到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁繼續(xù)使用問(wèn)題研究

王玉倩, 馬 瑞, 趙尚傳

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

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到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁繼續(xù)使用問(wèn)題研究

王玉倩, 馬 瑞, 趙尚傳

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

為了指導(dǎo)我國(guó)大量到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁的繼續(xù)使用，采用文獻(xiàn)調(diào)研、規(guī)范比較、數(shù)據(jù)分析的方法對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁繼續(xù)使用的依據(jù)、繼續(xù)使用年限、國(guó)內(nèi)外橋梁實(shí)際使用壽命與壽命終止原因、到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁相關(guān)檢查評(píng)定方法等問(wèn)題開(kāi)展了研究，指出到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后繼續(xù)使用的問(wèn)題包含法律效力、安全性、適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面；我國(guó)橋梁的平均實(shí)際使用年限約為30 a，遠(yuǎn)低于歐美；我國(guó)早期橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中安全度遠(yuǎn)不能滿足中橋、大橋和特大橋使用至設(shè)計(jì)使用壽命；到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后橋梁往往很快達(dá)到五類。

橋梁工程；超期服役橋梁；數(shù)據(jù)分析；繼續(xù)使用問(wèn)題；安全度

0 引言

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[1]對(duì)我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)使用年限給出了明確規(guī)定：小橋/涵洞30～50 a、中橋50～100 a、特大橋/大橋100 a。同時(shí)，截至2014年底，我國(guó)國(guó)省縣道共有20世紀(jì)80年代及以前修建的橋梁70 153座，20世紀(jì)90年代修建的橋梁63 010座，占總數(shù)的34.9%[2]?？梢酝茢?，我國(guó)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將面臨大量到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的小橋可否繼續(xù)使用的問(wèn)題。為了合理使用這些到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的橋梁，本文首先分析了設(shè)計(jì)使用年限確定的依據(jù)或目的，從而判斷繼續(xù)使用已到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的橋梁是否具有法律保障和規(guī)范依據(jù)；然后比較了國(guó)內(nèi)外橋梁實(shí)際使用壽命,對(duì)我國(guó)五類橋[3]數(shù)據(jù)分析，推斷我國(guó)能使用至設(shè)計(jì)使用年限的橋梁的比例；最后對(duì)國(guó)內(nèi)外針對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁的檢查評(píng)定方法進(jìn)行了調(diào)研。

1 到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限繼續(xù)使用依據(jù)的調(diào)研

1.1 設(shè)計(jì)使用年限確定依據(jù)的調(diào)研

美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)(AASHTO) LRFD鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[4]主要基于疲勞考慮，規(guī)定公路鋼橋的設(shè)計(jì)使用年限為75 a。歐洲規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)壽命的要求比較明確，對(duì)多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)的要求為50 a，重要橋梁為100 a[5]。上述這些規(guī)定主要反映了業(yè)主和使用者的愿望(或預(yù)期),對(duì)于100 a以上的設(shè)計(jì)使用壽命，尚沒(méi)有實(shí)際使用壽命數(shù)據(jù)能夠支撐其確定依據(jù)。

《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50153—2008)[6]中定義設(shè)計(jì)使用年限為“設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按預(yù)定目的使用的年限”，并指出，“所列設(shè)計(jì)使用年限是在總結(jié)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的難易程度，以及結(jié)構(gòu)一旦失效所造成的經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)社會(huì)、環(huán)境的影響基礎(chǔ)上確定的，通過(guò)廣泛征求意見(jiàn)得到認(rèn)可?！?/p>

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[7]中對(duì)設(shè)計(jì)使用年限的定義為“在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常養(yǎng)護(hù)條件下，路面、橋涵、隧道結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不需進(jìn)行大修或更換，即可按其預(yù)定目的使用的年限?！薄豆窐蚝ㄓ迷O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD60—2015)[1]沿用了該定義。這兩本規(guī)范指出了“橋梁設(shè)計(jì)使用年限”的適用條件是理想的設(shè)計(jì)、施工、使用和養(yǎng)護(hù)(往往與實(shí)際不同)，這一年限是參照可靠性標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合公路功能、技術(shù)等級(jí)和橋涵重要性等因素確定的。

可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外規(guī)范中并無(wú)確定設(shè)計(jì)使用年限的數(shù)據(jù)依據(jù)，其所列設(shè)計(jì)使用年限往往是專家綜合考慮安全性、耐久性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等確定的。

1.2 到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限繼續(xù)使用依據(jù)的調(diào)研

到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后繼續(xù)使用的依據(jù)，應(yīng)當(dāng)考慮法律效力、安全性、適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面。

(1)法律效力

我國(guó)《建筑法》規(guī)定，“建筑物在其合理使用壽命內(nèi)，必須確保地基基礎(chǔ)工程和主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量”(第60條)，“在建筑物的合理使用壽命內(nèi)，因建筑工程質(zhì)量不合格受到損害的，有權(quán)向責(zé)任者要求賠償”(第80條)。然而，對(duì)于超過(guò)合理使用壽命后發(fā)生的事故，《建筑法》并未明確指出設(shè)計(jì)單位是否免責(zé)。國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)一般根據(jù)事故調(diào)查結(jié)果進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定。2007年美國(guó)運(yùn)營(yíng)了40 a的I-35W橋梁發(fā)生倒塌，在之后的賠償訴訟中，2003年對(duì)該橋做過(guò)疲勞和冗余度分析的URS公司賠償了5 240萬(wàn)美元。盡管節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)厚度過(guò)小是橋梁倒塌的主要原因，且并未到達(dá)橋梁的設(shè)計(jì)使用年限，該橋的設(shè)計(jì)方Jacobs工程公司僅賠償了890萬(wàn)美元[8-9]。可見(jiàn)，一般認(rèn)為，橋梁安全使用的時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)方的責(zé)任就越小。

可靠性標(biāo)準(zhǔn)條文說(shuō)明2.1.5條“本標(biāo)準(zhǔn)首次將這一術(shù)語(yǔ)推廣到各類工程結(jié)構(gòu)，并規(guī)定工程結(jié)構(gòu)在超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限后，應(yīng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，采取相應(yīng)措施，并重新界定其使用年限?！睋?jù)此可認(rèn)為，若超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限后未進(jìn)行可靠性評(píng)估，則橋梁運(yùn)營(yíng)方負(fù)主要責(zé)任；若經(jīng)評(píng)估單位評(píng)估通過(guò)后仍發(fā)生事故，則評(píng)估單位需負(fù)相當(dāng)大的責(zé)任。

(2)安全性、適用性和耐久性

可靠性標(biāo)準(zhǔn)指出，“在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，橋涵主體結(jié)構(gòu)在正常施工和使用條件下，必須完成預(yù)定的安全性、耐久性和適用性功能的要求?！笨芍Y(jié)構(gòu)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后，預(yù)定的安全性、耐久性和適用性可能因結(jié)構(gòu)退化而不滿足要求。

(3)經(jīng)濟(jì)性方面

可靠性標(biāo)準(zhǔn)以大修作為設(shè)計(jì)使用年限的終結(jié)有對(duì)于其經(jīng)濟(jì)性方面的考慮。通常橋梁工程一旦大修，繼續(xù)使用的經(jīng)濟(jì)性將越來(lái)越差，最終維修將不如重建更為經(jīng)濟(jì)。

2 我國(guó)橋梁實(shí)際和繼續(xù)使用年限分析

根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)[3]的養(yǎng)護(hù)對(duì)策，橋梁到達(dá)五類時(shí)“需要進(jìn)行改建或重建，及時(shí)關(guān)閉交通”，以到達(dá)五類作為橋梁實(shí)際使用壽命的終結(jié)。根據(jù)2011年危橋改造管理中各省市區(qū)上報(bào)的9 746座五類橋(其中有確切建設(shè)年代的7 875座)的相關(guān)信息，進(jìn)行了我國(guó)不同橋型、規(guī)模的橋梁實(shí)際使用年限、到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁的繼續(xù)使用年限分析。這7 875座橋梁建設(shè)年代的95%置信區(qū)間是1958—2002年，平均值和眾數(shù)均為1980年。

2.1 不同橋型、規(guī)模的橋梁實(shí)際使用年限分析

對(duì)這7 875座五類橋的壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得其實(shí)際平均使用年限為30.23 a，根方差為11.68,近似服從Weibull分布。其頻數(shù)圖的擬合情況見(jiàn)圖1。

各類橋型的平均實(shí)際使用年限均為30 a左右，部分橋型或因樣本過(guò)少而平均使用年限較低，常見(jiàn)橋型的實(shí)際使用年限見(jiàn)表1。

圖1 7 875座五類橋?qū)嶋H使用年限的概率密度擬合曲線Fig.1 Probability density fitting curve of actual servicelives of 7 875 Class 5 bridges

表1 常見(jiàn)橋型實(shí)際使用年限Tab.1 Actual service lives of common bridge types

我國(guó)不同規(guī)模橋梁的實(shí)際使用年限統(tǒng)計(jì)如表2所示。2011年只有1座特大型橋梁被改造，數(shù)據(jù)不足以說(shuō)明特大型橋梁的真實(shí)使用年限。

表2 不同規(guī)模橋梁的實(shí)際使用年限Tab.2 Actual service lives of different bridge scales

進(jìn)行相關(guān)性分析知，這些橋梁的實(shí)際使用年限與結(jié)構(gòu)形式或橋梁規(guī)模均無(wú)明顯相關(guān)性，說(shuō)明我國(guó)早期橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的安全度遠(yuǎn)不能滿足中橋、大橋和特大橋的使用需求，這與近30 a實(shí)際通行荷載遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。

2.2 到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁的繼續(xù)使用年限分析

根據(jù)這7 875座五類橋的相關(guān)信息，有47.0%的小橋和4.3%的中橋服役超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限。取到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限之后的橋梁進(jìn)行分析，得到在到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后，小橋和中橋的繼續(xù)使用年限如表3所示，其頻數(shù)直方圖分別如圖2、圖3所示。

表3 小橋和中橋的繼續(xù)使用年限Tab.3 Extended lives of small and medium bridges

圖2 905座到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限小橋的繼續(xù)使用年限頻數(shù)圖Fig.2 Frequency graph of extended lives of 905 smallbridges over design service lives

圖3 214座到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限中橋的繼續(xù)使用年限頻數(shù)圖Fig.3 Frequency graph of extended lives of 213 mediumbridges over design service lives

這些已到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的橋梁中，有13.6%的小橋繼續(xù)使用1年即到達(dá)五類，61.2%的中橋繼續(xù)使用1 a即到達(dá)五類。可見(jiàn)，到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后，橋梁往往很快就達(dá)到五類，需要重點(diǎn)關(guān)注。

3 國(guó)內(nèi)外橋梁實(shí)際使用年限與壽命終止原因分析

通過(guò)國(guó)外文獻(xiàn)調(diào)研以及對(duì)2011年危橋改造管理中上報(bào)的7 875座橋梁的實(shí)際使用年限進(jìn)行分析，得到各國(guó)橋梁實(shí)際使用年限與壽命終止原因見(jiàn)表4。

表4 各國(guó)橋梁實(shí)際使用年限與壽命終止原因調(diào)研表

Tab.4 Investigation of actual service lives and reasons of life termination for bridges at home and abroad

國(guó)家美國(guó)[10]荷蘭[11]瑞典[12]我國(guó)樣本量/座327829791797875設(shè)計(jì)使用年限/a7550，100(重要橋梁)50，100(重要橋梁)小橋30～50，中橋50～100，大橋/特大橋100實(shí)際使用年限/a66～1024168(老化)，45(新的道路規(guī)劃)30.23壽命終止原因—主要是功能更換或是經(jīng)濟(jì)性的要求老化(72%)，新的道路規(guī)劃(28%)技術(shù)狀況被評(píng)為五類

我國(guó)橋梁的平均實(shí)際壽命遠(yuǎn)低于荷蘭、瑞典和美國(guó)，小橋的設(shè)計(jì)使用年限亦低。荷蘭橋梁改造或廢棄的原因主要是適用性和經(jīng)濟(jì)性的不足，而瑞典橋梁拆除的主要原因是橋梁老化導(dǎo)致的承載力不足。我國(guó)以橋梁技術(shù)狀況到達(dá)五類作為壽命終結(jié)準(zhǔn)則，主要關(guān)注了結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)適用性和經(jīng)濟(jì)性則考慮較少。

4 到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁檢查評(píng)定方法調(diào)研

國(guó)內(nèi)外規(guī)范中，并無(wú)針對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后的橋梁檢查、橋梁評(píng)定等的特殊條文。本文重點(diǎn)調(diào)研了美國(guó)《國(guó)家橋梁檢查規(guī)范》(NBIS)[13]和《AASHTO 橋梁構(gòu)件檢查指南》[14]、英國(guó)《公路結(jié)構(gòu)檢查規(guī)范》(BD 63/07)[15]、我國(guó)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)[3]和《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)[16]，比較了各國(guó)規(guī)范中對(duì)老齡橋梁的檢查評(píng)定。

在橋梁檢查方面，美國(guó)《國(guó)家橋梁檢查規(guī)范》[13]規(guī)定：“橋梁的檢測(cè)周期不應(yīng)超過(guò)24個(gè)月?！承蛄旱臋z測(cè)周期應(yīng)小于24個(gè)月。應(yīng)考慮橋齡、車輛荷載特征和已知缺陷來(lái)制訂橋梁的檢測(cè)水平和周期”，即老齡橋梁可適當(dāng)縮短檢測(cè)周期，提高檢測(cè)水平。我國(guó)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》[3]規(guī)定：“周期性荷載試驗(yàn)一般為在使用20 a后，每隔10～15 a進(jìn)行一次”，即對(duì)橋齡較高的橋梁，無(wú)論其技術(shù)狀況如何，都應(yīng)定期進(jìn)行周期性荷載試驗(yàn)。英國(guó)《公路結(jié)構(gòu)檢查規(guī)范》[15]沒(méi)有針對(duì)橋齡的特殊檢查要求。

在橋梁評(píng)定方面，英國(guó)《公路結(jié)構(gòu)檢查規(guī)范》[15]規(guī)定，橋梁總體狀態(tài)評(píng)定時(shí)，不應(yīng)當(dāng)考慮橋齡等因素。美國(guó)《國(guó)家橋梁檢查規(guī)范》[13]《AASHTO 橋梁構(gòu)件檢查指南》[14]和我國(guó)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》[3]和《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[16]在橋梁評(píng)定方面均沒(méi)有針對(duì)橋齡做出額外規(guī)定。

可靠性標(biāo)準(zhǔn)附錄G.1.2規(guī)定，結(jié)構(gòu)的使用時(shí)間超過(guò)規(guī)定的年限，宜對(duì)既有結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評(píng)定，分為安全性評(píng)定、適用性評(píng)定和耐久性評(píng)定，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行抗災(zāi)能力評(píng)定。這一規(guī)定對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁繼續(xù)使用的評(píng)估指定了內(nèi)容。

國(guó)外規(guī)范中未對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁的檢查評(píng)定進(jìn)行特殊規(guī)定，但必須注意到，國(guó)外橋梁的設(shè)計(jì)使用年限和實(shí)際使用年限均大于我國(guó)(見(jiàn)表4)。根據(jù)本文2.2節(jié)，一方面到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的橋梁數(shù)量很多，有些橋梁甚至能使用到兩倍于設(shè)計(jì)使用年限的壽命；另一方面到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的橋梁劣化很快。因此，對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的橋梁進(jìn)行全面、系統(tǒng)的檢查評(píng)估，尤為必要。

5 結(jié)論

本文采用文獻(xiàn)調(diào)研、規(guī)范比較、數(shù)據(jù)分析的方法對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁繼續(xù)使用的依據(jù)、橋梁壽命終止原因、繼續(xù)使用年限、相關(guān)檢查評(píng)定方法開(kāi)展了研究，得到以下結(jié)論：

(1)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后繼續(xù)使用，存在設(shè)計(jì)單位法律責(zé)任的減輕和評(píng)估單位法律責(zé)任的加重，安全性、適用性和耐久性的保證率降低和經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越差幾個(gè)方面的變化。

(2)我國(guó)早期橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中安全度遠(yuǎn)不能滿足中橋、大橋和特大橋使用至設(shè)計(jì)使用壽命。在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的橋梁大多為20世紀(jì)80—90年代建成的小橋。

(3)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后，橋梁往往很快達(dá)到五類，需要重點(diǎn)關(guān)注。

(4)我國(guó)橋梁的平均實(shí)際使用年限約為30 a，遠(yuǎn)低于荷蘭、瑞典和美國(guó)，小橋的設(shè)計(jì)使用年限亦低。不同于荷蘭和瑞典對(duì)適用性的重視，我國(guó)橋梁壽命終結(jié)的原因是橋梁到達(dá)五類，主要考慮安全性不足。

(5)國(guó)內(nèi)外規(guī)范中并無(wú)針對(duì)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限后的橋梁檢查、橋梁評(píng)定等的特殊條文。我國(guó)可靠性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限橋梁繼續(xù)使用的主要評(píng)估內(nèi)容，但具體的評(píng)估方法還需進(jìn)一步研究。

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[10]周履. 美國(guó)各類公路橋梁的結(jié)構(gòu)缺陷率及使用壽命期望值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(1950～1994)[J]. 國(guó)外橋梁，1999(3):37. ZHOU Lü. Statistical Data of Structure Defect Rate and Expected Value of Service Life for All Kinds of Highway Bridges in America (1950-1994)[J]. Foreign Bridges, 1999(3):37.

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[14]AASHTO MBE—2011, Guide Manual for Bridge Element Inspection [S].

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Study on Extended Service Problem of Bridges over Design Service Life

WANG Yu-qian, MA Rui, ZHAO Shang-chuan

(Research Institute of Highway,Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

In order to guide the extended service of a large amount of bridges over design service life in China, the basis of extended service, actual extended life for bridge over design service life, actual service life and reason of life termination at home and abroad, as well as related inspection and evaluation methods for bridges over design service life are studied by literature investigation, code comparison and data analysis. It is pointed out that extended service of bridges over design service life involves several aspects such as legal effect, safety, applicability, durability and economy. The average actual service life of bridges in China is about 30 years, far below those in Europe and America. The safety degree in early bridge design specifications cannot ensure that the medium bridges, large bridges and grand bridges can be safely used in design service life. The bridges over design service lives often become Class 5 bridges in a few years.

bridge engineering; problem of extended service; data analysis; bridge over design service life; safety degree

2016-03-01

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(2013318223040；2015318J30050)

王玉倩(1984-)，女，陜西戶縣人，副研究員.(starrybluewong@gmail.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.015

U446.3

A

1002-0268(2016)11-0099-05