论城市桥梁的经济性、耐久性和创新性

穆祥纯

（北京市市政工程设计研究总院，北京市 100082）

0 引言

随着我国现代化建设的快速推进，我国城市桥梁建设进入了全新的发展阶段，并得到了空前的发展。北京、上海、天津和重庆等一大批城市桥梁的建设令世人瞩目。城市桥梁通常指城区范围内建造的跨河、跨江、跨海桥梁，立交桥梁及人行天桥等。我国现行的《城市桥梁设计载荷标准》(CJ 77—1998)将城市桥梁定义为：“城市内新建、改建的永久性桥梁和城市高架道路结构以及承受机动车辆荷载的其他结构物。”

近三十多年来，特别是进入21世纪后的十多年来，我国城市桥梁在桥型、跨径、施工方法与新技术应用等方面都有重大突破，并跻身世界前列。与此同时，我们不应回避的现实是，在城市桥梁快速发展的同时，也时常发生桥梁的垮塌和伤人事故。据不完全统计，最近6年来，全国有二十多座大桥发生垮塌事故，造成约200人伤亡。在垮塌的大桥中，有近六成的大桥寿命不足20年，由此引发人们对城市桥梁安全性的反思，因此应高度关注城市桥梁的经济、耐久、创新等相关问题。

1 城市桥梁经济、耐久和创新理念的内涵诠释

笔者认为关注城市桥梁的经济、耐久和创新十分重要，但首先要确保城市桥梁结构安全，即合理地确定其结构可靠度。桥梁结构可靠性是指结构在规定的时间内（即设计基准期）、规定的条件下完成预定功能的能力。它包括安全性、适用性、耐久性3个方面，用概率来研究和描述就是所谓的结构可靠度。桥梁结构的安全性是指结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力以及在偶然事件发生和发生后仍保持必要的整体稳定性的能力；适用性是指结构在正常使用条件下满足预定使用要求的能力；耐久性是指结构在正常使用条件下，随时间变化仍能满足预定功能要求的能力。

1.1 城市桥梁的经济性

一般来说，城市桥梁的经济性主要是反映桥梁设计和建设的合理性，其重要指标是每平方米桥面的材料用量和单价。桥梁设计的经济性主要是指选择适当的材料以及施工方式，争取以最低的成本建造出既经济又符合要求的桥梁。

如众所知，国际桥梁设计竞赛十分重视能体现竞争力和技术水平高低的单位经济指标。由于中国在材料工业方面与国外的差距，桥梁工程的材料等级是相对落后的。例如钢箱梁的设计，欧美各国主要采用HPS460（欧洲HPS480、美国BHS500、日本SM570）高性能钢材，甚至在局部的高应力区还用少量HPS560、HPS690，以减少厚板，简化构造和制造的难度。我国目前仍采用唯一的一种S345钢材，而且不同厚度钢板的焊接工艺十分不便，也很不经济。在混凝土结构方面，我国大都用C50级，而国外的高性能HPC80已商品化。我国的混凝土桥梁往往显得相对粗笨和肥胖，而国外的混凝土桥梁纤细轻巧得多，外形尺寸较小，壁厚也较薄，其混凝土用量大大减少，由此可见明显的差距。

1.2 城市桥梁的耐久性

桥梁耐久性是指桥梁在正常使用和维护条件下，随时间的延续仍能满足桥梁既定功能的能力，通俗地讲也就是桥梁的使用周期。在世界范围内，对混凝土耐久性的重视始于20世纪70年代末。清华大学陈肇元院士曾撰文指出：“建筑物的耐久性是建筑物及其构件在给定的期限内并在各种作用下维持其功能的能力，而建筑物及其构件的使用寿命则是在其建造完工或生产制成以后，仅在一般的维护条件下，其所有性能均能满足原定要求的期限。”英国学者也提出：“耐久性预测不可能是一门精确的科学，建筑物的预测寿命只能是个估计。”国内外专家近年来十分关注桥梁结构在设计基准期内是否满足预定的功能要求，并把其作为桥梁可靠性评价的重要指标，如美国的北卡罗来那、内布拉斯加和明尼苏达等州，将桥梁剩余寿命作为评价桥梁的重要因素。

研究成果表明，耐久性的研究和评价对桥梁结构寿命的延长和防止重大事故的发生将产生巨大的经济、社会效益。国际标准ISO2394:1998《结构可靠性总原则》中明确：“结构设计的目的是尽量减小结构或结构构件的失效概率，保证其可靠度……结构与结构构件的耐久性是指其在工作寿命期内，在适当的维护条件下，在其所处环境中保持正常工作的能力。”并提出要注意一些相关因素，如结构预期用途、要求的性能、环境条件、材料性能、结构体系、构件形状、结构细部构造、工艺质量、控制水平、专门的防护措施以及在设计工作寿命期的维护等[1]。

1.3 城市桥梁的创新性

技术创新狭义上是指与新产品制造、新工艺过程或设备的首次商业引用有关的技术、设计、生产及商业活动，是涉及技术、生产、管理、财务和市场等环节的综合化过程。

城市桥梁技术创新的目的是在满足使用功能和城区环境的条件下，提高桥梁工程建设的质量，节约建设费用，缩短建设工期，制定合理的工期计划，实现安全、耐久和美观。同济大学项海帆院士指出：桥梁创新是“建设者通过非常规的分析、研究、试验验证、特殊设计和施工解决了难题，取得了具有创新意义的成绩，并对后继工程产生指导意义。技术以发明和创造为核心，并通过发明和创造使某一专业技术不断推陈出新，不断向前发展和进步”。美籍华人邓文中院士认为，创新是发展和改良，延伸传统的概念和方法并使之更好，或是用基本的花费获得更多的价值。创新有多种表现方式，虽然发明也是创新的一个特例，但创新不只是发明。人们不必把创新想象得遥不可及，其实，多一个想法、多一种运用都是一种创新。工程师对整个社会都有一定的责任，他说：“一位桥梁工程师如果不试图在每项设计中尽可能地进行改进，那么他就没有尽到工程师的义务。”应树立自主创新和集成创新的观念，努力实现原始创新，不仅仅满足规模大、跨径大和建桥的高速度，更应关注城市桥梁工程建设中的创新技术、工程质量和桥梁美学，真正实现创造性设计，给人们留下传世的城市桥梁精品。

2 城市桥梁经济、耐久和创新性的案例分析

2.1 案例之一——关于城市桥梁经济性

湖南矮寨特大悬索桥（见图1）是长沙至重庆公路通道吉茶高速公路的控制性工程。该大桥在矮寨镇上空355 m处跨越德夯大峡谷，其主跨跨径1 176 m，是目前世界上跨峡谷跨径最大的钢桁梁悬索桥。大桥地处峡谷，峡谷总体呈V字型，两侧悬崖距离从900 m到1 300 m变化，平均坡度达40°，最陡处悬崖直立，施工场地十分狭小，桥面与谷底垂直高差约330 m，施工难度极大。矮寨特大桥创下了4项世界第一：一是目前为世界峡谷跨径最大悬索桥；二是首次采用塔、梁完全分离的结构设计方案；三是首次采用“轨索滑移法”架设钢桁梁；四是首次采用岩锚吊索结构，并用碳纤维作为预应力筋材。国内专家曾针对此大桥表示：一件好的桥梁设计作品不应该只是有漂亮的外表、惊奇的结构，更应该有的是与自然的有机融合，要科学环保，要与自然、时代、社会和经济和谐，同时更要引领这个行业。

图1 湖南矮寨悬索桥

该工程的突出之处是完成了《特大型桥梁的经济性评价》研究课题。该科研课题依托矮寨特大桥，提交的技术资料齐全、内容翔实、结论可信，成果具有创新性。针对该项目建设特点，在探索特大型桥梁建设项目经济性评价基本原理和方法的基础上，构建了特大型桥梁建设项目经济性评价指标体系，并首次运用系统动力学模型对矮寨特大桥进行了经济性评价，为类似工程投资决策和建设管理起到了参考和指导作用。

2.2 案例之二——关于城市桥梁耐久性

我国北方许多城市冬天消除桥面积雪采取洒盐方式，这对桥梁耐久性产生很大的影响。当桥梁混凝土结构开裂后，内部钢筋容易受氯离子侵蚀，造成桥梁出现桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落及碱骨料反应，从而引起混凝土胀裂等严重损坏问题，严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命，以及行车的舒适性和安全性。我国大多数城市桥梁桥面不做防水或防水不利，对主梁造成了严重的侵蚀（见图2），因此，要重视桥梁结构防水材料的研究，积极研制和开发适合桥梁结构防水的专用材料。

图2 北京某立交桥梁防水不利对主梁的侵蚀

桥梁防水材料应具有较高强度和优良的防水性、延伸性、抗裂性，能适应车辆荷载、温度变化等作用下产生的变形功能；要具有良好的耐热、耐寒性能，能适应较大的温度变化；要具有良好的粘结性、抗剪切性和抗疲劳性，能使防水材料与桥梁主梁混凝土和桥面铺装间有可靠的联结；应满足防水施工工艺简单、便于掌握、造价适中、运输和储存方便，并能确保防水质量。提高城市桥梁的耐久性应从总体上关注提高混凝土的品质，积极采用高性能混凝土，以达到桥梁结构高耐久性、高强度的目的。在结构构造设计上要充分考虑桥梁耐久性要求，提高结构的防水性能，并重视和增加对现有混凝土桥梁的维修养护工作。

自20世纪70年代以来，桥梁混凝土耐久性问题在发达国家受到广泛关注。20世纪80年代美国的相关报告显示：在美国约有25.3万座混凝土桥面结构处于不同程度的损害，而且每年还会增加3.5万座新的病害结构。日本也对部分沿海范围内修建的15座混凝土桥梁进行调查，发现它们在建成后不久出现了由于盐分侵蚀引起的钢筋锈蚀、混凝土剥落、预应力筋损伤等各种病害。我国21世纪以来大规模建造拉索结构桥梁，但并不了解对这类拉索结构的寿命如何预测。据统计，拉索寿命为2～16 a，约为桥梁设计寿命的1/10～1/5，超出期限，任何时候拉索都有破断的可能。根据发达国家的经验，因为结构耐久性原因而产生的维修费、加固费是昂贵的，例如拉索结构桥梁其拉索破断毁桥的修复费用已达全桥建造当年总价的2～4倍，故提高桥梁的耐久性成为迫切需要解决的问题。

2.3 案例之三——关于城市桥梁创新性

重庆朝天门长江大桥（见图3）位于长江上游重庆主城区，西连江北青草坝，东接南岸王家沱，主跨长552 m，全长1 741 m，若含前后引桥段则长达4 881 m，主跨为世界跨径最大的拱桥，超越上海的卢浦大桥。建成后的朝天门大桥，分为上下两层。上层为双向6车道，行人可经两侧人行道上桥；下层则是双向轻轨轨道，并在两侧预留了2个车行道，可保证今后大桥车流量增大时的需求。大桥采用组合式系杆，节省钢材约1 000 t，既节约了资金，还为大桥减轻了重量。

图3 重庆朝天门长江大桥

朝天门长江大桥的创新性表现在：主桥钢桁架拱桥在设计、钢桁梁制造、施工技术、关键技术研究和施工监控中，针对桥梁结构复杂、施工中结构受力状态变化大、施工布置难度大等困难，在诸多方面取得了重大突破。该大桥目前为世界最大跨度拱桥，主桥中部的支座为世界上承载力最大的球形铰抗震支座；在国内钢桥永久结构设计中，首次采用主桥下系杆“钢制杆件+辅助系索”的组合式预应力系杆等一系列新技术、新材料、新工艺、新设备，是我国大跨度钢桁拱桥设计创新的代表作，成为重庆市新的地标性建筑。

研究表明，现今斜拉桥的跨度已突破千米，且尚有发展的潜力，在1 200 m跨度范围内，完全自锚的斜拉桥的经济性将明显优于悬索桥 , 而且多跨斜拉桥的刚度、抗风稳定性和可施工性也优于多跨悬索桥。如德国和丹麦之间的费马恩海峡的桥梁方案 (Fehmarnsund Bridge)选用多跨780 m的斜拉桥，可满足20万t海轮的通航要求，是最经济的跨海工程方案，也为我国长江下游的越江工程和东南沿海的跨海连岛工程提供了重要借鉴[2,3]。

3 城市桥梁经济、耐久和创新性的研究趋势

3.1 全寿命设计理念将被广泛应用

对我国目前已建城市桥梁的统计分析表明，桥梁工程耐久性更多的只是作为一种概念，虽然桥梁设计中提出了使用年限的要求，但还没有进行专门的耐久性设计，桥梁设计中更多考虑强度要求，而考虑耐久性较少，存在着重视强度极限状态，而忽视使用极限状态的倾向。

欧美国家的最新成果表明，如果在桥梁设计和建造时期未充分考虑桥梁的安全性和耐久性，将会在桥梁运营和维护中付出惨重的代价。近些年来国外专家在分析研究、认真总结以往工程事故经验教训的基础上，提出了全寿命周期成本最小的设计理念，以系统论思想为引领，从项目生命周期的全过程综合看待成本，更加强调工程耐久性的重要性。21世纪后，国内外专家的共识是——必须充分关注城市桥梁在其设计寿命中的健康。有的学者提出，桥梁建设者的责任就是以最大的成本效率来建造在规定服务时间内保持安全的桥梁，应不断提出对更耐久性桥梁的挑战。一个成功的设计必须要预计在桥梁服务寿命期内可能会发生的情况。中国工程院撰写的咨询报告呼吁：要尽快建立基于耐久性全寿命设计理念的桥梁，制定相应的规范标准，使我国桥梁在设计和建造阶段，充分考虑到全寿命的使用性能和要求。

3.2 经济性原则将受到重视

在桥梁建设前期，应考虑如何制定一个最经济的方案，鼓励桥梁建设者实现创新的目标，并在特定环境下实现标志性景观的要求。可适当允许超过基础性方案的造价，但必须要有一个限度，德国的做法是不超过10%。对于城市中小跨度的桥梁，因其投资较少，对特殊的景观要求放宽至15%，超过15%的方案将不予接受，以体现经济性原则的重要性。

在桥型方案的比选中，国内著名专家提出要慎用造价较昂贵、施工期也较长的悬索桥。长江下游的越江工程、沿海的跨海连岛工程，以及中西部山区的跨谷工程中，应优先考虑相对较经济且拉索可以更换的斜拉桥或者拱桥方案。如必须采用悬索桥时应提出充分的理由，而且，对于不可更换的主缆防腐要认真处理，以保证其寿命期中的耐久性。不能仅单纯以追求跨度为由，不顾经济性原则而随意选用悬索桥方案。应充分认识经济性作为判定一个桥梁建设和设计是否成功的基本标准，将桥梁造价保持在一个合理的范围内。

3.3 钢筋混凝土结构的耐久性将不断提高

国内外在混凝土桥梁耐久性研究方面取得了突破性进展。近些年来人们认识到，随着时间的推移，混凝土桥梁整体或局部质量的下降和老化将影响桥梁的耐久性，主要反映在4个方面：一是混凝土裂缝（包括垂直裂缝、斜裂缝和纵向水平裂缝）；二是支座混凝土的局部开裂和混凝土腐蚀（气相腐蚀和液相腐蚀）；三是钢筋的不断锈蚀；四是荷载造成的损伤累积（包括超载运营）。应尽快改变目前在设计图纸上无细化的防水设计、无防水选材说明、防水设计选材不当、降低设计标准等影响桥梁使用寿命和耐久性的现状。对于新建桥梁，建议进行钢筋混凝土结构的预防性保护；对于已经发生病害的桥梁，在进行病害治理的同时，还要做表面的防护，以延长结构的使用寿命。国外在这方面已经进行了数十年的研究和实践，已经有比较成熟的材料和工艺，可以借鉴，但必须指出的是，我国的经济发展水平、混凝土性能与国外有一定差距，必须结合我国具体情况进行改进。国内外的研究和实践都表明，结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。提高钢筋混凝土结构耐久性是一项系统工程，要从设计、选材与施工、维护各个环节着手，特别要体现以设计为前提、为龙头的指导思想，改进我国桥梁防水、防腐结构设计。

3.4 将综合考虑桥梁的安全性和耐久性

各地车辆的超载问题严重危及桥梁结构的安全。国外专家曾说过：“规范的超载系数，绝不可能达到足以防备设计可能的大错误，但是许许多多的中小错误都可以用规范的超载系数来防备。”“规范是分析、设计和偏于安全思路的结合。”近些年，我国城市桥梁结构的安全性与耐久性是一对孪生兄弟，我们面临的情况是：桥梁结构安全问题虽已受到重视，但各种事故却时有发生；耐久性常被忽略，潜伏着不安全的隐患，直接影响着桥梁结构的使用寿命和年限，应慎重研究，统筹考虑。

国内外的研究和实践表明，结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。要尽量减少桥梁使用期间的事故，不断提升对桥梁工程耐久性的重视程度，需从工程建设的指导思想、制度、技术、养护、运营管理等方面全方位提高桥梁的工程耐久性。对于不可更换的部件要保证其可检性和可修性；对于一些不可能全寿命使用的部件，如支座、拉索等则要具有可检性和可换性；要采用各种先进的健康监测手段使病害能被早期发现，并通过及时养护、维修和更换等措施以保证桥梁的全寿命服务质量。在桥梁设计中，必须对桥梁倾覆稳定性进行分析，优先选用抗倾覆能力强的结构形式，增加相应的构造措施来提高桥梁的抗倾覆安全性能，并进行长期的、专门的科学研究[5]。

3.5 桥梁结构承载能力的评估研究将会得到更大发展

近年来，桥梁结构承载能力的评估研究取得了重大进展。桥梁运行评估最首要的是合理评估既有桥梁的承载能力并使之规范化。桥梁承载力的评估应是建立在现有桥梁设计规范的基础上，而不同的桥梁构件承载能力的表达方式是不同的。国外学者Talyt提出的承载能力评估方法被广泛采用，其主要思想是用各种构件的活载承载能力和各种桥梁构件在设计活载下的最大弯矩、剪力和轴力的比作为各单元承载能力的评估指标。对于不同形式的桥梁，其承载能力的评定方法也不同。常用的方法包括：基于外观调查评定法、基于设计规范的方法、荷载试验的方法、基于专家经验的方法和基于结构可靠度理论的方法。

3.6 通过采用高性能混凝土提高桥梁的防水性

2010年我国《城市桥梁桥面防水工程技术规程》（以下简称《规程》）正式颁布实施，该《规程》全面反映和吸收了我国城市桥梁桥面防水技术在设计理念、防水技术及防水材料方面的科技研发和工程实践的创新成果。《规程》明确了设置桥面防水层的原则，揭示了城市桥梁桥台防水的特点，明确了防水层的适用范围，规定了防水等级的划分。《规程》特别诠释了桥面防水应树立城市桥梁桥面防水是一个“系统工程”的理念。这些设计思想充分反映了近年来我国城市桥梁桥面防水技术在设计理念和提高桥梁耐久性方面的最新成果。

一般来说，钢筋混凝土桥梁结构防水应着眼于自身防护，并提倡应用高性能混凝土。自20世纪80年代以来，工程建设领域以提高耐久性为目标，广泛采用高性能混凝土。高性能混凝土加入了比水泥颗粒小约100倍的胶凝材料，如微硅粉、优质粉煤灰，并采用高效减水剂使混凝土可以采用较低的水灰比，拥有良好的养护条件。其结果是减小了骨料与胶凝材料间的间隙，使其粘结强度提高，在混凝土整体强度提高的同时，密实度增加，混凝土自身抗渗性提高，从而大大提高混凝土的耐久性，这已在世界各地引起人们的广泛重视[6，7]。

4 对策建议

（1）应充分认识城市桥梁经济、耐久和创新问题的重要性，积极应用最新的科研成果，并通过各类工程和非工程措施，提高我国城市桥梁建设的正常使用能力和结构的耐久性。桥梁工程建设者和相关主管部门应将城市桥梁作为城市生命线工程最重要组成部分给予高度关注。

（2）应进一步加强城市桥梁创新性的专题研究，引入创新理念和运作机制，积极开展城市桥梁的创新工作，在满足使用功能和城区环境的条件下，提高桥梁工程建设的质量，节约建设费用，缩短建设工期，制定合理的工期，实现城市桥梁的安全、耐久和美观。

（3）对已出现的城市桥梁坍塌事故和案例，应本着科学、客观、公正的态度，将最终的结论公之于众，并组织召开专题研讨会，使更多的人从国内外发生的事故案例中汲取有益的经验和教训，防微杜渐，通过共同努力，使我国城市桥梁的风险损失降至最低。

（4）应在准确、细致的灾害调查基础上，对城市交通和社会基础设施的现有荷载设置、设计方法和规范进行系统评估，总结相关经验教训，并为建立安全、合理的防灾设计体系提供科学依据。加强对桥梁结构的安全防护与监测、环境保护与节能、新型建筑材料的开发与推广，以及网络化监测与控制等领域等系统的开发研究。

（5）应总结近年来国内四川汶川、青海玉树等特大地震的经验，根据震害对桥梁结构所造成的损失情况及分析结果，适当调整我国的地震区划，适当提高我国结构抗震设防标准；专题研究城市桥梁的设防标准，提高城市桥梁抗御灾害的能力，进而避免和减轻重大地震灾害造成的损失。

（6）针对我国城市桥梁耐久性和安全性研究的基础性工作较薄弱的特点，应尽快建立桥梁风险评价基础资料数据库，包括桥梁事故、灾害实例数据库等。加强对自然灾害风险，如风暴、潮流及波浪灾害风险，暴雨及内涝、地震及海啸风险，雷击风险等；意外事故风险（不可抗力），如船舶碰撞、桥梁结构施工技术创新、主要施工设备、管理及责任等风险的深入研究。

（7）积极开展相应的科研工作，高等院校、科研机构应和从事城市桥梁建设的设计、施工、监理和建设方密切结合，共同推进我国城市桥梁风险评价领域的发展。

（8）加强与国际同行的交流，积极关注国际上该领域的发展趋势，及时了解和搜集国外的最新科研成果，开展国内外的学术交流活动，大力促进我国城市桥梁建设的技术进步，推动我国城市桥梁建设的可持续发展，并朝着世界桥梁强国的目标迈进[8]。

[1] JTGD D62—2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2] 项海帆.中外新建桥梁中的技术创新比较[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3] 鲍卫刚,周泳涛,赵慧，等.预应力混凝土梁式桥设计施工技术指南[M].北京:人民交通出版社，2009.

[4] 林元培.桥梁设计工程师手册[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5] 穆祥纯.城市桥梁结构安全度和耐久性问题的研究[A].第十六届全国桥梁学术会议论文集[C].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 穆祥纯.论北京城市桥梁设计的创新技术[A].第十七届全国桥梁学术会议论文集[C].北京:人民交通出版社,2006.

[7] 中国公路学会桥梁和结构工程分会.面向创新的中国现代桥梁[M].北京:人民交通出版社，2009.

[8] 穆祥纯.基于创新理念的城市桥梁及市政建设[M].北京:人民交通出版社，2012.