷、索內滲水銹蝕、錨頭漏油銹蝕、索體吊環構造損傷等[3]。其中，索體滲水銹蝕斷裂和短吊桿剪切破壞是兩類典型高危的病害。如：2001 年11 月7 日，宜賓小南門大橋發生吊桿斷裂事故；2012 年7月14 日，福建武夷山公館大橋吊桿斷裂，導致全橋垮塌，同年新疆孔雀河大橋也出現類似事故；2019年10 月1 日，中國臺灣的南方澳跨港大橋拉索斷裂，全橋垮塌。

2.3 獨柱墩橋梁傾覆

獨柱墩橋梁是過去城市立交曲線匝道的主要結構形式。采用單柱形式橋墩支撐上部橋梁，在有限的城市空間中節約了占地面積，具有良好的經濟性。但是，自2007 年以來，國內陸續發生多起由于超載車輛行駛導致的獨柱墩橋梁傾覆事故，引起社會廣泛關注和討論。代表性的事故包括2012 年8 月24 日哈爾濱群力高架橋傾覆事故、2016 年5 月23 日上海中環鋼箱梁側傾覆事故、2019 年10 月10 日無錫橋梁傾覆事故等。

多起傾覆事故集中發生在一類結構形式上，暴露出這種結構形式在極端超載情況下的易損性[4-5]。近年來，我國各省陸續開展了獨柱墩橋梁的全面排查、驗算復核及加固工作。但2021 年12 月18 日，經過加固的某高速公路鄂州段獨柱墩橋梁仍然在超載車輛行駛下發生了整體傾覆，再次敲響了該類橋梁運營安全風險的警鐘。因此，獨柱墩加固方法、超載車監管方案等系列問題，需要管理部門進一步思考。

2.4 雙曲拱橋坍塌

雙曲拱橋是我國人民提出的一種拱橋形式，通過小型化的多個構件搭接形成較大跨度的創新橋型。由于“化整為零”的構造設計，使得橋梁的預制建造難度大大降低。20 世紀六七十年代，這種橋型在全國各地推廣應用，有力支撐了當時國家經濟建設。但是，一方面這種結構形式整體性較弱，抗震性不足，且隨著車輛荷載等級的提升，這種結構形式較難滿足當前交通的需求。另一方面，由于材料老化和構件損傷，經過幾十年運營的雙曲拱橋自身狀態已經較差，很多城市已經對雙曲拱橋進行了限行等措施。

2006 年11 月25 日，始建于1985 年、全長122 m的雙曲拱橋——陜西冷水河大橋，在沒有外部車輛荷載的情況下突然垮塌。同年，橋長200 m 的甘肅洮河大橋雙曲拱橋也發生整體坍塌。此外，其他一些在歷史條件下建設的舊橋也值得管理單位關注，如大跨度圬工拱橋、剛架拱橋等。例如，2012 年8月8 日，江西廣昌八孔圬工拱橋河東橋發生整體倒塌事故。

2.5 預應力體系失效

預應力混凝土橋梁在中小跨度橋梁中應用廣泛。預應力體系加入混凝土橋梁后，使結構抗裂性能大幅提升，同時預應力鋼筋作為結構抗力的一部分，也起到保障結構承載力的作用。近年來，在多年運營的預應力橋梁上也發現了代表性結構病害模式[6]。病害包括預應力錨下混凝土損傷、預應力管道空洞滲水、預應力鋼筋銹蝕、預應力松弛導致預應力度不足等。病害程度較輕的出現混凝土梁體開裂，病害較重的出現梁體長期下撓直至垮塌。

典型的案例包括：虎門大橋輔航道270 m 連續剛構橋梁持續下撓超過26 cm；湖北黃石長江大橋運營十年跨中下撓超過30 cm，并出現大面積開裂；2019 年2 月15 日，深圳灣大橋在檢查中發現體外預應力銹蝕斷裂事故。

2.6 附屬設施連接失效

城市高架橋附屬設施包括護欄、聲屏障、龍門架、交通指示牌、綠化帶等。上述設施在運營過程中由于銹蝕、老化等因素，或者設計施工存在一定的缺陷，再加上車輛撞擊或惡劣天氣等異常作用，導致設施設備的連接失效，掉落橋面、路面，引發行車、行人安全事故。

典型案例包括濟南市高架滴水檐脫落事故，上海、佛山、寧波等城市均出現過聲屏障掉落引發次生事故的事件。

3 典型外因風險和事故

3.1 超載

車輛荷載是橋梁結構在運營過程中的主要荷載，特別是對中小跨徑橋梁而言。我國橋梁設計規范經過幾次修訂，對車輛荷載的模式和等級進行了更新，反映出我國經濟發展后城市和公路車輛特性的變化，特別是車重的變化。雖然設計荷載不斷提升，但車輛超載仍然是普遍現象。超載重車對橋梁結構運營安全造成嚴重威脅，是橋梁運營期管理監控的主要風險源[7]。

上文提到的很多結構性風險事故，除了結構自身病害外，車輛荷載也是觸發結構最后失效的外因。此外，我國不少地區出現過重車直接壓塌橋梁的事故。例如：2011 年7 月19 日，重達160 t 的貨車將北京寶山寺白河橋壓塌；2013 年2 月10 日，寧夏吳忠市一輛超過100 t 的貨車將橋梁壓塌；2019 年10 月13 日，山東濱州一輛大貨車將限載僅4 t 的危橋壓垮。

3.2 船撞

對于跨越水上航道的橋梁而言，一類典型的運營風險是遭受來自往來船只的撞擊。通過對國內多個橋梁管理部門的走訪發現，航道上跨橋梁遭受船只撞擊的事故時有發生，一般情況下為輕微擦碰，且由于橋下沒有相關的影像記錄，管理單位難以及時發現事故并進行處置，普遍情況是在橋梁養護單位或檢測單位定期巡檢時發現橋側擦碰被動獲知可能的船撞事故[9]。

但是，并非所有事故都是輕微損傷，不少橋梁在船撞后出現整體損壞。例如：2007 年6 月15 日，九江大橋在船只撞擊下，整孔橋梁掉落水面；2020 年7月7 日，江西上饒市一輛采砂船撞擊橋墩，導致橋梁上跨梁體塌落；2021 年1 月5 日，江蘇南通一艘船只撞擊英雄大橋橋墩，導致中跨橋面垮塌。

3.3 車撞

和船撞相類似，車輛撞擊橋梁的事故也是運營過程中橋梁的主要安全風險之一。車輛在橋面上異常行駛，可能導致車輛撞擊橋梁護欄、吊桿、拉索等。對于跨越道路或高架的城市橋梁，車輛異常行駛可能導致車輛撞擊橋墩或者超高車輛撞擊上跨主梁，引發事故。

2003 年3 月24 日，武漢軍山大橋上車輛暴胎失速后撞向護欄，導致橋梁3 根拉索嚴重損傷；2013 年9 月29 日，兩車相撞事故導致天興洲大橋拉索嚴重受損；2019 年5 月18 日，杭州市內某人行天橋被一輛超高平板運輸車撞擊，整個天橋被撞落。

3.4 暴雨洪澇

橋梁運營期遭遇極端暴雨洪澇是結構重大安全風險。水流沖刷橋梁基礎、水面漂浮物撞擊橋梁下部結構及上部結構，可能直接導致橋梁的整體破壞[10]。

典型案例包括：2013 年強臺風“尤特”給廣東地區帶來持續強降雨，全省83 座橋梁損毀；2020 年8月，陜西省商洛市洛南縣在持續暴雨洪澇下，26 座橋梁被水沖毀。

3.5 火災

一般而言，鋼結構對火災的敏感性和易損性比混凝土結構高。高溫下，鋼材的強度和彈性模量將迅速降低。強度降低引發局部承載能力不足，彈性模量降低導致結構局部變形過大，進而導致橋梁構件和體系的失效。因此，火災對鋼橋、索結構橋梁、體外預應力混凝土橋梁的威脅相對較高[8]。

橋梁火災來源一般是兩類：一是橋面車輛自燃、車輛碰撞事故引發火災，或者是危險物品運輸車在橋面發生事故燃燒等；二是橋下空間停放的車輛自燃、堆積的異物燃燒等。

典型的案例包括：2007 年美國舊金山奧克蘭海灣橋引橋因為一輛油罐車起火而發生整體垮塌事故；2020 年7 月29 日，美國亞利桑那州坦佩市一座鋼橋由于橋上列車起火導致橋梁部分垮塌；2021 年10 月2 日，意大利羅馬市一座鋼拱橋起火，導致橋梁部分結構坍塌。

3.6 風雨

大跨度橋梁在風荷載作用下可能產生振動，導致結構損傷。發現這一風險問題的首座橋梁是美國塔科馬大橋，其于1904 年11 月在微風作用下發生持續振動，從而導致橋梁整體垮塌。2020 年5 月5日，虎門大橋發生多次渦振，引發社會高度關注。此外，斜拉橋的拉索也可能在特定的風雨條件下發生振動，從而導致索體結構損傷。

一般情況下，抗風設計是大跨度橋梁設計的專項之一，在現有技術條件下結構抗風安全風險相對較小，可能在一些特定條件下會發生偶然的小幅振動，影響行車舒適性。

4 風險與對策分析

4.1 風險等級劃分

采用風險矩陣法對上述典型城市橋梁運營風險事態進行評估，按照風險事態發生的概率（低、中、高）以及發生的影響程度（低、中、高）進行風險等級劃分。典型結構自身特性風險和主要外因風險的等級劃分結果分別如圖1、圖2 所示。

圖1 典型結構自身特性風險等級

圖2 主要外因風險等級

需要說明的是，上述風險等級劃分僅根據作者所在城市的情況進行，其他地區應根據自身情況進行調整。

4.2 對策分析

針對上述橋梁運營的典型安全風險，城市橋梁管理單位可進行針對性的管控處置。受到經費和現實條件的制約，需要根據難易程度和輕重緩急進行分階段、分層級的風險管控和能力提升。

為在宏觀上給予理論決策支持，采用類似風險矩陣分析方法，構建管理決策矩陣，按照管控措施的經濟成本和社會影響進行對策的實施階段分級，如圖3 所示。

圖3 典型處置措施的實施階段分級

圖3 評估結果結合當地城市橋梁典型運營風險等級表可組合制定橋梁中長期管理策略（短期1 a 左右，中期2～3 a，長期3～5 a）。對于風險等級為高風險或者極高風險的，可將圖3 中評估的策略提前一個階段實施；同理，對于風險等級為低風險或者極低風險的，可將圖3 中評估的處置策略退后一個階段實施。

4.3 中長期管養對策

根據上述對策分析結果，對城市橋梁典型運營風險的中期處置策略進行細化，形成可執行的城市橋梁管理中長期對策。

4.3.1 雙曲拱橋等歷史危舊橋管理

20 世紀60～80 年代建設的雙曲拱橋、圬工拱橋、剛架橋等老舊橋梁，隨著荷載等級提升和結構損傷老化，這些橋梁已難以滿足當前實際運營荷載的需求，存在一定的運營安全風險。這批橋梁結構應進行專項管理。

短期對策：摸排評估，危橋控制。對城市內所有類似橋梁結構進行摸排，對結構狀況不明確的橋梁進行技術狀況檢測評價。將技術狀況等級較差的橋梁進行限載或者停運管控。

中期對策：舊橋更新。開展危舊橋整治規劃，結合城市道路交通發展規劃，更新和替換歷史危舊橋梁；結合橋梁結構的歷史重要性，明確歷史保護橋梁的范圍，對歷史保護橋梁暫不拆除。

長期對策：歷史橋梁保護。開展歷史橋梁數字建模工作，建立數字化橋梁檔案；有條件的情況下建立歷史橋梁博物館，對歷史保護橋梁進行文化宣傳。

4.3.2 風險橋型專項加固

針對第2 節中所述的典型結構性風險，開展橋梁的專項加固補強，根據橋梁建設年代和建設規模，確定典型橋梁事故爆發的可能時間、范圍和影響，并據此制定中長期管養處置策略。

短期對策：重點排查，重點管控。雙曲拱橋、獨柱墩橋梁排查，承載能力鑒定；開展重點索結構橋梁的拉索專項檢測，開展技術狀況等級3 類以上空心板梁橋的風險排查；結合上述檢查結果，設置必要的限行限載標識。

中期對策：監測監控，專項補強。根據管養預算，按照病害的嚴重等級對上述檢查橋梁進行專項加固補強；對技術狀況較差但尚未進行加固的橋梁開展應急監測；對重要加固橋梁開展長期健康監測，對比加固前后的結構狀態。

長期對策：全面提升，動態管養。對研究明確的幾類典型風險橋梁全面進行專項加固補強；對較難加固的橋梁建立健康監測系統，進行實時監控和風險預警[11]；采取彈性動態的養護管理措施，依照結構檢測和健康監測結果，對養護加固計劃進行彈性調整和預防性養護。

4.3.3 重車管控

超載一直是橋梁結構運營安全的威脅，但長期以來車輛超載屢禁不止。在目前的權責體系下，橋梁管理單位的重點工作除了對橋上行車限載噸位提出要求，還可以從監測、監控的角度開展重車管控。

短期對策：被動監管。補充完善橋梁限載標識，主要針對重要橋梁、風險橋梁和技術等級低的橋梁進行，并做好社會宣貫；同時可在重點橋梁橋面補充視頻監控系統，記錄橋面可能發生的重車事件。

中期對策：主動監測。對重要城市快速路和環線的匝道、重點橋梁的主要斷面建立動態稱重系統和視頻抓拍系統，形成重點橋梁和城市重要道路的荷載動態掌控，并及時將超載車輛信息推送給交通執法部門；對重車敏感的橋梁，架設限高裝置，嚴格禁止貨車通行。

長期對策：精細管控。建立車輛荷載的智能動態管理系統，建設與道路信息指示牌、指示燈和報警器等現場電器設施相聯動的超載車輛預警管控系統，并與其他部門聯動，形成完善的“監測—反饋—控制—處罰”流程。

4.3.4 車船撞和火災風險管理

結合智能監控和主動防護措施，對橋梁車船撞擊風險和火災風險進行分階段管控能力提升。

短期對策：針對車船撞，建立重點風險橋梁的視頻監控，做好異常事件的及時識別和信息留檔，為事故處置和追責提供資料；針對橋面和橋下火災，建立巡查機制，對橋下違規搭建和堆放易燃易爆物進行處置。

中期對策：針對車船撞，設置主、被動防撞設施（包括限高龍門架、水中防撞墩柱等）；針對橋面和橋下火災，建立智能化視頻監控識別系統[12]，對橋下異常堆載、橋下橋面風險事態進行識別和預警。

5 研究結論

研究針對城市橋梁的結構特點和運營風險進行分析，并通過風險矩陣和管理決策矩陣，建立了城市橋梁運營期針對典型風險的中長期處置制度，得出如下結論：

（1）典型的城市橋梁結構風險包括空心板鉸縫失效、索結構失效、獨柱墩傾覆、雙曲拱等老舊橋梁垮塌、預應力體系失效等。

（2）典型的城市橋梁外因風險包括超載重車、火災、車船撞、洪澇等。

（3）可通過風險分析和科學決策，建立針對性的中長期處置制度，改善結構專項性能，提高橋梁風險管控能力。