王玉倩, 馬 瑞, 趙尚傳

(交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

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到達(dá)設(shè)計使用年限橋梁繼續(xù)使用問題研究

王玉倩, 馬 瑞, 趙尚傳

(交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

為了指導(dǎo)我國大量到達(dá)設(shè)計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)分析的方法對到達(dá)設(shè)計使用年限橋梁繼續(xù)使用的依據(jù)、繼續(xù)使用年限、國內(nèi)外橋梁實際使用壽命與壽命終止原因、到達(dá)設(shè)計使用年限橋梁相關(guān)檢查評定方法等問題開展了研究，指出到達(dá)設(shè)計使用年限后繼續(xù)使用的問題包含法律效力、安全性、適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性幾個方面；我國橋梁的平均實際使用年限約為30 a，遠(yuǎn)低于歐美；我國早期橋梁設(shè)計規(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)計使用壽命；到達(dá)設(shè)計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)使用問題；安全度

0 引言

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[1]對我國公路橋涵設(shè)計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，截至2014年底，我國國省縣道共有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?，我國在未來一段時間內(nèi)將面臨大量到達(dá)設(shè)計使用年限的小橋可否繼續(xù)使用的問題。為了合理使用這些到達(dá)設(shè)計使用年限的橋梁，本文首先分析了設(shè)計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)；然后比較了國內(nèi)外橋梁實際使用壽命,對我國五類橋[3]數(shù)據(jù)分析，推斷我國能使用至設(shè)計使用年限的橋梁的比例；最后對國內(nèi)外針對到達(dá)設(shè)計使用年限橋梁的檢查評定方法進(jìn)行了調(diào)研。

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

1.1 設(shè)計使用年限確定依據(jù)的調(diào)研

美國國家公路與運輸協(xié)會(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)計使用年限為75 a。歐洲規(guī)范對設(shè)計壽命的要求比較明確，對多數(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),對于100 a以上的設(shè)計使用壽命，尚沒有實際使用壽命數(shù)據(jù)能夠支撐其確定依據(jù)。

《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50153—2008)[6]中定義設(shè)計使用年限為“設(shè)計規(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)計使用年限是在總結(jié)以往實踐經(jīng)驗，考慮設(shè)計、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)損失和對社會、環(huán)境的影響基礎(chǔ)上確定的，通過廣泛征求意見得到認(rèn)可。”

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[7]中對設(shè)計使用年限的定義為“在正常設(shè)計、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)計使用年限”的適用條件是理想的設(shè)計、施工、使用和養(yǎng)護(hù)(往往與實際不同)，這一年限是參照可靠性標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合公路功能、技術(shù)等級和橋涵重要性等因素確定的。

可見，國內(nèi)外規(guī)范中并無確定設(shè)計使用年限的數(shù)據(jù)依據(jù)，其所列設(shè)計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)計使用年限繼續(xù)使用依據(jù)的調(diào)研

到達(dá)設(shè)計使用年限后繼續(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)性幾個方面。

(1)法律效力

我國《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，對于超過合理使用壽命后發(fā)生的事故，《建筑法》并未明確指出設(shè)計單位是否免責(zé)。國內(nèi)外的經(jīng)驗一般根據(jù)事故調(diào)查結(jié)果進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定。2007年美國運營了40 a的I-35W橋梁發(fā)生倒塌，在之后的賠償訴訟中，2003年對該橋做過疲勞和冗余度分析的URS公司賠償了5 240萬美元。盡管節(jié)點板設(shè)計厚度過小是橋梁倒塌的主要原因，且并未到達(dá)橋梁的設(shè)計使用年限，該橋的設(shè)計方Jacobs工程公司僅賠償了890萬美元[8-9]?？梢?，一般認(rèn)為，橋梁安全使用的時間越長，設(shè)計方的責(zé)任就越小。

可靠性標(biāo)準(zhǔn)條文說明2.1.5條“本標(biāo)準(zhǔn)首次將這一術(shù)語推廣到各類工程結(jié)構(gòu)，并規(guī)定工程結(jié)構(gòu)在超過設(shè)計使用年限后，應(yīng)進(jìn)行可靠性評估，根據(jù)評估結(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，若超過設(shè)計使用年限后未進(jìn)行可靠性評估，則橋梁運營方負(fù)主要責(zé)任；若經(jīng)評估單位評估通過后仍發(fā)生事故，則評估單位需負(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。”可知結(jié)構(gòu)到達(dá)設(shè)計使用年限后，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)計使用年限的終結(jié)有對于其經(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)性將越來越差，最終維修將不如重建更為經(jīng)濟(jì)。

2 我國橋梁實際和繼續(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)對策，橋梁到達(dá)五類時“需要進(jìn)行改建或重建，及時關(guān)閉交通”，以到達(dá)五類作為橋梁實際使用壽命的終結(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)行了我國不同橋型、規(guī)模的橋梁實際使用年限、到達(dá)設(shè)計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)模的橋梁實際使用年限分析

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

各類橋型的平均實際使用年限均為30 a左右，部分橋型或因樣本過少而平均使用年限較低，常見橋型的實際使用年限見表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 常見橋型實際使用年限Tab.1 Actual service lives of common bridge types

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

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

進(jìn)行相關(guān)性分析知，這些橋梁的實際使用年限與結(jié)構(gòu)形式或橋梁規(guī)模均無明顯相關(guān)性，說明我國早期橋梁設(shè)計規(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實際通行荷載遠(yuǎn)超原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。

2.2 到達(dá)設(shè)計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%的中橋服役超過設(shè)計使用年限。取到達(dá)設(shè)計使用年限之后的橋梁進(jìn)行分析，得到在到達(dá)設(shè)計使用年限后，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?？梢姡竭_(dá)設(shè)計使用年限后，橋梁往往很快就達(dá)到五類，需要重點關(guān)注。

3 國內(nèi)外橋梁實際使用年限與壽命終止原因分析

通過國外文獻(xiàn)調(diào)研以及對2011年危橋改造管理中上報的7 875座橋梁的實際使用年限進(jìn)行分析，得到各國橋梁實際使用年限與壽命終止原因見表4。

表4 各國橋梁實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

國家美國[10]荷蘭[11]瑞典[12]我國樣本量/座327829791797875設(shè)計使用年限/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)狀況被評為五類

我國橋梁的平均實際壽命遠(yuǎn)低于荷蘭、瑞典和美國，小橋的設(shè)計使用年限亦低。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，對適用性和經(jīng)濟(jì)性則考慮較少。

4 到達(dá)設(shè)計使用年限橋梁檢查評定方法調(diào)研

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

在橋梁檢查方面，美國《國家橋梁檢查規(guī)范》[13]規(guī)定：“橋梁的檢測周期不應(yīng)超過24個月?！承蛄旱臋z測周期應(yīng)小于24個月。應(yīng)考慮橋齡、車輛荷載特征和已知缺陷來制訂橋梁的檢測水平和周期”，即老齡橋梁可適當(dāng)縮短檢測周期，提高檢測水平。我國《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》[3]規(guī)定：“周期性荷載試驗一般為在使用20 a后，每隔10～15 a進(jìn)行一次”，即對橋齡較高的橋梁，無論其技術(shù)狀況如何，都應(yīng)定期進(jìn)行周期性荷載試驗。英國《公路結(jié)構(gòu)檢查規(guī)范》[15]沒有針對橋齡的特殊檢查要求。

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

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

國外規(guī)范中未對到達(dá)設(shè)計使用年限橋梁的檢查評定進(jìn)行特殊規(guī)定，但必須注意到，國外橋梁的設(shè)計使用年限和實際使用年限均大于我國(見表4)。根據(jù)本文2.2節(jié)，一方面到達(dá)設(shè)計使用年限的橋梁數(shù)量很多，有些橋梁甚至能使用到兩倍于設(shè)計使用年限的壽命；另一方面到達(dá)設(shè)計使用年限的橋梁劣化很快。因此，對到達(dá)設(shè)計使用年限的橋梁進(jìn)行全面、系統(tǒng)的檢查評估，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)分析的方法對到達(dá)設(shè)計使用年限橋梁繼續(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)檢查評定方法開展了研究，得到以下結(jié)論：

(1)到達(dá)設(shè)計使用年限后繼續(xù)使用，存在設(shè)計單位法律責(zé)任的減輕和評估單位法律責(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)性越來越差幾個方面的變化。

(2)我國早期橋梁設(shè)計規(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)計使用壽命。在未來很長一段時間內(nèi)，到達(dá)設(shè)計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)計使用年限后，橋梁往往很快達(dá)到五類，需要重點關(guān)注。

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

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

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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

交通運輸部科技項目(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