橋梁倒塌事故問題分析

蔡唐濤，賈彥武

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710065)

0 引 言

橋梁工程作為跨越地形的特殊建造工程，極大地提升了社會經(jīng)濟的發(fā)展速度，推動了社會經(jīng)濟文化的交流。截止2017年底，全國已建或在建公路橋梁達76.37萬座，總里程達3 865.23萬m[1-3]。橋梁工程上部連接著不同的公路樞紐，下部承接著不同的水運樞紐，儼然成為公路交通行業(yè)連接不同地理位置的重要咽喉，在交通行業(yè)中的地位顯得至關(guān)重要。

在橋梁設(shè)計、施工、運營過程中，常常由于種種的原因，致使其使用壽命達不到設(shè)計壽命。如地震、洪水、船撞的沖擊，汽車、側(cè)風(fēng)的周期性荷載，暴雨、雨雪、泥石流的沖刷都會嚴(yán)重侵蝕橋梁，再加上設(shè)計、施工以及運營過程中的相關(guān)問題都極大地影響著橋梁的質(zhì)量，不同程度地造成了經(jīng)濟損失和人員傷亡[4-5]。采用科學(xué)合理的解決方案減少相應(yīng)的損失、避免橋梁事故已經(jīng)成為現(xiàn)代工程研究中的重要問題。然而截止目前，有關(guān)橋梁事故、橋梁坍塌問題的研究報告較少，尚缺乏系統(tǒng)的分析研究，現(xiàn)存的研究對象多停留在材料、施工工藝、施工方法以及橋梁結(jié)構(gòu)等方面，因此有必要對橋梁倒塌事故進行深入的分析研究，為相應(yīng)的理論研究和施工提供經(jīng)驗。

1 橋梁事故綜述

橋梁事故是指橋梁工程在施工以及運營中所發(fā)生的事故，可能由于設(shè)計、施工、運營等人為因素以及自然因素等非人為因素導(dǎo)致包括橋梁裂縫和橋梁坍塌，這些都將直接或間接導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞、人員傷亡和機具傾覆等結(jié)果，造成較大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

圖1統(tǒng)計了1950～2016年間導(dǎo)致橋梁事故的各類原因以及其數(shù)量；圖2統(tǒng)計了1950～2016年間橋梁事故的發(fā)生數(shù)量隨時間的分布。圖1顯示，地震因素誘導(dǎo)的橋梁事故最多，占到了橋梁事故總數(shù)的1/5，其次是人為因素如設(shè)計錯誤、施工失誤、船撞以及洪水沖刷等。由圖2可知，橋梁坍塌事故的發(fā)生一直呈上升趨勢，從1950年開始一直遞增(1970～1979年間的橋梁坍塌事故大幅度增加與該區(qū)間內(nèi)的海地地震、唐山地震有關(guān))。2000～2016年間的橋梁事故與1950年前幾十年間總的橋梁倒塌事故大體相等。

2 事故統(tǒng)計

2.1 事故統(tǒng)計

對2000～2009年間的12座橋梁事故進行分析，結(jié)果見表1。

分析上述統(tǒng)計結(jié)果可知，引起橋梁倒塌事故的主要原因包括設(shè)計失誤、施工問題、管理及維護原因(超載、船只碰撞)、加固拆除不合理、自然原因(洪水、地震)及其他原因。其中自然原因及人為超載原因是釀成橋梁事故的主要問題，占據(jù)的比例將近一半[6-10]。

表1 2000～2009年間橋梁事故的統(tǒng)計分析結(jié)果

圖1 塌橋事故數(shù)量分布

圖2 塌橋事故數(shù)量隨時間分布

2.2 事故的影響

橋梁事故根據(jù)破損的大小分為部分破壞和完全破壞，部分破壞的橋梁可以進行修復(fù)，而完全破壞的橋梁需要拆除重建。一般情況下，橋梁修復(fù)的難度大于橋梁建造，且修復(fù)后的橋梁結(jié)構(gòu)難以達到橋梁理論設(shè)計的結(jié)構(gòu)強度[11-13]。

橋梁倒塌事故會造成較大的社會影響，比如經(jīng)濟損失和人員傷亡；影響正常的生活秩序；耗費人力，耽誤工期。

3 橋梁倒塌事故原因分析

3.1 設(shè)計原因

設(shè)計是橋梁建造的首要環(huán)節(jié)，合理的設(shè)計才能保證后續(xù)橋梁施工運營的安全。由于設(shè)計問題導(dǎo)致橋梁事故的主要原因有：結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、計算有誤、工藝不成熟以及新材料未加論證就應(yīng)用等問題，這些都將成為橋梁后期倒塌事故的隱患[14]。目前已經(jīng)發(fā)生的由于設(shè)計問題導(dǎo)致的橋梁事故多是因中承式拱橋吊桿斷裂而造成的，例如武夷公館大橋近橋臺段豎向吊桿的破壞以及新疆庫爾勒市孔雀河大橋、四川宜賓長江大橋的吊桿破壞等。

如圖3所示，橋面受力拉動吊桿，再傳到主拱，該力最終將由拱座壓至大地。因此，假如吊桿的強度由于種種原因(例如汽車或其他沖擊荷載使得吊桿護筒的砂漿斷裂，吊桿暴露在外受腐蝕破壞)不滿足要求而發(fā)生斷裂，將引起橋梁的破壞。

圖3 中承式系桿拱橋吊桿破裂

3.2 施工原因

施工過程是橋梁建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工中的失誤是整個橋梁建造過程中最容易引起橋梁倒塌事故的。這個環(huán)節(jié)的失誤主要包括工藝不合理、設(shè)備不匹配以及施工人員的失誤。施工過程中，由于非法外包、偷工減料、盲目追趕工期等原因?qū)е率┕べ|(zhì)量差的橋梁工程，特別是在一些隱蔽性工程中表現(xiàn)的尤為嚴(yán)重[15]。

2006年的同安灣大橋垮塌事故就是一起因為施工失誤導(dǎo)致的在建橋梁工程倒塌的例子(圖4)。該倒塌事故發(fā)生的直接原因是由于澆注混凝土?xí)r滿堂支架失穩(wěn)。究其原因是：施工方案存在問題；支架體系本身存在較大隱患；現(xiàn)場的管理體制不到位。因此，倒塌事故往往不是單方面的失誤，而是伴隨著多方的疏漏而導(dǎo)致的結(jié)果。

3.3 管理及維護原因

管理及維護原因事故是指在后期使用階段，由于管理單位對橋梁的管理、檢測、維護工作不到位而引發(fā)的橋梁事故。該管理范圍涉及日常監(jiān)測、鋼索的抗腐蝕、橋面的裂縫、汽車的超載限制、船舶的高度限制等。

橋梁自交付使用開始，由于車輛的反復(fù)荷載、陽光雨水的作用，使橋梁材料逐步開始老化。如果不及時監(jiān)測修復(fù)，將會危及橋梁的安全。另一方面，由于不規(guī)范的作業(yè)，橋梁基礎(chǔ)的承載力也會受損，致使橋梁破壞。例如，2005年，黑龍江省亞布力鎮(zhèn)由于長期不斷的挖沙，導(dǎo)致河床變深、基礎(chǔ)承載力變小，最終導(dǎo)致興安橋突然倒塌。

3.4 加固拆除不合理

加固拆除是在現(xiàn)有橋梁的基礎(chǔ)之上進行改建，以重新滿足交通需求。不合理的橋梁加固拆除也會導(dǎo)致橋梁破壞。例如2001年長沙撈刀河鎮(zhèn)在進行橋梁改建過程中，由于工人切斷了橫梁導(dǎo)致橋體倒塌；再如2009年湖南株洲紅旗路高架橋在施工過程中倒塌，原因是由于在未安裝保護措施時，工人在橋墩上打眼，導(dǎo)致橋梁震動、橋體中心偏移，致使橋墩倒塌。

3.5 自然原因

自然災(zāi)害強烈的影響著橋梁的穩(wěn)定與安全，在所有因素中，地震是影響橋梁穩(wěn)定最主要的因素。地震易使得橋梁的上下結(jié)構(gòu)連接件失效，受力難以穩(wěn)定的傳遞，落梁強大的沖擊力易導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)被破壞。2008年，汶川地震中，共有6 130座橋梁被破壞。其中，由于地震導(dǎo)致的強破壞橋梁達到該區(qū)域橋梁數(shù)的6.2%，自然原因已經(jīng)成為影響橋梁安全的最大因素。

3.6 其他原因

除了上述主要原因，還有其他一些次要原因，也可稱為偶然因素，包括橋梁共振、臺風(fēng)傾倒、汽車撞擊、人為破壞等。這些原因，都將對橋梁的穩(wěn)定安全造成一定的影響。

4 預(yù)防橋梁倒塌的對策

橋梁工程作為跨越地形的特殊建造工程，由于材料強度離散、外載荷不均勻、結(jié)構(gòu)計算近似等因素使得其安全性是一個不確定值。目前中國投入使用的路用橋梁多在40年以內(nèi)，且多存在一定的病害，如何避免橋梁災(zāi)害發(fā)生是一項值得研究的課題。

4.1 深化科學(xué)研究

深化科學(xué)研究可以從源頭上解決橋梁倒塌的問題，其中包括新材料、新工藝、新技術(shù)、新管理的深化研究。例如，國內(nèi)開始采用環(huán)氧涂層和熱鍍鋅鋁的方法來提高橋梁拉桿的抗腐蝕性，防止中承式拱橋上的吊桿傳力構(gòu)件以及其他剛結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于腐蝕斷裂而引起橋的坍塌。

另一方面，橋梁規(guī)范的制定也需要與時俱進?；诶碚摶A(chǔ)與實際經(jīng)驗，將新的理念、新的設(shè)計、新的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于新的橋梁規(guī)范之中。

4.2 加大維護管理

橋梁的維護管理是穩(wěn)定橋梁結(jié)構(gòu)、防止橋梁破壞的主要階段。目前中國的橋梁工程重建輕養(yǎng)，所有的已建橋梁幾乎都沒有完整的自我檢測、自我修復(fù)系統(tǒng)。為了能隨時監(jiān)控橋梁狀況，應(yīng)該進行周期性系統(tǒng)的橋梁檢測任務(wù)，人車密集的地方應(yīng)該加強檢測，一旦發(fā)現(xiàn)問題，立即停運修復(fù)。除此之外，還要加強公路交通的安全管理，防止超載行車、違規(guī)行車；避免車輛撞橋、船舶撞橋情況的發(fā)生。

4.3 完善安全體系

完善橋梁施工安全體系能夠大范圍提高橋梁的施工質(zhì)量，是保證橋梁后期安全的關(guān)鍵。工程施工人員的理論水平一般較低，缺乏基本的橋梁安全控制理念。因此，應(yīng)當(dāng)建立健全安全施工體系。具體可從以下幾個方面展開：提高安全意識，強化安全施工觀念；選擇安全的施工工序和方法；不偷工減料，保證材料質(zhì)量；橋梁修復(fù)前，應(yīng)掌握較全的設(shè)計資料等。

4.4 建立評估體系

風(fēng)險評估體系可以隨時明確地反映橋梁的工程質(zhì)量，對橋梁的結(jié)構(gòu)安全隨時監(jiān)測。以往的橋梁評估體系較為單一，僅僅對某一項或某一類指標(biāo)進行評估，缺乏系統(tǒng)性，科學(xué)的風(fēng)險評估應(yīng)該逐步過渡到整個系統(tǒng)中來，應(yīng)當(dāng)對橋梁結(jié)構(gòu)的評估涉及到從規(guī)劃、涉及到施工、運營的整個方面。風(fēng)險評估應(yīng)當(dāng)有緊有松，對較老橋、危橋重點監(jiān)測，嚴(yán)格把關(guān)，力求防患于未然。

5 結(jié) 語

橋梁工程作為跨越地形的特殊建造工程極大地提升了社會經(jīng)濟的發(fā)展，推動了文化的交流，為經(jīng)濟建設(shè)做了了貢獻。但是由于設(shè)計不合理、施工失誤、管理維護不當(dāng)、加固拆除不合理、自然因素等使其存在巨大的不穩(wěn)定因素。一座橋梁的倒塌并不只是上述一個因素的結(jié)果，而是上述多重因素共同作用的結(jié)果，因此，應(yīng)當(dāng)從以下方面進行改善。

(1)避免橋梁超載、船舶撞橋，加強交通管理。超載是除施工外，引起橋梁失穩(wěn)最大的人為因素，因此應(yīng)當(dāng)限制汽車荷載。

(2)外部因素為誘發(fā)橋梁事故的主要原因，應(yīng)當(dāng)加強橋梁工程的安全管理工作。建立從設(shè)計、施工、運營到監(jiān)測全周期的橋梁工程安全管理工作，保證全周期內(nèi)橋梁工程的順利進行。

(3)制定完善的管理及維護系統(tǒng)，加強危橋、大橋的實時監(jiān)控。應(yīng)當(dāng)完善橋梁的隨時監(jiān)測和及時修復(fù)功能，真正的實現(xiàn)橋梁工程的“重養(yǎng)重建”工作，從后期維護上保證橋梁運行的有序進行。

(4)加強橋梁施工的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化管理。標(biāo)準(zhǔn)化包括工藝標(biāo)準(zhǔn)化、材料標(biāo)準(zhǔn)化以及理論的標(biāo)準(zhǔn)化。要及時更新規(guī)范，與新技術(shù)與時俱進，避免由于規(guī)范的不同而導(dǎo)致的橋梁倒塌事故。

(5)橋梁設(shè)計過程中，適當(dāng)加大結(jié)構(gòu)強度的安全儲備。將偶然因素，例如地震、洪水的安全系數(shù)適當(dāng)增強，增強橋梁工程應(yīng)對自然災(zāi)害的能力。

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