目前，一部智能手机平均更换的周期约为一年半，一辆普通汽车报废的年限为15年左右。可是，对那些位于交通网络中、服务于社会的众多桥梁呢？是否也能说更换就更换，说报废就报废？

在“亚东桥话21”中，简要讨论了桥梁总体宏观发展的“三段论”构想，指出在第三个阶段（养修为主阶段）社会将承担巨大的桥梁养修压力，对此需提前制订应对策略和技术措施。在“亚东桥话22”中，分析了桥梁这一特殊产品的寿命要求及其现状，认为材料耐久性和结构安全性水平、服役期间自然及人为因素的影响是决定桥梁寿命长短的主要原因。本文拟讨论一下开展桥梁长寿命研究的目的和意义，并从技术角度简要介绍几个工业化国家在延长桥梁寿命方面所做的一些工作。

为何要开展桥梁长寿命研究？

与电子和汽车产品不同，桥梁结构形体庞大、投资巨大，位于交通网络之中；其所提供的使用功能，对于社会的稳定和有效运行具有很大作用；而其损毁或破坏，则会使社会受到巨大损失。因此，保证桥梁结构的安全耐久是十分重要的。

但是，随着桥龄的不断增长，一部分桥梁不可避免地会出现耐久性问题和安全性隐患。基于“三段论”的构想，在一个较为成熟的陆地交通网络中，会在一个相对不长的时期内，相当数量的桥梁会出现影响交通的各种问题。为简化描述，姑且称其为“短期多桥”问题。

从技术角度看，一座桥梁出现问题了，自然先是修复，不行就废弃更换。可是，当出现“短期多桥”问题时，问题可能就比较棘手了。

第一，大规模的桥梁修复更换需要巨大的投入，而在一定时期内，社会能为桥梁修复更换所支付的人力和物力，总是有限的。

第二，修复更换的过程会削弱交通网络运输功能，同一时期内需要修复更换的桥梁越多，对网络运输功能的削弱就越大，由此带来的社会间接损失也非常大。美国有文献指出，因桥梁维修造成的交通阻滞带来的社会间接损失是维修费用的10倍。另一个具体例子是：2007年8月垮塌的美国I35W公路上的密西西比河桥（图1上），因交通中断造成的间接损失每天$40万，更换时段内的总损失是$1.65亿，而新桥（取名I35W圣安东尼瀑布桥，图1下）的建设费用约为$2.5亿（包括赶工费）。

图1  美国新、旧I35W公路桥

第三，对一些重大桥梁（尤其是大跨度的公铁两用桥）而言，因其投资巨大，交通辐射面广，几乎不能中断或不可更换。

可见，当需要修复更换的桥梁在数量上越来越多、在时间上相对集中时，桥梁寿命的长短对交通运输及经济发展的影响就显得十分重要了。为避免今后交通网络中出现社会难以承受的“短期多桥”问题，有必要及时开展桥梁长寿命研究。

开展桥梁长寿命研究的目的，主要在于：

●  提升既有桥梁的耐久性和安全性，力图使桥梁达到设计使用年限或延长桥梁的使用寿命；

●  总体上可节省巨额经费投入，缓解今后“短期多桥”问题带来的巨大社会、经济和交通压力；

●   促进桥梁设计理论和技术的进步。

欧日美的研究进展

从20世纪80年代起，世界发达国家中的桥梁工程重心就开始逐步转移到桥梁的养护维修、鉴定评估和加固改造方面。进入21世纪后，在欧盟、美国和日本等国家和地区，开展了更多的与延长桥梁寿命相关的科研和工程实践，例如，欧盟的可持续桥梁（Sustainable Bridges）项目和长寿命桥梁（Long Life Bridges）项目，日本的桥梁长寿命化维修计划（橋梁長寿命化修繕計画），美国的桥梁长期性能研究计划（Long Term Bridge Program）和第二期公路战略研究计划（Strategic Highway Research Program, SHRP-2）等。限于篇幅，本文有选择地介绍其中一些项目的基本内容。

欧  盟  可持续桥梁（Sustainable Bridges: Assessment for future traffic demands and longer lives）

该项目由“欧盟第六框架计划”资助，起讫时间为2004-2007年。所谓“欧盟框架计划”，是欧盟成员国和联系国共同参与的中期重大科技计划，以国际科技前沿主题和竞争性科技难点为研究重点，具有研究水平高、涉及领域广、投资力度大、参与国家多等特点。

该项目以欧洲铁路桥梁为研究对象，资助经费超过€1千万。研究团队来自于欧盟12个国家的32家单位，包括业主、咨询公司、承包商、研究机构和大学，由此构成了从用户到设计、建造和研发的完整研发链条。

项目拟达到的三大目标是：（1）提高既有桥梁的运输能力，期望对普速的货物运输，可将轴重提高到33t；对轴重较小的客运，可将速度提高到350km/h；（2）延长既有桥梁的剩余使用寿命，量化为25%；（3）升级桥梁养护维修、加固修复的管理系统。

项目对欧盟的铁路桥梁现状进行了调查（部分数据见“亚东桥话22”），也对欧洲铁路桥梁业主感兴趣的10个问题进行了问卷调查，据此拟订项目所应开展的研究工作。排在前3位的问题如下：（1）更好的评估工具；（2）非破坏性维修方法；（3）设计和评估中理论动力系数的确认。据此，分成6个工作组来分别开展各项技术研究工作：

第1组 检测技术与状态评估。主要研究自动检测和各种方法的组合运用。采用各种非破坏性方法（雷达成像、超声波等）检验结构的缺陷或病害。

第2组 监测技术。评估现有监测技术（传感器、数据通信和数据处理），研究基于光纤传感器技术和微型机电系统的无线传感器网络。小型、集成的微机电系统则可显著降低监测成本，且因不受电磁场干扰而适用于铁路桥。

第3组 承载能力和抗力评估。基于在铁路桥梁荷载及动力响应、简化的概率评估方法、测试数据的贝叶斯更新、钢和混凝土桥梁疲劳、钢筋腐蚀及其效应、桥梁分析的非线性有限元方法等的研究成果，提出“欧洲铁路桥梁荷载及抗力评估指南”和相应的评估流程图。同时，针对大量长寿命的在役圬工拱桥研制出一套新的评估算法。

第4组 修复与加固技术。基于实验室试验开展修复和加固技术研究。这些技术或方法无需长期中断交通，而且经济环保。其中CFRP是修复与加固材料的研究重点。

第5、6组 试验与验证。分别对一座钢桥、一座混凝土桥和一座圬工拱桥进行现场试验，将测试结果与理论评估值进行比较。实际动力放大系数测试结果表明：桥梁可承受的轴重高于规范值。破坏试验结果表明：经CFRP材料加固后的桥梁承载力远远高于未加固者。

项目的代表性成果之一，是提出基于规范和试验的“三阶段”评估流程，见图2。可见，把一座桥梁的评估流程分为由浅入深、由易到难的三个阶段，即“初期阶段”、“中间阶段”和“强化阶段”，既可节省人力物力的投入，但又确保能充分挖掘出桥梁的潜力，以达到提升运输能力和延长使用寿命的目的。另外，在这框图中，也将桥梁评估结果与桥梁管养决策结合起来，以使桥梁管养更为科学合理。

图2  欧盟铁路桥梁“三阶段”评估流程图

日  本  桥梁长寿命维修计划（橋梁長寿命化修繕計画）

2009年，日本东京都建设局提出“桥梁管理的中长期计划”，其中包括桥梁长寿命维修计划的内容。这一计划的核心之处，就是将过去惯用的以“事后维修”为主的方法改为以“预防性维修”为主的方法。2013年，日本国土交通省将这一方法向全国推行，并从桥梁工程领域拓展到各类土木基础设施。

日本推行桥梁预防性维修的一般程序是：先对各辖区内的桥梁进行检查，统计出桥梁的类型、材料、构造特点、服役时间等基本信息；再对桥梁的老化现状及其发展趋势进行分析，对桥梁的劣化或缺陷进行调查并开展健全度评估；最后针对本辖区的桥梁状况提出对应的管养策略（主要与桥梁健全度有关，也与桥梁重要性和管理水平等有关），并制订实施计划和落实经费投入。

到2013年4月，日本全国95%的桥梁（长度15m以上）完成了检查，79%的桥梁已纳入长寿命化维修计划。对都道府县和政令市辖区内的桥梁，维修计划约完成了30%。

“事后维修”与“预防性维修”的比较，见图3。

图3  预防性维修与事后维修的比较

图3描述了健全度分级、不同维修方式下健全度的变化、维修方式与周期、经费投入等之间的关系。从图中可见，桥梁健全度共分5级，从优到劣，分别为健全、良好、关注、警告和危险，这与我国公路桥梁总体技术状况评定的5个等级类同。

过去惯用的做法（红色虚线所示）是：当健全度下降到“警告”一级时，才启动维修，即典型的“人不病不治、桥不坏不修”。这样的维修方式所带来的问题是：因劣化较为严重，每次维修的费用高；而且，即便通过维修使桥梁回升到“健全”，但因劣化已对结构的耐久性产生了不可完全逆转的负面影响，随着时间的推移，下一次出现劣化的时间可能会提前（维修周期缩短），劣化可能更为严重（健全度削弱），将结构再恢复到“健全”的代价就更高。如此下去，修桥花费不菲，但使用寿命却会缩短。

对比看看预防性维修（图中蓝色实线所示）的效果。当健全度下降到“关注”一级时，便启动维修。因劣化轻微，故每次维修规模小，维修费用不高；而且，轻微劣化对结构耐久性的负面影响也会轻微，于是，其维修周期比事后维修的周期长，每次维修费用也较少。这样，不仅节省了维修经费，同时也延长了使用寿命。

日本的这套做法，应该说不是新的技术创新。我国铁路桥梁在20世纪80年代之前就采用过预防性维修，公路桥梁从20世纪90年代中后期开始推行预防性养护的理念和技术；目前实施的桥梁养护规范中，也是已“预防为主、防治结合”为原则。实施这一维修制度的关键，主要不在技术，而在管理。这是因为：第一，对既有桥梁的全面检查、统计、评估并提出有针对性的维修决策，是一项耗时费力的工作；第二，评估及维修所需的人力物力能否及时到位，取决于国家对桥梁维修的重视程度和经费投入力度。

可以看出，日本的桥梁预防性维修是一项全国统一组织、全面实施的活动，这是迫于越来越大的养修压力而不得已采取的应对措施。目的只有一个：尽量少花钱、多办事（延长桥梁使用寿命）。

美  国  公路战略研究计划（Strategic Highway Research Program, SHRP）

1987年，美国联邦政府资助$1.5亿，开始了为期5年的公路战略研究计划。这项计划由国家科学研究委员会（NRC）领导，其下设的运输研究委员会（TRB）承担组织实施，美国国家公路和运输协会（AASHTO）和联邦公路管理局（FHWA）参与合作。

SHRP的主要目的，是对公路系统的一些重大问题开展技术攻关，以大幅节约建养成本，促进技术进步。这些重大问题主要包括：

●  沥  青：改性材料、高性能路面混合设计方法及标准规范；

●  路  面：沥青和混凝土路面的修复方法和材料，路面修复手册和指南；

●  水泥和混凝土：改良的桥梁和路面混凝土材料，钢筋防腐方法，延长混凝土路面和桥梁结构使用寿命的试验方法和指南；

●  冰雪清除及化学污染控制。

到了2006年，美国再次启动公路战略研究计划，取名SHRP-2（先前的就改称为SHRP-1）。SHRP-2的研究经费增加至约$3.5亿，研究周期延长为10年（2006-2015），研究主旨也从SHRP-1的技术为主调整为以人为本（口号是：关爱生命，减少拥堵，改善生活质量）。

图4所示者为美国SHRP-2的4个研究领域。与桥梁相关者，在Renewal（结构更新）这一部分。Renewal的内容，是针对公路交通基础设施（包括桥梁）的系统化修复改造，研发相关技术和解决方案，并要求这些技术和方案应实施便捷，对正常交通影响最小，并可延长设施的使用寿命。

图4  美国SHRP-2的研究领域

在Renewal领域，共列有34个课题。与桥梁相关的主要课题是：Bridges for Service Life beyond 100 Years: Innovative Systems, Subsystems, and Components（寿命超过100 年的桥梁：创新的系统、子系统和组件）和Bridges for Service Life Beyond 100 Years: Service Limit State Design（寿命超过100 年的桥梁：运营极限状态设计）。

这课题梳理出美国公路桥梁面临的主要问题，设定了研究目标和研究内容，提出了一套基于使用寿命的设计方法和指南。

●  面临问题：养护维修经费欠缺，维修时对正常交通的干扰大，各种不利的自然环境的影响以及车辆荷载（超载）的影响。

●  研究目标：从桥梁构件、组件、子系统到系统层面，明确各部的问题，提出一套可延长桥梁使用寿命的概念并加以验证，构建出高性能桥梁的发展战略。

●  核心内容：针对桥梁使用寿命，研发出系统的、综合的、协调一致的设计方法，其可展现出可延长桥梁使用寿命的明确信息。

●  主要成果：桥梁使用寿命和耐久性的系统设计方法，用于新桥设计或旧桥修复更新设计的桥梁使用寿命设计指南。

桥梁长寿命设计

桥梁长寿命设计，既适用于旧桥评估，也适用于新桥设计。对旧桥而言，通过评估重新确定其寿命期望值，通过维修加固提升其耐久和安全性能；对新桥而言，则是制订出合理的使用年限，采用基于材料耐久性的设计方法，设计出使用年限更长的桥梁。

近10多年来的桥梁长寿命设计，主要针对重大桥梁。例如，采用120年设计年限的桥梁包括多多罗大桥、昂船洲大桥、仁川大桥、米勒高架桥、港珠澳大桥等，按200年设计的桥梁包括明石海峡大桥和墨西拿大桥（未建）。澳大利亚布里斯班的第二座门道桥（主跨260m的预应力混凝土连续刚构桥，1986年建成第一座，2011年建成第二座，见图5），则按300年设计。

图5  澳大利亚门道桥

采用长寿命设计的理由是：尽管建设费用有一定增加，但因降低了全寿命期内的养护维修费用以及干扰交通带来的损失，会节省更多；并且，长寿命设计符合可持续发展原则，可取得良好的社会经济效益。

传统的耐久性设计主要基于工程实践经验：钢结构依靠涂装，混凝土结构依靠保护层。目前的长寿命设计，则可根据桥位处的环境特征、材料劣化原因及机理等，针对结构的不同部位，采用可预测、可控制的耐久性构造设计。

举两个设计实例。（1）明石海峡大桥。长寿命设计主要表现在：钢结构长效防腐涂装体系，结构健康监测（包括与疲劳相关的焊接缺陷监测）和主缆除湿系统。（2）澳大利亚第二门道桥。长寿命设计主要表现在：基于潮涌或浪溅区承台部位的氯离子侵入预测，取保护层厚度75mm（配不锈钢构造钢筋）或150mm（配碳钢构造钢筋），基于大气环境中上部结构的碳化深度预测，取保护层厚度55mm（大于规范值），设置下部结构中的钢筋阴极保护电路等。

基于材料耐久性的设计流程，大体如下：

●  确定设计使用年限（可由业主提出）

●  定义桥位处的环境特征

●  识别材料劣化因素及其机理

●  确定可能发生的劣化率（选择适宜的预测模型）

●  确定相关材料参数（必要时考虑随机性影响）

●  评估材料（及构造）的耐久性能

●  确定主体结构设计细节，可选择

    ○  混凝土（保护层厚度，强度，配合比，阻锈剂等）

    ○  钢筋（环氧涂层，不锈钢等）

    ○  钢结构（各种长效防腐体系，不锈钢，除湿系统等）

这里需要讨论一个问题，即：基于材料耐久性的长寿命设计可以保证桥梁结构的长寿命吗？依笔者拙见，材料耐久性设计只是桥梁长寿命设计的重要内容之一，但还不是全部。显而易见，假若设计使用年限（或设计基准期）从100年增加到200年，那些与时间相关的设计参数（车辆活载，疲劳荷载及作用次数，地震力，风荷载等）及其变异性该如何确定？另外，使用年限越长，出现极端事件的概率就越大，安全风险就越高。此类问题，恐得借助基于结构安全性的长寿命设计方法加以解决。对此，目前所开展的科研还比较有限。

结  束  语

桥梁老龄化问题，首先在西方工业化国家出现，迟早也会在我国出现。近年来，欧盟、日本、美国等国家和地区开展了与维持桥梁长期性能、延长桥梁使用寿命的研究与实践。这些研究成果值得我们借鉴。

随着我国经济建设的持续发展，交通压力与日俱增；桥梁保有量已列世界前位，但耐久性问题过早显现、安全性问题令人担忧。这给桥梁的长期安全服役带来严峻考验。

建议以科技创新为引领，以加大投入为保障，及时在我国开展与桥梁长寿命相关的研究和实践，这包括：进一步改进桥梁检查、监测、评估、加固的技术和手段，大力提升桥梁管理和养护的现代化、系统化水平，积极研发基于寿命的（耐久性及安全性）极限状态设计方法等。