在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)快速綜合評(píng)估

朱森林 章世祥 曹廷

（1、華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210096 2、江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210096）

近年來(lái)，隨著中國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，大跨度、超大跨度以及超大規(guī)?？绾！⒖缃髽蛳嗬^建成，截止2018 年底，中國(guó)公路橋梁已達(dá)85.15 萬(wàn)座。頻繁的交通運(yùn)輸活動(dòng)和復(fù)雜的橋域環(huán)境使得部分橋梁安全隱患逐漸顯露出來(lái)。2019 年1 月10 日廣深高速東洲河大橋船舶撞擊、2019 年5 月18 日杭州人行橋倒塌、2019 年10 月1 日的臺(tái)灣宜蘭大橋垮塌、2019 年10 月10 日無(wú)錫312 國(guó)道高架橋側(cè)翻等大量事故引起社會(huì)對(duì)橋梁安全的極大關(guān)注。

橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中始終是一個(gè)大型復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全的因素包括結(jié)構(gòu)本身缺陷和外部作用。外部作用包括碰撞、超載、洪災(zāi)、沖刷、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、地震、施工不當(dāng)、管養(yǎng)不到位等。相對(duì)而言，結(jié)構(gòu)本身的退化可認(rèn)為是緩慢的、長(zhǎng)期的，而外部作用則種類多、突發(fā)性強(qiáng)。而在所有事故中人為偶然因素（碰撞、超載、火災(zāi)、施工不當(dāng)?shù)龋┌l(fā)生的可能性更大，約占橋梁總事故的52%以上[1]。相比地震、洪災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等天然災(zāi)害而言，預(yù)防人為偶然因素導(dǎo)致災(zāi)害的可控性更強(qiáng)。因此很有必要開展在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

當(dāng)前，不少學(xué)者針對(duì)橋梁偶然因素開展了橋梁安全分析。如Fu CC[2]、施有志[3]、王娟[4]等開展車輛撞擊的受力分析；林鐵良[5]、鄧江濤[6]等開展船舶與橋墩撞擊的分析；王祥[7]等開展橋梁火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析；Zhang Xiangqun[8]等開展深厚覆蓋層橋梁基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。這些研究主要采用理論計(jì)算、有限元模擬等方法，不適宜大量橋梁在實(shí)際中的快速評(píng)估，且實(shí)際橋梁常為多個(gè)偶然因素共同作用，無(wú)法用單一指標(biāo)評(píng)價(jià)。因此，本文開展在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)快速綜合評(píng)估。

1 指標(biāo)確定

為了對(duì)影響在役橋梁安全的人為偶然因素進(jìn)行深入分析，首先開展橋梁事故安全調(diào)查。根據(jù)文獻(xiàn)[9-12]收集了國(guó)內(nèi)外304起橋梁運(yùn)營(yíng)期間的人為安全事故，每類事故發(fā)生次數(shù)如圖1 所示。

圖1 橋梁人為偶然因素事故原因調(diào)查統(tǒng)計(jì)

由圖可見，車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災(zāi)這些事故發(fā)生次數(shù)較大，分別約占34%、22%、25%、8%。從受力來(lái)看，橋梁結(jié)構(gòu)自身的承載能力及技術(shù)狀況均能滿足設(shè)計(jì)時(shí)的正常使用要求，但是在這些偶然荷載下，其荷載作用常超出了設(shè)計(jì)規(guī)定荷載，導(dǎo)致橋梁毀壞。因此，考慮事故發(fā)生的頻率和發(fā)生后的后果，確定影響在役橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)的人為偶然因素指標(biāo)為：車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災(zāi)。

2 指標(biāo)評(píng)估

通過(guò)分析公路橋梁技術(shù)特點(diǎn)、事故致因理論以及大量工程實(shí)際調(diào)研，系統(tǒng)梳理可能影響橋梁安全的風(fēng)險(xiǎn)因素，綜合考慮評(píng)估指標(biāo)的全面性、關(guān)鍵性、一致性和易檢性，提出了從“事故發(fā)生的可能性”和“結(jié)構(gòu)抵抗災(zāi)害的能力”兩個(gè)方面進(jìn)行在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的評(píng)估。評(píng)估時(shí)，各指標(biāo)采用“1～5 級(jí)”標(biāo)度，其中標(biāo)度“1”表示安全風(fēng)險(xiǎn)最低，標(biāo)度“5”表示安全風(fēng)險(xiǎn)最高。

2.1 車輛撞擊

2.1.1 評(píng)估指標(biāo)

車輛撞擊的評(píng)估分為車撞主梁評(píng)估與車撞橋墩評(píng)估，具體如圖2 所示。

圖2 車輛撞擊評(píng)估指標(biāo)

2.1.2 評(píng)估內(nèi)容和方法

2.1.2.1 車撞主梁評(píng)估

（1）交通事故嚴(yán)重性評(píng)估

交通事故嚴(yán)重程度較高的評(píng)估方法采用“提升公路橋梁安全防護(hù)能力專項(xiàng)行動(dòng)技術(shù)指南”[13]中的規(guī)定要求。即近三年內(nèi)車輛碰撞交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，具有下列情形之一時(shí)，作為交通事故嚴(yán)重程度較高的判別條件：近三年內(nèi)發(fā)生3 起及以上，或1 起死亡3 人及以上的車輛墜橋事故；近三年內(nèi)發(fā)生3 起及以上，或1 起死亡3 人及以上車輛穿越中央分隔帶護(hù)欄或隔離設(shè)施的事故。

（2）跨越道路等級(jí)評(píng)估

對(duì)于跨線橋，當(dāng)跨越道路等級(jí)為高速公路、一級(jí)公路、鐵路時(shí)可判斷為跨越道路等級(jí)較高。

（3）橋下凈空評(píng)估

跨線橋的主梁易于被超高超限車輛撞擊，應(yīng)該測(cè)量橋下通行道路最小凈高與凈寬，并與設(shè)計(jì)凈空比較判斷其是否滿足要求。橋下凈空的具體參數(shù)要求參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）中3.6.1 和9.2 條。

（4）大型車比例評(píng)估

大型車比例評(píng)估主要考慮大型車比例是否較高，其較高的判別條件參考文獻(xiàn)[13]確定。

（5）主梁防車撞設(shè)施評(píng)估

根據(jù)《公路橋梁抗撞防撞設(shè)計(jì)指南》（送審稿）規(guī)定，當(dāng)橋梁主梁防撞的標(biāo)志、標(biāo)線、警示設(shè)施、強(qiáng)制減速設(shè)施和監(jiān)控設(shè)施滿足指南中不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)橋梁的規(guī)定時(shí)，可認(rèn)為橋梁主梁防車撞設(shè)施滿足要求。

2.1.2.2 車撞橋墩評(píng)估

（1）交通事故嚴(yán)重性評(píng)估

交通事故嚴(yán)重程度較高的評(píng)估方法與“2.1.3.1”節(jié)相同。

（2）跨越道路等級(jí)評(píng)估

對(duì)于跨線橋，應(yīng)實(shí)地調(diào)研并結(jié)合有關(guān)資料判斷跨越道路等級(jí)。

（3）大型車比例評(píng)估

大型車比例評(píng)估主要考慮大型車比例是否較高，其較高的判別條件與“2.1.3.1”相同。

（4）橋墩及防撞構(gòu)造措施評(píng)估

跨線橋梁的橋墩類型、布置位置以及防撞構(gòu)造措施對(duì)車撞橋墩損傷影響很大?？缇€橋梁的橋墩類型可分為重力式橋墩和輕型橋墩，橋墩布置位置可分為路中央和路兩側(cè)。橋墩防撞構(gòu)造措施，包括不同防護(hù)等級(jí)橋梁的橋墩防撞護(hù)欄、標(biāo)志及標(biāo)線等，其具體要求參見《公路橋梁抗撞防撞設(shè)計(jì)指南》（送審稿）[14]。當(dāng)橋墩為位于路中央的輕型橋墩，且沒有防撞構(gòu)造措施時(shí)，認(rèn)為橋墩抗撞性能較低，其余為橋墩抗撞性能較高。

2.1.3 評(píng)估等級(jí)劃分

對(duì)于跨線橋梁，車輛撞擊指標(biāo)的評(píng)估綜合考慮了車撞主梁評(píng)估和車撞橋墩評(píng)估兩個(gè)方面，每個(gè)方面各分為五個(gè)標(biāo)度，綜合評(píng)估標(biāo)度取兩方面評(píng)估標(biāo)度中的較大值。

2.1.3.1 車撞主梁評(píng)估的標(biāo)度劃分如表1 所示。

表1 車撞主梁評(píng)估

2.1.3.2 車撞橋墩評(píng)估的標(biāo)度劃分如表2 所示。

表2 車撞橋墩評(píng)估

2.2 船舶撞擊

2.2.1 評(píng)估指標(biāo)

船舶撞擊評(píng)估指標(biāo)有：船撞事故嚴(yán)重性、航道等級(jí)、橋梁凈高凈寬和橋梁抗撞性能，如圖3 所示。

圖3 船舶撞擊評(píng)估指標(biāo)

2.2.2 評(píng)估內(nèi)容和方法

2.2.2.1 船撞事故嚴(yán)重性評(píng)估

根據(jù)資料收集與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查階段獲取的近三年內(nèi)與碰撞橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，作為交通事故嚴(yán)重程度較高的判別條件：近三年內(nèi)發(fā)生3 起及以上或1 起死亡3 人及以上受傷的船舶碰撞橋梁結(jié)構(gòu)事故。

2.2.2.2 通航等級(jí)評(píng)估

將《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）中航道等級(jí)1-3 級(jí)設(shè)為本指南的通航等級(jí)較高；將航道等級(jí)4-7 級(jí)設(shè)為本指南的通航等級(jí)較低。

2.2.2.3 橋梁凈高凈寬評(píng)估

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014），橋梁凈高凈寬應(yīng)滿足下列要求。

2.2.2.4 結(jié)構(gòu)抗船撞性能

橋梁抗防撞性能評(píng)估時(shí)，首先，確定橋梁的重要性等級(jí)和設(shè)防船撞作用水準(zhǔn)的等級(jí)，根據(jù)兩者確定橋梁抗撞防撞性能目標(biāo)；其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)總體性能和部分構(gòu)件性能確定橋梁的抗撞防撞性能等級(jí)；最后，比較橋梁的抗撞防撞性能等級(jí)是否達(dá)到橋梁抗撞防撞性能目標(biāo)。當(dāng)滿足《公路橋梁抗撞防撞設(shè)計(jì)指南》要求時(shí)，則橋梁結(jié)構(gòu)抗撞性能滿足要求。

2.2.3 評(píng)估等級(jí)劃分

綜合考慮上述4 方面進(jìn)行評(píng)估，得到船舶撞擊評(píng)估標(biāo)度如表3 所示。

表3 船舶撞擊評(píng)估標(biāo)度劃分

2.3 超載超限

2.3.1 評(píng)估指標(biāo)

超載超限的評(píng)估指標(biāo)有：超載超限事故嚴(yán)重程度、超載量、超載率、抗超載性能不利的結(jié)構(gòu)形式，如圖4 所示。

圖4 超載超限評(píng)估指標(biāo)

2.3.2 評(píng)估內(nèi)容和方法

2.3.2.1 超載超限事故嚴(yán)重程度

根據(jù)橋梁歷史統(tǒng)計(jì)資料，若發(fā)生過(guò)因車輛超載或超限而導(dǎo)致橋梁發(fā)生損壞、倒塌的事故，則超載超限事故嚴(yán)重程度較高。

2.3.2.2 超載量

《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》中將車輛超出所規(guī)定的核定標(biāo)準(zhǔn)30%定義為嚴(yán)重超載等。根據(jù)橋梁稱重系統(tǒng)記錄的車輛重量，計(jì)算超過(guò)橋梁設(shè)計(jì)車輛荷載的超載車輛重量的年平均值，將年平均超載量分為兩級(jí)：嚴(yán)重（≥30%），輕微（＜30%）。

2.3.2.3 超載率

根據(jù)國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整三年行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020 年）》（交運(yùn)發(fā)〔2018〕142 號(hào)）中規(guī)定，綜合考慮現(xiàn)今橋梁運(yùn)營(yíng)狀況，根據(jù)所評(píng)估橋梁通行歷史年平均超載率是否大于0.5%將超載率分為兩級(jí)：高（≥0.5%）、低（＜0.5%）。

2.3.2.4 抗超載性能不利的結(jié)構(gòu)形式

具有下列情形之一時(shí)，作為抗超載性能不利結(jié)構(gòu)形式的判別條件：①采用單支座獨(dú)柱墩的彎橋；②單支座獨(dú)柱墩連續(xù)使用個(gè)數(shù)大于2；③空心板梁、T 梁的橫向連接采用鉸接、鋼板焊接等形式。

2.3.3 評(píng)估等級(jí)劃分

將超載超限按上述4 個(gè)因素劃分5 個(gè)標(biāo)度，如表4 所示。

表4 超載超限評(píng)估

2.4 火災(zāi)

2.4.1 評(píng)估指標(biāo)

橋梁火災(zāi)評(píng)估指標(biāo)有：火災(zāi)事故嚴(yán)重程度、火災(zāi)隱患程度、結(jié)構(gòu)抗火性能、交通服務(wù)重要程度、消防設(shè)施，如圖5 所示。

圖5 火災(zāi)評(píng)估指標(biāo)

2.4.2 評(píng)估內(nèi)容和方法

2.4.2.1 火災(zāi)事故嚴(yán)重程度

根據(jù)橋梁運(yùn)營(yíng)歷史資料，查找橋梁運(yùn)營(yíng)以來(lái)發(fā)生的火災(zāi)次數(shù)。具有下列情形之一時(shí)，作為火災(zāi)事故嚴(yán)重程度較高的判別條件：①運(yùn)營(yíng)以來(lái)發(fā)生3 起及以上或1 次死亡3 人及以上的火災(zāi)事故；②結(jié)構(gòu)發(fā)生因火災(zāi)引起的大修加固；③結(jié)構(gòu)火災(zāi)后修復(fù)費(fèi)用累計(jì)大于1000 萬(wàn)元。

2.4.2.2 火災(zāi)隱患程度

引起火災(zāi)的因素有橋梁周圍存放易燃易爆物、車撞/車輛自燃、船撞、油輪撞、油罐車撞等。具有下列情形之一時(shí)，作為火災(zāi)事故嚴(yán)重程度較高的判別條件：①橋梁周圍200 米范圍內(nèi)存放易燃易爆物；②近3 年年均發(fā)生車撞燃燒、車輛自燃次數(shù)大于等于5 次；③近5 年內(nèi)發(fā)生油輪撞火災(zāi)事故，或年油輪通航次數(shù)大于500 輛；④近5 年內(nèi)發(fā)生油罐車撞火災(zāi)事故，或年油罐車通行次數(shù)大于100 萬(wàn)輛。

2.4.2.3 結(jié)構(gòu)抗火性能

影響結(jié)構(gòu)抗火的因素包括結(jié)構(gòu)材料、使用年限等。具有下列情形之一時(shí)，作為結(jié)構(gòu)抗火性能不利的判別條件：①橋梁為鋼橋、木橋，或者鋼材使用量超過(guò)2000 噸的橋梁等；②橋梁使用年限超過(guò)50 年。

2.4.2.4 交通服務(wù)重要程度

交通服務(wù)重要程度根據(jù)橋梁所在公路等級(jí)、日平均交通量、橋梁地理位置等進(jìn)行評(píng)估。具有下列情形之一時(shí)，作為交通服務(wù)重要程度較高的判別條件：①橋梁所在公路等級(jí)為高速公路、一級(jí)公路；②橋梁位于城市中心位置。

2.4.2.5 消防設(shè)施良好程度

具有下列情形之一時(shí)，作為消防設(shè)施良好的判別條件：①消防設(shè)施齊全，能夠滿足一般滅火需求；②自身消防設(shè)施一般，但消防急救中心到達(dá)時(shí)間在10min 內(nèi)。

2.4.3 評(píng)估等級(jí)劃分

火災(zāi)評(píng)估標(biāo)度等級(jí)劃分如表5 所示。

表5 火災(zāi)評(píng)估

3 綜合評(píng)估

鑒于層次分析法具有系統(tǒng)性、簡(jiǎn)潔實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估采用層次分析法[15]。通過(guò)邀請(qǐng)四十位專家對(duì)“車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災(zāi)”四個(gè)因素打分評(píng)價(jià)，得到各因素權(quán)重為：0.122：0.300：0.349：0.228。將各因素所得標(biāo)度值乘以相應(yīng)權(quán)重得到在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估值。

在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)如表6 所示。根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估值確定所分析橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和相應(yīng)的防患措施。

表6 在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)

4 實(shí)例研究

以江蘇省鹽城灌河大橋?yàn)榘咐M(jìn)行分析。該橋建于1987年，主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土T 形剛構(gòu)+掛梁（T 梁）的形式，引橋?yàn)? 孔30m 的預(yù)應(yīng)力混凝土T 形簡(jiǎn)支梁，全橋跨徑為：4×30m+（60+3×90+60）m+4×30m，橋梁全長(zhǎng)為636m。根據(jù)該橋梁設(shè)計(jì)文件、相應(yīng)運(yùn)營(yíng)資料進(jìn)行分析，該橋曾發(fā)生過(guò)車撞、船撞等安全事故，評(píng)估結(jié)果如表7 所示。該橋人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)度為3.024，評(píng)估等級(jí)為三級(jí)，需在防止船舶撞擊、超載超限等方面加強(qiáng)防患措施。

表7 評(píng)估結(jié)果

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)橋梁事故成因調(diào)查，建立了以“車輛撞擊、船舶撞擊、超載超限、火災(zāi)”四個(gè)因素為主的在役橋梁人為偶然因素安全風(fēng)險(xiǎn)快速綜合評(píng)估指標(biāo)?；趯哟畏治龇ńo出了相應(yīng)的綜合評(píng)估方法和評(píng)估等級(jí)。

5.2 各指標(biāo)評(píng)估從“事故發(fā)生的可能性”和“結(jié)構(gòu)抵抗災(zāi)害的能力”兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，適合于橋梁的大量普查，實(shí)用性強(qiáng)。

5.3 實(shí)例驗(yàn)證了該安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的全面性、準(zhǔn)確性、可操作性，從而為在役橋梁基于人為偶然因素的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供有效快速方法。