美国桥梁病害及倒塌事故统计分析与思考_曹明旭

　公路　2009年7月　第7期 HIG HW A Y　Jul.2009　No.7　文章编号:0451-0712(2009)07-0162-06 中图分类号:U445.71 文献标识码:A

美国桥梁病害及倒塌事故统计分析与思考

曹明旭1,刘　钊2,孟　杰2

(1.江苏省交通科学研究院　南京市　210017;2.东南大学土木工程学院　南京市　210096)

摘　要:当前美国的桥梁工程已由建设高峰期转入以维修加固为主的时期,对截止到2006年美国在役桥梁与病害桥梁的统计数据进行了分析,并对自1875年以来美国桥梁倒塌的相关资料进行了统计,并阐述了美国针对旧桥病害及倒塌事故的对策与措施。最后,结合美国的经验教训与工程对策,对我国桥梁建设与养护工作提出了几点建议。

关键词:美国桥梁;病害桥梁;倒塌桥梁;养护管理;维修加固

在役桥梁病害与事故的调查分析,对桥梁养护管理、维修加固和新桥建设均具有十分重要的借鉴意义。根据美国联邦公路局(FH WA)全国桥梁数据库公布的统计数据[1],截止到2006年,美国桥梁建造总数为596808座,病害桥梁总数为153879座,约占25.8%。根据该数据库的基本统计数据,可绘制美国桥梁总量与病害桥梁总量的累计发展曲线,如图1所示,图中横坐标以每5年期为基本统计单位,纵坐标为每5年期内的桥梁总数。

图1　1905年～2006年间美国桥梁建设数量与病害桥梁数量累计曲线

基金项目:江苏省交通科学研究计划项目(05Y54)

收稿日期:2009-05-30

3　结语

通过文中分析结果,可以得出结论:线弹性固支梁在受到梁中间集中载荷的作用时,当载荷相同,梁截面积相同的情况下,工字形截面梁比矩形截面梁具有更高的刚度及抵抗变形的能力。而对于矩形截面梁,缩小宽高比,可以提高梁在竖直方向上的强度和刚度。

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在桥梁倒塌事故方面,据文献[2]统计,1951年～1988年间,在美国发生了114起桥梁倒塌事故;据文献[3]统计,在1989年～2000年倒塌桥梁达到503座,这是因为这一期间发生过几次大地震和洪水。2000年以后,美国桥梁倒塌事故仍时有发生。事故原因不尽相同,排除不可抗力因素(地震、洪水、飓风、火灾)影响,人为因素及养护不足是导致桥梁倒塌的另一主要原因。

我国同样面临着旧桥的检测、养护、维修、加固及防止桥梁倒塌等多方面问题。本文通过对美国历年病害桥梁状况以及自1875年以来倒塌桥梁事故的统计分析,总结了美国针对旧桥病害及倒塌问题的对策,以期给我国桥梁工程建设及养护带来一些启示。

1　美国历年建设桥梁及病害桥梁数据统计依据美国联邦公路局公布的截止到2006年底全美桥梁数量及病害桥梁数量统计数据[1],可绘制如图2所示的统计曲线。图中横坐标以每5年期为基本统计单位,可见美国各时期的桥梁建设数量随社会经济状况和交通发展需求有明显的起伏,在20世纪40年代初,受第二次世界大战影响出现桥梁建设低谷;在20世纪60年代,美国桥梁建设达到建设高峰,在1961年～1966年间建设数量多达55318座;而现今美国公路建设趋于饱和,逐步进入了桥梁维修加固时期。同时,图2也说明病害桥梁数量和新建桥梁数量在变化趋势上大体一致

。

图2　截至2006年美国每5年期建设桥梁及病害桥梁数量曲线

将全美桥梁数据库中按桥型分类统计的数据[1]

适当合并后,列入表1,并如图3所示。其中的梁板桥(S tringer /M ulti -Beam o r Girder )是指采用工字钢做纵梁,辅以钢横梁及混凝土或钢桥面板构成的梁格式桥梁,这种桥在中小跨度中应用较多,截至

2006年,梁板桥的数量多达256927座,病害率达33.4%;由于美国桁架桥及悬索桥的建设年代普遍较早,病害率偏高,约在70%;而斜拉桥的建设年代相对较晚,故病害率也偏低,仅有16.2%。

表1　截至2006年美国建设桥梁及病害桥梁统计数据(按桥型分类)

板桥

梁板桥T 梁箱梁钢架桥桁架桥拱桥悬索桥斜拉桥开启桥涵洞其他建设桥梁7989125692736556547795041130857418953786312484617941病害桥梁1655185741126449360163510033404772655684904980病害率

20.7%

33.4%

34.6%

17.1%

32.4%

76.7%

54.6%

75.8%

16.2%

64.4%

6.8%

27.8%

2　美国倒塌桥梁数据统计

1875年～2007年,不计入人行桥和一些山区小桥,美国桥梁倒塌事故主要有34起,如表2所示。由于FH WA 建立的全国桥梁数据库并没有涉及全美倒塌桥梁事故数据,表2中的数据除来自美国联邦公路局的网站外,还取自各州运输部的网站、美国

国家交通安全委员会的通告等[1]。

由表2可见,美国桥梁倒塌事故原因依次是:由不可抗力(地震、洪水、飓风、火灾)导致的有12起,

占35.3%;由人为因素(船撞、车撞、飞机撞)导致的有10起,占29.4%;由养护不足导致的有7起,占20.6%;由施工原因导致的有3起,占8.8%;由设计原因导致的有2起,占5.9%。除不可抗力影响外,人为因素与养护不足导致桥梁倒塌所占比例也较大。

3　美国针对旧桥病害与倒塌事故的对策

桥梁倒塌事故多缘于不可抗力及人为因素,但

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图3　截至2006年美国建设桥梁及病害桥梁率曲线(按桥型分类)

表2　截至2007年美国34座桥梁倒塌情况统计

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在役桥梁状况的不断劣化也为结构安全埋下了隐患;倒塌事故虽然社会影响大,但发生概率小,以下介绍美国针对旧桥病害及倒塌事故所采取的对策,主要侧重于病害桥梁检测评价、养护及维修加固方面。

(1)建立全国桥梁数据库。

1967年,美国西弗吉尼亚州的Silver桥在交通高峰时段突然倒塌,46人丧生。这一事故促使美国联邦公路局(FHWA)建立了全国桥梁数据库(Na-tional Bridge Invento ry),以统计全美桥梁健康状况,帮助政府决策病害桥梁是否需更换及划拨多少维修加固资金。

(2)逐步完善的规范体系。

Silve r桥倒塌后,美国联邦公路管理局开展了“国家桥梁检测计划”(NBIP),并于1971年发布了《国家桥梁检测规范》(NBIS),对检测流程、检测频率、检测人员资质、检测报告、桥梁调查表等进行了明确规定,之后美国相继编写了三部桥梁检测方面的指南,分别是:《桥梁检测员培训手册》,《桥梁养护检测手册(70年版)》,《美国桥梁调查和评价指南》。到20世纪80年代,国家桥梁检测计划逐渐成熟,出版了《桥梁检测员培训手册》的两个补增手册:一个是关于涵洞的;另一个则是关于桥梁断裂危险构件的。随后,1983年发生的Mianus事故,促使1986年出版了《桥梁断裂危险构件的检测》。1987年纽约Schoharie C reek桥的倒塌,使得美国联邦公路管理局立即出版了《桥梁冲刷》,使得桥梁检测关注点又涉及到了水下检测。20世纪90年代,FHW A修订了检测手册并出版了《桥梁检测手册(90年版)》和新的《桥梁评估与编码管理手册》,美国各州公路及运输工作者协会(AASH TO)也修订了《桥梁状态评估手册》(Manual fo r Condition Evaluation o f Bridges)。

进入21世纪,新的《桥梁检测员参考手册》出版,取代了《桥梁检测手册(90年版)》,AASH TO也对桥梁评级方法进行了较大修订,形成了《基于荷载—抗力系数法的桥梁状态评估指导手册》,并要求各州在2010年前将桥梁等级评定体系转移到“荷载—抗力”评定体系中[4]。

美国早期规范并没有考虑结构抗震、船舶撞击以及飓风等因素,但随着桥梁倒塌事故的发生,人们逐渐开展了相关领域的研究。

首先是1925年的圣巴巴拉6.3级地震,引起美国对地震及结构抗震的研究,之后形成了一系列早期的抗震设计规范。1977年,美国国会成立了美国国家地震减灾计划(National Earthquake H azards Reductio n Pro gram,N EH RP)。1940年Taco ma海峡桥的倒塌,引起了桥梁界对大跨桥梁抗风领域的研究。20世纪90年代初,桥梁防撞设计纳入新版AASH TO桥梁规范,防撞设计采用基于概率风险分析方法,以求最大的效益投资比。

可见,每每在桥梁倒塌后,美国都能够迅速地针对现有体系的不足加以改进,不断地完善桥梁规范体系。美国公路桥梁建设管理工作以州为主体,各州具有很大独立性,各州根据自身具体情况,对联邦公路管理局颁布的规范等进行必要的补充,这又使得规范体系为了解决各州的不同实际情况变得多元化。

(3)桥梁养护管理。

美国桥梁业主一般是各州交通系统,也有少部分是私人、军方等,业主肩负着桥梁的养护与管理任务,负责养护规划、管理、质量保证及质量控制等,而现场养护大多包给专业的桥梁养护公司来实施。

美国在桥梁养护方面遵循两个理念[5]。第一,零养护(ze ro m aintenance)。零养护并不是指绝对的无需养护,应该理解为养护延迟(maintenance de-fe rral),它是指桥梁在设计施工时要加大结构的耐久性,或者有些构件设计成可更换的,这样在结构的生命周期内不需要养护或者到后期进行构件更换,不过这种理念会增加新结构的投资。第二,预防性养护。预防性养护又与全养护(full maintenance)相关联。也就是在结构恶化之前,增加养护频率,加大养护范围,加强养护力度,使桥梁的生命得以延续或者延长。养护理念的选择方法是依据不同类型桥梁,估算养护投资增加换来的桥梁寿命是否经济。

随着20世纪60年代后期国家桥梁检测计划的实施,美国出现了早期的管理系统(桥梁管理系统的作用为:整合有限资源和各种养护活动,制定并施行养护与改造策略,实现效益最大化),但系统的大规模发展始于20世纪80年代后期,1985年,在国家合作公路研究计划的扶持下,开发了BRIDG IT桥梁管理系统;1989年美国联邦公路局与6个州交通局联合开发了基于网络化的桥梁管理系统,即PON TIS桥梁管理系统。

(4)高速公路桥梁修复计划。

20世纪90年代,美国联邦公路管理局开展了高速公路桥梁修复计划(HBRRP),在桥梁修复之前先

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要对桥梁进行检查评估,美国检测评估体系[4]如下。①美国桥梁检测类型可能随桥梁使用寿命不同而变化,以便反映检测时所要求的检测强度。检测类型共分五种,分别为初始检测、常规检测、损害检测、深入检测以及特殊检测,分类标准主要依据不同的检测要求和检测程度。

②美国桥梁的状况评估主要由各州、县及其他桥梁管理单位负责,根据联邦桥梁相关法案,所有公共道路上的桥梁都要执行美国联邦公路局的要求,即填写桥梁调查和评价表(SI &A )。SI &A 表中除了记录桥梁基本信息、检查信息和养护维修建议外,在评价方面有很多指标,其中主要可归结为桥梁结构状态评价(Condition Rating )、桥梁综合性能评估(Appraisal Rating )、桥梁健全性评价(Sufficiency Rating )和承载等级评估(Load Rating )。

各州划分为若干个片区,每个片区有2名专业且固定的桥梁调查工程师。桥梁调查的频率是2年,对于特殊桥梁,如斜拉桥、悬索桥、大跨径钢桥等复杂桥梁则需每周进行1次外观检查,水下检查是每5年1次。检测的主要依据是《国家桥梁检测规范》,桥梁调查工程师评定各桥所处健康状况及安全度,记录病害桥梁[5]。最后,各州交通管理局依据桥

梁病害程度决定桥梁维修加固桥梁或更换顺序。4　对我国桥梁建设与养护工作的启示

美国针对桥梁病害所积极采取的管养对策取得了明显收效,从图1不难看出,在20世纪60年代以前,病害桥梁总量基本呈线性增长,20世纪60年代

以后,虽然桥梁建设总量仍呈线性增长,但病害桥梁总量基本维持不变,这显然与此后采取的各种措施不无关系。

我国目前正处于桥梁建设与养护并重的阶段,通过对美国旧桥管养方面先进做法的分析与思考,可以得到如下几点启示。

(1)美国联邦公路局建立的全国桥梁数据库,数据由各州交通管理局提供,涵盖了全美桥梁统计数据,可以在其网站上按桥型或按地区进行桥梁总体状况的检索。而我国还没有建立类似数据库,呼吁我国尽快建立全国桥梁数据库,为桥梁养护、维修加固及更换等决策提供数据支持。

(2)从美国桥梁检测、加固类规范的发展历史来看,在每次桥梁倒塌后,都促使针对现有体系的不足加以改进。经过若干年的发展,美国的桥梁养护规范体系有很多值得我国借鉴的地方,如表3所示。

表3　中美桥梁检测、评估及维修加固规范比较[4]

项 目美 国我国交通系统桥梁检测

《国家桥梁检测规范》《检测人员参考手册》《公路桥涵养护规范》

桥梁评估

《桥梁评估手册》

《桥梁状况评估及荷载抗力系数法评定手册》

《公路桥涵养护规范》

《检测人员参考手册》《结构档案与鉴定的编码指南》

《公路旧桥承载力鉴定方法》(试行版)

养护与维修加固

《道路桥梁养护手册》

《公路桥涵养护规范》专门维修加固设计可使用AAS H TO 桥梁设计规范

《公路桥梁加固设计规范》《公路桥梁加固施工技术规范》

(3)美国桥梁养护管理制度可以通俗地概括为“谁建桥,谁负责”,建设单位肩负着桥梁的养护与管理任务,由于建设单位介入了桥梁建设的全过程,对桥梁建设状况比较熟悉,由建设单位负责桥梁养护管理的总体规划较合理。我国公路桥梁养护管理实行“统一领导,分级管理”,往往是“建设”与“管理”分离的局面。因此,应当建立制度来保证竣工资料的真实性,建设单位也应该将各种技术档案移交给管养部门,成为后续养护或加固工作的基本依据。

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Statistical Analysis and Reflections on Bridge Deficiencies

and Disasters in the United States

CAOMing -xu 1,LIU Zhao 2,MENG Jie 2

(1.Jiangsu T ran sportation Research In stitu te ,Nanjing 210017,China ;2.College of Civil Engineering ,S outheast University ,Nanjing 210096,C hina )

A bstract :Currently the American bridge com munity focuses m ainly on bridge m aintenance and

streng thening ,rather than new bridg e constructions .In this paper ,statistical da ta on bridge invento ry and deficient bridges up to 2006are analyzed ,and the data o f bridge disasters from 1875are briefly sum ma -rized .Fur thermo re ,the countermeasures to bridge deficiencies and disasters taken by the United States are investig ated .Finally ,suggestions to Chinese bridge constructio n and maintenance are made fro m American lesso ns and ex periences .

Key words :American bridges ;deficient bridge ;bridge disaster ;bridge maintenance ;bridge streng

thening

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