王玉倩, 马 瑞, 赵尚传
(交通运输部公路科学研究所，北京 100088)
摘要：为了指导我国大量到达设计使用年限桥梁的继续使用，采用文献调研、规范比较、数据分析的方法对到达设计使用年限桥梁继续使用的依据、继续使用年限、国内外桥梁实际使用寿命与寿命终止原因、到达设计使用年限桥梁相关检查评定方法等问题开展了研究，指出到达设计使用年限后继续使用的问题包含法律效力、安全性、适用性、耐久性和经济性几个方面；我国桥梁的平均实际使用年限约为30 a，远低于欧美；我国早期桥梁设计规范中安全度远不能满足中桥、大桥和特大桥使用至设计使用寿命；到达设计使用年限后桥梁往往很快达到五类。
关键词：桥梁工程；超期服役桥梁；数据分析；继续使用问题；安全度
《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015) [1]对我国公路桥涵设计使用年限给出了明确规定：小桥/涵洞30～50 a、中桥50～100 a、特大桥/大桥100 a。同时，截至2014年底，我国国省县道共有20世纪80年代及以前修建的桥梁70 153座，20世纪90年代修建的桥梁63 010座，占总数的34.9%[2]。可以推断，我国在未来一段时间内将面临大量到达设计使用年限的小桥可否继续使用的问题。为了合理使用这些到达设计使用年限的桥梁，本文首先分析了设计使用年限确定的依据或目的，从而判断继续使用已到达设计使用年限的桥梁是否具有法律保障和规范依据；然后比较了国内外桥梁实际使用寿命,对我国五类桥[3]数据分析，推断我国能使用至设计使用年限的桥梁的比例；最后对国内外针对到达设计使用年限桥梁的检查评定方法进行了调研。
1.1 设计使用年限确定依据的调研
美国国家公路与运输协会(AASHTO) LRFD钢结构规范[4]主要基于疲劳考虑，规定公路钢桥的设计使用年限为75 a。欧洲规范对设计寿命的要求比较明确，对多数桥梁结构的要求为50 a，重要桥梁为100 a[5]。上述这些规定主要反映了业主和使用者的愿望(或预期),对于100 a以上的设计使用寿命，尚没有实际使用寿命数据能够支撑其确定依据。
《工程结构可靠性设计统一标准》(GB50153—2008)[6]中定义设计使用年限为“设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限”，并指出，“所列设计使用年限是在总结以往实践经验，考虑设计、施工和维护的难易程度，以及结构一旦失效所造成的经济损失和对社会、环境的影响基础上确定的，通过广泛征求意见得到认可。”
《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[7]中对设计使用年限的定义为“在正常设计、正常施工、正常使用和正常养护条件下，路面、桥涵、隧道结构或构件不需进行大修或更换，即可按其预定目的使用的年限。”《公路桥涵通用设计规范》(JTGD60—2015)[1]沿用了该定义。这两本规范指出了“桥梁设计使用年限”的适用条件是理想的设计、施工、使用和养护(往往与实际不同)，这一年限是参照可靠性标准，结合公路功能、技术等级和桥涵重要性等因素确定的。
可见，国内外规范中并无确定设计使用年限的数据依据，其所列设计使用年限往往是专家综合考虑安全性、耐久性、适用性、经济性等确定的。
1.2 到达设计使用年限继续使用依据的调研
到达设计使用年限后继续使用的依据，应当考虑法律效力、安全性、适用性、耐久性和经济性几个方面。
(1)法律效力
我国《建筑法》规定，“建筑物在其合理使用寿命内，必须确保地基基础工程和主体结构的质量”(第60条)，“在建筑物的合理使用寿命内，因建筑工程质量不合格受到损害的，有权向责任者要求赔偿”(第80条)。然而，对于超过合理使用寿命后发生的事故，《建筑法》并未明确指出设计单位是否免责。国内外的经验一般根据事故调查结果进行责任认定。2007年美国运营了40 a的I-35W桥梁发生倒塌，在之后的赔偿诉讼中，2003年对该桥做过疲劳和冗余度分析的URS公司赔偿了5 240万美元。尽管节点板设计厚度过小是桥梁倒塌的主要原因，且并未到达桥梁的设计使用年限，该桥的设计方Jacobs工程公司仅赔偿了890万美元[8-9]。可见，一般认为，桥梁安全使用的时间越长，设计方的责任就越小。
可靠性标准条文说明2.1.5条“本标准首次将这一术语推广到各类工程结构，并规定工程结构在超过设计使用年限后，应进行可靠性评估，根据评估结果，采取相应措施，并重新界定其使用年限。”据此可认为，若超过设计使用年限后未进行可靠性评估，则桥梁运营方负主要责任；若经评估单位评估通过后仍发生事故，则评估单位需负相当大的责任。
(2)安全性、适用性和耐久性
可靠性标准指出，“在设计使用年限内，桥涵主体结构在正常施工和使用条件下，必须完成预定的安全性、耐久性和适用性功能的要求。”可知结构到达设计使用年限后，预定的安全性、耐久性和适用性可能因结构退化而不满足要求。
(3)经济性方面
可靠性标准以大修作为设计使用年限的终结有对于其经济性方面的考虑。通常桥梁工程一旦大修，继续使用的经济性将越来越差，最终维修将不如重建更为经济。
根据《公路桥涵养护规范》(JTG H11—2004)[3]的养护对策，桥梁到达五类时“需要进行改建或重建，及时关闭交通”，以到达五类作为桥梁实际使用寿命的终结。根据2011年危桥改造管理中各省市区上报的9 746座五类桥(其中有确切建设年代的7 875座)的相关信息，进行了我国不同桥型、规模的桥梁实际使用年限、到达设计使用年限桥梁的继续使用年限分析。这7 875座桥梁建设年代的95%置信区间是1958—2002年，平均值和众数均为1980年。
2.1 不同桥型、规模的桥梁实际使用年限分析
对这7 875座五类桥的寿命进行统计，得其实际平均使用年限为30.23 a，根方差为11.68,近似服从Weibull分布。其频数图的拟合情况见图1。
各类桥型的平均实际使用年限均为30 a左右，部分桥型或因样本过少而平均使用年限较低，常见桥型的实际使用年限见表1。
图1 7 875座五类桥实际使用年限的概率密度拟合曲线
Fig.1 Probability density fitting curve of actual servicelives of 7 875 Class 5 bridges
表1 常见桥型实际使用年限
Tab.1 Actual service lives of common bridge types
桥型样本量/座实际使用年限平均值/a根方差/a空心板梁345130.2410.81板拱108531.2612.4整体式现浇板90027.9412.22双曲拱74431.9710.42T梁35729.0710.71
我国不同规模桥梁的实际使用年限统计如表2所示。2011年只有1座特大型桥梁被改造，数据不足以说明特大型桥梁的真实使用年限。
表2 不同规模桥梁的实际使用年限
Tab.2 Actual service lives of different bridge scales
桥梁规模设计使用年限/a样本量实际使用年限平均值/a根方差/a小桥30192528.5711.12中桥50493430.908.88大桥10035729.208.86特大桥>1001510
进行相关性分析知，这些桥梁的实际使用年限与结构形式或桥梁规模均无明显相关性，说明我国早期桥梁设计规范中的安全度远不能满足中桥、大桥和特大桥的使用需求，这与近30 a实际通行荷载远超原设计荷载标准有关。
2.2 到达设计使用年限桥梁的继续使用年限分析
根据这7 875座五类桥的相关信息，有47.0%的小桥和4.3%的中桥服役超过设计使用年限。取到达设计使用年限之后的桥梁进行分析，得到在到达设计使用年限后，小桥和中桥的继续使用年限如表3所示，其频数直方图分别如图2、图3所示。
表3 小桥和中桥的继续使用年限
Tab.3 Extended lives of small and medium bridges
比较项目小桥中桥样本量/座905214继续使用年限均值/a7.835.25继续使用年限方差/a6.858.34
图2 905座到达设计使用年限小桥的继续使用年限频数图
Fig.2 Frequency graph of extended lives of 905 smallbridges over design service lives
图3 214座到达设计使用年限中桥的继续使用年限频数图
Fig.3 Frequency graph of extended lives of 213 mediumbridges over design service lives
这些已到达设计使用年限的桥梁中，有13.6%的小桥继续使用1年即到达五类，61.2%的中桥继续使用1 a即到达五类。可见，到达设计使用年限后，桥梁往往很快就达到五类，需要重点关注。
通过国外文献调研以及对2011年危桥改造管理中上报的7 875座桥梁的实际使用年限进行分析，得到各国桥梁实际使用年限与寿命终止原因见表4。
表4 各国桥梁实际使用年限与寿命终止原因调研表
Tab.4 Investigation of actual service lives and reasons of life termination for bridges at home and abroad
国家美国\[10\]荷兰\[11\]瑞典\[12\]我国样本量/座327829791797875设计使用年限/a7550，100(重要桥梁)50，100(重要桥梁)小桥30～50，中桥50～100，大桥/特大桥100实际使用年限/a66～1024168(老化)，45(新的道路规划)30.23寿命终止原因—主要是功能更换或是经济性的要求老化(72%)，新的道路规划(28%)技术状况被评为五类
我国桥梁的平均实际寿命远低于荷兰、瑞典和美国，小桥的设计使用年限亦低。荷兰桥梁改造或废弃的原因主要是适用性和经济性的不足，而瑞典桥梁拆除的主要原因是桥梁老化导致的承载力不足。我国以桥梁技术状况到达五类作为寿命终结准则，主要关注了结构安全性，对适用性和经济性则考虑较少。
国内外规范中，并无针对到达设计使用年限后的桥梁检查、桥梁评定等的特殊条文。本文重点调研了美国《国家桥梁检查规范》(NBIS)[13]和《AASHTO 桥梁构件检查指南》[14]、英国《公路结构检查规范》(BD 63/07)[15]、我国《公路桥涵养护规范》(JTG H11—2004)[3]和《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)[16]，比较了各国规范中对老龄桥梁的检查评定。
在桥梁检查方面，美国《国家桥梁检查规范》[13]规定：“桥梁的检测周期不应超过24个月。…某些桥梁的检测周期应小于24个月。应考虑桥龄、车辆荷载特征和已知缺陷来制订桥梁的检测水平和周期”，即老龄桥梁可适当缩短检测周期，提高检测水平。我国《公路桥涵养护规范》[3]规定：“周期性荷载试验一般为在使用20 a后，每隔10～15 a进行一次”，即对桥龄较高的桥梁，无论其技术状况如何，都应定期进行周期性荷载试验。英国《公路结构检查规范》[15]没有针对桥龄的特殊检查要求。
在桥梁评定方面，英国《公路结构检查规范》[15]规定，桥梁总体状态评定时，不应当考虑桥龄等因素。美国《国家桥梁检查规范》[13]《AASHTO 桥梁构件检查指南》[14]和我国《公路桥涵养护规范》 [3]和《公路桥梁技术状况评定标准》[16]在桥梁评定方面均没有针对桥龄做出额外规定。
可靠性标准附录G.1.2规定，结构的使用时间超过规定的年限，宜对既有结构的可靠性进行评定，分为安全性评定、适用性评定和耐久性评定，必要时还应进行抗灾能力评定。这一规定对到达设计使用年限桥梁继续使用的评估指定了内容。
国外规范中未对到达设计使用年限桥梁的检查评定进行特殊规定，但必须注意到，国外桥梁的设计使用年限和实际使用年限均大于我国(见表4)。根据本文2.2节，一方面到达设计使用年限的桥梁数量很多，有些桥梁甚至能使用到两倍于设计使用年限的寿命；另一方面到达设计使用年限的桥梁劣化很快。因此，对到达设计使用年限的桥梁进行全面、系统的检查评估，尤为必要。
本文采用文献调研、规范比较、数据分析的方法对到达设计使用年限桥梁继续使用的依据、桥梁寿命终止原因、继续使用年限、相关检查评定方法开展了研究，得到以下结论：
(1)到达设计使用年限后继续使用，存在设计单位法律责任的减轻和评估单位法律责任的加重，安全性、适用性和耐久性的保证率降低和经济性越来越差几个方面的变化。
(2)我国早期桥梁设计规范中安全度远不能满足中桥、大桥和特大桥使用至设计使用寿命。在未来很长一段时间内，到达设计使用年限的桥梁大多为20世纪80—90年代建成的小桥。
(3)到达设计使用年限后，桥梁往往很快达到五类，需要重点关注。
(4)我国桥梁的平均实际使用年限约为30 a，远低于荷兰、瑞典和美国，小桥的设计使用年限亦低。不同于荷兰和瑞典对适用性的重视，我国桥梁寿命终结的原因是桥梁到达五类，主要考虑安全性不足。
(5)国内外规范中并无针对到达设计使用年限后的桥梁检查、桥梁评定等的特殊条文。我国可靠性标准规定了到达设计使用年限桥梁继续使用的主要评估内容，但具体的评估方法还需进一步研究。
参考文献：
References:
[1] JTG D60—2015, 公路桥涵设计通用规范[S]. JTG D60—2015, General Code for Design of Highway Bridges and Culverts[S].
[2] 交通运输部公路局. 2014年度全国公路养护统计年报[R]. 北京：交通运输部公路局，2015. Highway Bureau of Ministry of Transport. The Statistical Yearbook of National Highway Maintenance in 2014[R]. Beijing: Highway Bureau of Ministry of Transport, 2015.
[3] JTG H11—2004, 公路桥涵养护规范[S]. JTG H11—2004, Code for Maintenance of Highway Bridges and Culverts [S].
[4] AASHTO LRFD—1998, Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings [S].
[5] BS EN 1990:2002, Eurocode-Basis of Structural Design[S][6] GB50153—2008, 工程结构可靠性设计统一标准[S]. GB50153—2008, Unified Standard for Reliability Design of Engineering Structures[S].
[7] JTG B01—2014, 公路工程技术标准[S]. JTG B01—2014, Technical Standard of Highway Engineering[S].
[8] JAMES F. Last Minneapolis Bridge Collapse Lawsuit Settled For ＄52.4 Million[EB/OL]. [2010-08-23]. http://www.npr.org/sections/thetwo-way/2010/08/23/129387414/minneapolis-bridge-collapse-lawsuits-settled-for-52-4-million.
[9] MINN M S. Settles Last Case in I-35W Bridge Disaster [EB/OL]. [2012-11-14].http://www.mprnews.org/story/2012/11/14/law/i35w-bridge-settlement-jacobs-engineering. http://www.mprnews.org/story/2012/11/14/law/i35w-bridge-settlement-jacobs-engineering.
[10]周履. 美国各类公路桥梁的结构缺陷率及使用寿命期望值的统计数据(1950～1994)[J]. 国外桥梁，1999(3):37. ZHOU Lü. Statistical Data of Structure Defect Rate and Expected Value of Service Life for All Kinds of Highway Bridges in America (1950-1994)[J]. Foreign Bridges, 1999(3):37.
[11]VAN NOORTWIJK J M, KLATTER H E. The Use of Lifetime Distributions in Bridge Maintenance and Replacement Modeling [J]. Computers and Structures, 2004, 82(13/14):1091-1099.
[12]MATTSSON H, SUNDQUIST H. The Real Service Life of Road Bridges [J]. Bridge Engineering, 2007, 160(4):173-179.
[13]23 CFR 650C—2008, National Bridge Inspection Standard [S].
[14]AASHTO MBE—2011, Guide Manual for Bridge Element Inspection [S].
[15]BD 63/07, Highway Structures-Inspection and Maintenance [S]. [16]JTG/T H21—2011, 公路桥梁技术状况评定标准[S]. JTG/T H21—2011, Standards for Technical Condition Evaluation of Highway Bridges[S].
WANG Yu-qian, MA Rui, ZHAO Shang-chuan
(Research Institute of Highway,Ministry of Transport, Beijing 100088, China)
Abstract： 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.
Key words： bridge engineering; problem of extended service; data analysis; bridge over design service life; safety degree
收稿日期：2016-03-01
基金项目：交通运输部科技项目(2013318223040；2015318J30050)
作者简介：王玉倩(1984-)，女，陕西户县人，副研究员.(starrybluewong@gmail.com)
doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.015
中图分类号：U446.3
文献标识码：A
文章编号：1002-0268(2016)11-0099-05
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