摘要：随着我国山区高速公路建设项目的不断增加，桥梁的设计和施工越来越复杂，设计和施工中存在着诸多的不确定性因素，任一环节的错误或疏忽，都会大大降低结构的安全性和长期性能，为结构安全埋下隐患，因此高墩桥梁的安全风险至关重要。本文以贵州省瓮马高速周家院大桥为例，结合工程项目特点，从高墩桥梁设计和施工中的五个风险评估分析，并提出相应的建议和解决措施，为工程方案的完善提供必要的科学依据。
关键词：高墩；风致灾害；垂直度；汽车超载；高空作业
1工程概况与工程分析
贵州省瓮马高速周家院大桥上部结构采用装配式预应力砼连续小箱梁；下部结构采用柱式墩、实体墩及空心墩，其中8号~13号墩墩高均超过100m，最大墩高达到105m。全桥最突出的特点就是高墩引起的设计、施工及运营风险。
周家院大桥具有跨度大、自然条件复杂、施工环境恶劣的特点，项目的建设会因为各种不确定性因素的发生降低结构的安全性和长期性能，为结构安全埋下隐患。因此在设计中需重点考虑山区风影响、地震作用、高墩荷载不确定性；施工阶段需重点考虑基础施工事故、高墩施工组织和安全、预应力工程，特别需要重点考虑高空施工的安全问题；运营阶段需重点考虑贵州特有的冻雨影响，以及高墩、检修与养护等问题。
2风险评估方法
根据《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》要求，结合具体的评估目的建立评估评估方法。风险评估归纳起来共包括定性方法、定量方法两种。这些方法各具特色，互相补充，但彼此并不能替代。本次评估采用专家调查法。
根据桥梁的建设特点，确定本桥建设条件可能存在的风险源有多项，文章选择以下四个重点风险源进行论述。
3建设条件风险
从施工风险和风致灾害风险两方面进行阐述。
3.1施工风险：桥梁施工阶段处于结构不稳定状态，桥墩属于悬臂受力状态，地震作用下墩顶位移会比计算值大，其它可能产生的损失，仍是在决策过程中需要考虑的方面。
3.2风致灾害风险：本桥风致灾害风险主要发生在施工过程中，在主梁架设前的自立状态。结构未形成稳定体系，其抗风性能与成桥相比相差较大。若箱梁架设期间的风致振动对工人的正常工作有影响，则工人发生安全事故的概率将大大增加。为了确保施工人员的安全，在此期间应该停止施工。另外，施工期间如果出现较大风力，桥面上的施工机具等有可能被风吹落，造成事故，应该加强桥上设备、部件的连接牢固，防止吹落发生事故。
4结构方案风险
本桥设计方案中下部结构墩身较高，上部结构箱梁采用装配式预应力混凝土结构。小箱梁结构由于截面、结构等问题会出现各种病害，加上混凝土本身的龄期影响和管控人员的养护不力等原因，耐久性也会受到影响。
山区地形复杂，对风场的干扰影响很大，风经过山体受到阻隔时，风向和风速都会发生明显改变。本桥高墩最大高度均超过100m，且位于山区峡谷地段，受山区峡谷可能产生的峡谷风和越山风效应，风荷载效应可能比规范规定更为不利，尤其是在极端风荷载作用下对结构承载力及稳定性的影响。鉴于本桥最高墩高达到105m结构形式除应满足结构承载力、稳定性以及变形能力的要求外，还应考虑山区特殊风荷载及施工便利性。综合考虑以上因素，并结合目前已建成的工程实例，本桥高墩型式采用变截面单薄壁空心墩，横桥向宽度未7m，纵桥向墩顶宽为3.2m，并沿墩高方向宽度按1:60向墩底渐变，方案是合理的。
5施工方案风险
高墩施工风险：本桥采用高墩形式，部分高度截面有变化，特别是最高主墩达105m，墩身施工时间长，难度大，因此墩身施工过程中的安全事故、地质灾害等均可能引起较为严重的风险事故。
5.1高墩施工垂直度控制
高墩采用爬模施工，施工周期长，模板安全风险问题突出，同时，桥墩高度大，垂直度和稳定性严重影响结构受力性能和安全性。高空作业施工精度控制有一定难度，存在垂直度不达标风险。误差过大不仅影响美观，而且会对结构性能产生影响。为此必须严格控制高墩施工精度，保证小箱梁的正常架设。桥墩在施工过程中会一直承受水平力的作用，对桥墩的垂直度影响很大。桥址区地形为高山峡谷，山区阵风对桥墩施工过程垂直度有很大影响。
日照温差也是导致高墩垂直度问题的重要因素。由于日照温差引起的高墩中心偏移值与其柔度系数和温差成正比，本桥桥墩的截面形式和高度决定了其柔度系数较大，温差作用下势必产生较大的位移。
5.2高墩施工中临时设施及模板安全
本桥在施工过程中，临时设施较多，且其刚度、强度和稳定性直接影响桥墩施工的质量，因此尤其需要注意施工过程中可能发生的事故。模板装置周转使用次数较高，滑模或爬模时容易造成模板构件的损伤，模板构件失效概率提高，发生事故的可能性也有所增加，本桥墩身高、施工时间长，这一风险影响将长期存在。
在施工过程中应该严格按照规定和规程操作，仔细检查每个环节的安全保障措施，对于损坏的模板需及时更换，避免失效造成事故。通过合理科学的管理可以有效的控制此类风险。
5.3施工人员安全
本桥横跨山谷，地面相对高差接近110m，地势陡峭。如果出现桥上施工人员跌落事故，后果严重，应严格设置防护网、加强安全教育。桥梁高空作业带来的安全事故时有发生，大多数原因是安全管理力度不够、缺少高空作业安全培训、防高处坠落的安全措施、设备不齐全等。
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6运营管理风险
6.1凝冻风险
凝冻会影响桥梁结构和行车的安全性，周家院大桥位于贵州山区，而凝冻是贵州主要灾害性天气之一，其出现次数之多居全国首位，桥梁在运营过程中发生凝冻风险概率较大。
6.2重载车辆
汽车超载产生的后果为以下几个方面：
（1）长期的超载使得桥梁处于高负荷状态下运营，降低了桥梁结构的使用性能，使得桥梁结构存在突发破坏的可能。
（2）在超载车辆作用下，对于混凝土箱梁而言，可能发生开裂。裂缝虽然在荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土结构为弹塑性材料，弯矩、刚度均会出现不同程度的下降，严重影响了结构的长期使用性能和结构的耐久性。
（3）汽车超载会对桥面铺装层的耐久性产生不利影响，加速了桥面铺装病害的产生。周家院大桥桥址区域交通量大，重载车多，结合考虑后期贵遵高速公路的发展情况，本桥主桥在运营过程中重车通过的可能性较大，因此，必须考虑重车通行风险。
6.3结构退化
周家院大桥桥址区位于贵州西部山区，气候潮湿，对结构耐久性影响较著。桥址区影响混凝土耐久性的因素主要包括以下两个方面：
（1）桥址区雾多湿重，空气湿度大；
（2）混凝土地材骨料碱性较大。
这些不利因素会影响混凝土碳化、氯离子侵蚀等性能退化进程的改变，加速混凝土性能的退化，引起混凝土构件的退化，影响桥梁结构的耐久性。为了有效的降低此类风险，经过对结构体系及上述影响耐久性问题的机理分析，本桥耐久性问题应注意以下几点：1）增加保护层厚度可以延长在正常退化规律下钢筋的锈蚀时间，但对延缓结构性开裂基本没有帮助。开裂问题一旦发生，将改变退化规律。因此，针对关键部位应考虑开裂在结构运营较早阶段发生后的耐久性补救措施，或针对可能的开裂形式进行抗裂设计，优化钢筋布置；2）开展有关数值模拟，进一步量化桥区环境对混凝土的耐久性影响，预测耐久性主要极限状态的达到时间，进一步优化设计；3）建议考虑在车辆超载影响下的局部开裂问题，并进行耐久性设计优化。
6.4高墩检修与养护
对于周家院大桥而言，考虑到其高墩结构体系特点，在结构性检查或特殊检查工作中需要借助高空作业设备以满足大桥日常的检查和维修工作。参考建筑工程中常用的高空作业设备，对于本桥而言，用于结构性检查或特殊检查工作的比较理想的设备就是桥梁检查车及建筑吊篮。
由于高空作业，在强风影响、强风导致的振动、车辆振动也易导致人员和工具坠落，为检查带来较大的安全风险。甚至有很多关键部位由于设计时考虑不足导致后期无法检修，使得局部失效而无法更换，甚至影响到全桥的安全性。为了降低此类风险需要在设计阶段充分考虑桥梁后期养护需要的检修平台、检修通道、检修设备等，在施工中进行预留和建造，便于后期使用。同时在检修的过程中需要建立合理科学的工作制度，完善的安全体系和操作规程，确保在检修过程中的人员和设备安全。
7结论及建议
根据周家院大桥设计方案风险评估结果统计结果可以看出，风险最高等级均为II级，主要风险共14项，处于II级风险水平的有8项，分别为边坡稳定、高墩荷载作用不确定性、桩基础施工事故、高墩模板事故、冻雨灾害、车辆超载风险、耐久性能退化加速、高墩检修与养护。
综合本次评估内容及调查结果，针对周家院大桥的建设条件风险、结构方案风险、施工方案风险和运营管理风险，建议采取措施如下：
（1）针对施工期风致灾害，考虑本桥高墩及山谷地形特征，建议建立桥面风速与气象站风速的准确换算关系，建立本桥专用施工安全风速控制标准体系。
（2）加强运输通行管理，严格控制超重车辆上桥，可建立大桥健康监测系统，对发现的桥梁病害，养护人员应及时加固处理；同时进行桥梁护栏的型式、材料、强度方面的研究，以减缓失控车辆坠落风险。
（3）对高墩的性能不确定性和施工难度有充分的估计，深入研究结构性能，创新结构性能，充分满足结构全寿命性能最优的要求。例如借鉴已有工程经验，高墩结构可采用钢管混凝土劲性骨架与外包混凝土形成的组合柱，提高高墩结构的承载力和延性。
（4）在运营阶段充分考虑冻雨桥面防滑和车辆运营安全问题。建议桥址区域预留混凝土块，与桥梁同期养护，以此考察混凝土收缩徐变特性及不良环境对混凝土结构性能的损伤。
综合风险分析、专家调查结果，按照我国目前正常的桥梁设计、施工、设备、管理、材料以及建设经验和教训，结合当地同类桥梁建设和运营情况，周家院大桥仍存在一定的风险因素，在采取综合防范措施（正常设计、正常施工及正常运营条件）的前提下，风险水平是可以接受的。
参考文献
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[4]郭涛.桥梁设计阶段安全风险评估研究[D].长沙：中南大学,2012.
论文作者:朱坤
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/26
标签：风险论文; 结构论文; 桥梁论文; 耐久性论文; 大桥论文; 混凝土论文; 性能论文; 《基层建设》2019年第2期论文;