作者:张启伟 来源:科学时报 发布时间:2012-9-4 15:38:44
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张启伟:“屡检屡过”的大桥坍塌背后

 

本期关注:桥梁的“体检”
 
8月1日,美国明尼苏达州首府明尼阿波利斯市郊外35号州际公路的一座大桥坍塌,约50辆汽车坠入密西西比河。
 
据美国官员8月21日最新确认,断桥事故死亡人数为13人,伤者70多人。
 

张启伟 工学博士,同济大学桥梁工程系教授,博士生导师。主要从事桥梁健康监测和检测评估的理论研究与应用。
 
日前,美国明尼苏达州35号州际公路大桥在交通高峰时段瞬间坍塌,造成严重的伤亡。在桥梁管理系统已经比较完善的美国,发生这样的断桥事故,马上引起了全世界的广泛关注。
 
一座屡次接受“体检”的大桥
 
明尼苏达州35号州际公路大桥是一座钢桁架连续梁桥,于1967年建成通车。1990年,美国联邦政府检查发现,该桥桥跨结构和桥墩之间的支座发生腐蚀,桥梁被认定为存在“结构性缺陷”。
 
何谓“结构性缺陷”?
 
桥梁由承重结构与附属设施组成。一般来说,公路桥梁的承重结构包括桥跨结构、桥墩、桥台、支座以及基础等,其功能是承受和传递交通车辆和人群等荷载。如果桥梁承重结构出现退化,则认为桥梁存在结构性缺陷。
 
桥梁的结构性缺陷有很多种形式,对于类似于美国35号州际公路大桥的钢桁架梁桥,钢桁的疲劳开裂、钢节点的严重锈蚀以及支座的锈腐蚀等均属结构性缺陷。当然,存在结构性缺陷的桥梁并不等于失去了承载能力,因为“缺陷”有轻重之分。美国联邦公路管理局在相关规范中将桥梁划分为桥面、上部结构(相当于“桥跨结构”)和下部结构(桥墩、桥台及基础)三大组,并对各组规定了0~9分的缺损评定等级,其中9分表示处于“优越状态”,0分表示“破坏状态”。
 
上世纪90年代中期的检测发现,35号州际公路大桥支撑桥面的钢桁架的众多节点部位出现了疲劳裂缝和腐蚀。报道说有关部门随后对该桥进行了针对性的维修,并将两年一次的检测周期缩短为一年一次。
 
2001年明尼苏达大学土木工程系的一份研究报告指出,该桥不大可能发生钢桁架的疲劳开裂,近期不必因疲劳问题而提前进行大桥的更换。
 
2005年的联邦检查再次认为大桥存在结构性缺陷,并给桥跨结构、桥面和下部结构分别打了4分、5分和6分,对应的缺陷级别分别为“不良状态”、“尚好状态”和“满意状态”。
 
就在去年,明尼苏达州还委托一家独立咨询公司对该桥的情况进行研究,但最终的分析仍然是该桥遭受关键性疲劳损伤的可能性很小。
 
“屡检屡过”的大桥为何突然坍塌
 
该大桥在定期检测下仍发生瞬间坍塌,可以从管理和技术两方面来寻找原因。
 
首先,桥梁检测和评估的目的是在结构退化早期发现其相关迹象,调查退化起因,从而指导桥梁维护对策,包括养护、维修、加固、重建等。35号州际公路大桥在多次检测后被评为结构性缺陷桥梁,考虑到该桥14万的日通车量,按理主管部门应积极采取相应的维修加固措施。但管理部门除了加强检测外,并未采取更多的措施(大桥坍塌时正在重新铺设桥面,不属于结构加固)。州政府对大量被诊断为结构性缺陷的桥梁已习以为常,而大桥坍塌后,州政府表示从未收到过大桥危险必须修缮的警告。另一方面,由于养护维修经费不足,有限的经费只能优先用于一些状况最糟的桥梁的修缮,而其他桥梁则排后。美国州际公路网上的桥梁数量巨大,其中近10万座桥梁处于较为严重的结构性缺陷状况,且每年有数千座桥梁退化为有缺陷桥梁。据美国媒体称,按计划35号州际公路大桥的更换工作要到2020年才能排上。
 
由此可见,尽管美国各州的桥梁管理系统已相当完善,但在面对大量的司空见惯的结构性缺陷桥梁时,管理决策层仍存在主观上的轻视,同时也无法回避客观上的资金缺口难题。
 
其次,从检测技术上看,虽然现有技术尚不能满足各种桥梁的病害检查,但对于美国35号州际公路大桥这样的桥梁已经足够。事实上,美国人在该桥上主要运用了外观目检、疲劳监测和分析等手段,方法上虽然合理,但35号州际公路大桥是一个由大量杆件组成的较为复杂的结构体,对其进行检查时难免存在无法触及或无法详细检测的部位。而2001年的疲劳监测中,检测者仅对上千个钢杆件中的极少数进行了疲劳应力监测,在与理论分析的比较中也基本上立足于“静态”的观点,没有看到钢构件应力变化和腐蚀的共同作用,而且忽视了将来交通流量的增长。
 
或许正是因为此份判断桥梁尚无疲劳问题的研究报告,使得大桥管理者放松了警惕。
 
不要过高预期桥梁健康监测系统
 
此外,我们也需要客观看待桥梁安全检测技术的现有水平。
 
桥梁安全检测技术依赖于检测仪器(硬件)和信号处理分析以及结构分析理论(软件)。应该说硬件和软件均在不断发展中。现有的测试技术可以满足大多数中小型钢筋混凝土桥梁的病害检测,但对于大型桥梁的某些缺陷,如斜拉索或吊杆内钢丝的断裂与锈蚀、斜拉索或吊杆的锚头状况、结合构件的结合面状况、预应力筋状况、预应力管道灌浆密实度、水下基础病害等,目前尚缺乏可靠的检测技术。
 
近十多年来,国内外(尤其是国内)许多大型桥梁的建设方热衷于大型桥梁健康监测系统的开发。这在很大程度上是过高地预期了监测系统的能力。事实上,目前甚至将来相当长的时间内,如何从监测信号判断大桥的技术状况将一直是个难题。至少在今天,盲目投资大量财力于桥梁长期监测系统并非明智之举。
 
面对我国(或是美欧)数量巨大的现役桥梁,踏踏实实地开发可靠实用的检测仪器、培养壮大真正专业的检测队伍,当是今后较长时间内的首要任务。
 
我国的有缺陷桥梁也不少
 
近30年来,我国公共交通事业迅猛发展,同时也修建了大量的桥梁。自上世纪90年代,大跨度桥梁的安全性与耐久性引起政府和桥梁管理部门关注。1995年,国家基础性研究重大项目“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”启动,标志着我国桥梁安全检测研究进入崭新阶段,此后交通部等部委不断资助桥梁检测方面的研究课题,成果得到广泛应用。
 
建设部和交通部分别于2003年和2004年颁布了新的《城市桥梁养护技术规范》和《公路桥涵养护规范》,对各类桥梁的检测周期、检测内容、评估标准以及相应的养护对策均作出了较为具体的规定。此后,在新规范的指导下,各地桥梁管理部门对所辖运营中的桥梁纷纷进行技术状况普查。
 
但是,我国与美国及欧洲各国所面临的情况相似,有缺陷桥梁数量众多,养护经费却不能满足需求。
 
美国此次的大桥坍塌事故,首先提醒我们应高度重视桥梁维修经费不足和安全隐患之间的矛盾。不能因为经费问题而使桥梁管理制度无法落实到位,以至容忍高度的安全风险。
 
其次,桥梁管理部门应重视桥梁检测评估结果,严格执行关于各类桥梁养护措施的规定。对于评定为“危险状态”的桥梁固然应予重视,对于被评定为“差”或“较差”状态的桥梁亦不能熟视无睹、掉以轻心。
 
此外,桥梁检测尤其是桥梁承载能力和疲劳状况的检测评估,应该由具有相应资质和实际能力的单位来承担,以免检测后得出不符实际的结论。
 
 
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