到達設計使用年限橋梁繼續使用問題研究

王玉倩, 馬 瑞, 趙尚傳

(交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

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到達設計使用年限橋梁繼續使用問題研究

王玉倩, 馬 瑞, 趙尚傳

(交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

為了指導我國大量到達設計使用年限橋梁的繼續使用，采用文獻調研、規范比較、數據分析的方法對到達設計使用年限橋梁繼續使用的依據、繼續使用年限、國內外橋梁實際使用壽命與壽命終止原因、到達設計使用年限橋梁相關檢查評定方法等問題開展了研究，指出到達設計使用年限后繼續使用的問題包含法律效力、安全性、適用性、耐久性和經濟性幾個方面；我國橋梁的平均實際使用年限約為30 a，遠低于歐美；我國早期橋梁設計規范中安全度遠不能滿足中橋、大橋和特大橋使用至設計使用壽命；到達設計使用年限后橋梁往往很快達到五類。

橋梁工程；超期服役橋梁；數據分析；繼續使用問題；安全度

0 引言

《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[1]對我國公路橋涵設計使用年限給出了明確規定：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80年代及以前修建的橋梁70 153座，20世紀90年代修建的橋梁63 010座，占總數的34.9%[2]?？梢酝茢?，我國在未來一段時間內將面臨大量到達設計使用年限的小橋可否繼續使用的問題。為了合理使用這些到達設計使用年限的橋梁，本文首先分析了設計使用年限確定的依據或目的，從而判斷繼續使用已到達設計使用年限的橋梁是否具有法律保障和規范依據；然后比較了國內外橋梁實際使用壽命,對我國五類橋[3]數據分析，推斷我國能使用至設計使用年限的橋梁的比例；最后對國內外針對到達設計使用年限橋梁的檢查評定方法進行了調研。

1 到達設計使用年限繼續使用依據的調研

1.1 設計使用年限確定依據的調研

美國國家公路與運輸協會(AASHTO) LRFD鋼結構規范[4]主要基于疲勞考慮，規定公路鋼橋的設計使用年限為75 a。歐洲規范對設計壽命的要求比較明確，對多數橋梁結構的要求為50 a，重要橋梁為100 a[5]。上述這些規定主要反映了業主和使用者的愿望(或預期),對于100 a以上的設計使用壽命，尚沒有實際使用壽命數據能夠支撐其確定依據。

《工程結構可靠性設計統一標準》(GB50153—2008)[6]中定義設計使用年限為“設計規定的結構或結構構件不需進行大修即可按預定目的使用的年限”，并指出，“所列設計使用年限是在總結以往實踐經驗，考慮設計、施工和維護的難易程度，以及結構一旦失效所造成的經濟損失和對社會、環境的影響基礎上確定的，通過廣泛征求意見得到認可?！?/p>

《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)[7]中對設計使用年限的定義為“在正常設計、正常施工、正常使用和正常養護條件下，路面、橋涵、隧道結構或構件不需進行大修或更換，即可按其預定目的使用的年限?！薄豆窐蚝ㄓ迷O計規范》(JTGD60—2015)[1]沿用了該定義。這兩本規范指出了“橋梁設計使用年限”的適用條件是理想的設計、施工、使用和養護(往往與實際不同)，這一年限是參照可靠性標準，結合公路功能、技術等級和橋涵重要性等因素確定的。

可見，國內外規范中并無確定設計使用年限的數據依據，其所列設計使用年限往往是專家綜合考慮安全性、耐久性、適用性、經濟性等確定的。

1.2 到達設計使用年限繼續使用依據的調研

到達設計使用年限后繼續使用的依據，應當考慮法律效力、安全性、適用性、耐久性和經濟性幾個方面。

(1)法律效力

我國《建筑法》規定，“建筑物在其合理使用壽命內，必須確保地基基礎工程和主體結構的質量”(第60條)，“在建筑物的合理使用壽命內，因建筑工程質量不合格受到損害的，有權向責任者要求賠償”(第80條)。然而，對于超過合理使用壽命后發生的事故，《建筑法》并未明確指出設計單位是否免責。國內外的經驗一般根據事故調查結果進行責任認定。2007年美國運營了40 a的I-35W橋梁發生倒塌，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。盡管節點板設計厚度過小是橋梁倒塌的主要原因，且并未到達橋梁的設計使用年限，該橋的設計方Jacobs工程公司僅賠償了890萬美元[8-9]?？梢?，一般認為，橋梁安全使用的時間越長，設計方的責任就越小。

可靠性標準條文說明2.1.5條“本標準首次將這一術語推廣到各類工程結構，并規定工程結構在超過設計使用年限后，應進行可靠性評估，根據評估結果，采取相應措施，并重新界定其使用年限?！睋丝烧J為，若超過設計使用年限后未進行可靠性評估，則橋梁運營方負主要責任；若經評估單位評估通過后仍發生事故，則評估單位需負相當大的責任。

(2)安全性、適用性和耐久性

可靠性標準指出，“在設計使用年限內，橋涵主體結構在正常施工和使用條件下，必須完成預定的安全性、耐久性和適用性功能的要求?！笨芍Y構到達設計使用年限后，預定的安全性、耐久性和適用性可能因結構退化而不滿足要求。

(3)經濟性方面

可靠性標準以大修作為設計使用年限的終結有對于其經濟性方面的考慮。通常橋梁工程一旦大修，繼續使用的經濟性將越來越差，最終維修將不如重建更為經濟。

2 我國橋梁實際和繼續使用年限分析

根據《公路橋涵養護規范》(JTG H11—2004)[3]的養護對策，橋梁到達五類時“需要進行改建或重建，及時關閉交通”，以到達五類作為橋梁實際使用壽命的終結。根據2011年危橋改造管理中各省市區上報的9 746座五類橋(其中有確切建設年代的7 875座)的相關信息，進行了我國不同橋型、規模的橋梁實際使用年限、到達設計使用年限橋梁的繼續使用年限分析。這7 875座橋梁建設年代的95%置信區間是1958—2002年，平均值和眾數均為1980年。

2.1 不同橋型、規模的橋梁實際使用年限分析

對這7 875座五類橋的壽命進行統計，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座五類橋實際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

我國不同規模橋梁的實際使用年限統計如表2所示。2011年只有1座特大型橋梁被改造，數據不足以說明特大型橋梁的真實使用年限。

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

進行相關性分析知，這些橋梁的實際使用年限與結構形式或橋梁規模均無明顯相關性，說明我國早期橋梁設計規范中的安全度遠不能滿足中橋、大橋和特大橋的使用需求，這與近30 a實際通行荷載遠超原設計荷載標準有關。

2.2 到達設計使用年限橋梁的繼續使用年限分析

根據這7 875座五類橋的相關信息，有47.0%的小橋和4.3%的中橋服役超過設計使用年限。取到達設計使用年限之后的橋梁進行分析，得到在到達設計使用年限后，小橋和中橋的繼續使用年限如表3所示，其頻數直方圖分別如圖2、圖3所示。

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

圖2 905座到達設計使用年限小橋的繼續使用年限頻數圖Fig.2 Frequency graph of extended lives of 905 smallbridges over design service lives

圖3 214座到達設計使用年限中橋的繼續使用年限頻數圖Fig.3 Frequency graph of extended lives of 213 mediumbridges over design service lives

這些已到達設計使用年限的橋梁中，有13.6%的小橋繼續使用1年即到達五類，61.2%的中橋繼續使用1 a即到達五類?？梢?，到達設計使用年限后，橋梁往往很快就達到五類，需要重點關注。

3 國內外橋梁實際使用年限與壽命終止原因分析

通過國外文獻調研以及對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(新的道路規劃)30.23壽命終止原因—主要是功能更換或是經濟性的要求老化(72%)，新的道路規劃(28%)技術狀況被評為五類

我國橋梁的平均實際壽命遠低于荷蘭、瑞典和美國，小橋的設計使用年限亦低。荷蘭橋梁改造或廢棄的原因主要是適用性和經濟性的不足，而瑞典橋梁拆除的主要原因是橋梁老化導致的承載力不足。我國以橋梁技術狀況到達五類作為壽命終結準則，主要關注了結構安全性，對適用性和經濟性則考慮較少。

4 到達設計使用年限橋梁檢查評定方法調研

國內外規范中，并無針對到達設計使用年限后的橋梁檢查、橋梁評定等的特殊條文。本文重點調研了美國《國家橋梁檢查規范》(NBIS)[13]和《AASHTO 橋梁構件檢查指南》[14]、英國《公路結構檢查規范》(BD 63/07)[15]、我國《公路橋涵養護規范》(JTG H11—2004)[3]和《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)[16]，比較了各國規范中對老齡橋梁的檢查評定。

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

在橋梁評定方面，英國《公路結構檢查規范》[15]規定，橋梁總體狀態評定時，不應當考慮橋齡等因素。美國《國家橋梁檢查規范》[13]《AASHTO 橋梁構件檢查指南》[14]和我國《公路橋涵養護規范》[3]和《公路橋梁技術狀況評定標準》[16]在橋梁評定方面均沒有針對橋齡做出額外規定。

可靠性標準附錄G.1.2規定，結構的使用時間超過規定的年限，宜對既有結構的可靠性進行評定，分為安全性評定、適用性評定和耐久性評定，必要時還應進行抗災能力評定。這一規定對到達設計使用年限橋梁繼續使用的評估指定了內容。

國外規范中未對到達設計使用年限橋梁的檢查評定進行特殊規定，但必須注意到，國外橋梁的設計使用年限和實際使用年限均大于我國(見表4)。根據本文2.2節，一方面到達設計使用年限的橋梁數量很多，有些橋梁甚至能使用到兩倍于設計使用年限的壽命；另一方面到達設計使用年限的橋梁劣化很快。因此，對到達設計使用年限的橋梁進行全面、系統的檢查評估，尤為必要。

5 結論

本文采用文獻調研、規范比較、數據分析的方法對到達設計使用年限橋梁繼續使用的依據、橋梁壽命終止原因、繼續使用年限、相關檢查評定方法開展了研究，得到以下結論：

(1)到達設計使用年限后繼續使用，存在設計單位法律責任的減輕和評估單位法律責任的加重，安全性、適用性和耐久性的保證率降低和經濟性越來越差幾個方面的變化。

(2)我國早期橋梁設計規范中安全度遠不能滿足中橋、大橋和特大橋使用至設計使用壽命。在未來很長一段時間內，到達設計使用年限的橋梁大多為20世紀80—90年代建成的小橋。

(3)到達設計使用年限后，橋梁往往很快達到五類，需要重點關注。

(4)我國橋梁的平均實際使用年限約為30 a，遠低于荷蘭、瑞典和美國，小橋的設計使用年限亦低。不同于荷蘭和瑞典對適用性的重視，我國橋梁壽命終結的原因是橋梁到達五類，主要考慮安全性不足。

(5)國內外規范中并無針對到達設計使用年限后的橋梁檢查、橋梁評定等的特殊條文。我國可靠性標準規定了到達設計使用年限橋梁繼續使用的主要評估內容，但具體的評估方法還需進一步研究。

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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