关于意大利热那亚波尔切维拉大桥从设计到失效的相关分析

关于意大利热那 亚 波尔切维拉大桥 从设计到失效的相关分析

作者： Camillo Nuti ， Bruno Briseghella ， Airong Chen ， Davide Lavorato ， Tullia Iori ， Ivo Vanzi

? Springer-Verlag GmbH Germany, part ofSpringer Nature 2020

摘要

结构的失效往往伴随悲剧的发生，但对于结构本身，是一个提高对结构失效现象理解的机会。本文对 2018 年 8 月 14 日发生的波尔切维拉大桥垮塌进行回顾后，介绍了波尔切维拉大桥的历史，从其设计师里卡多·莫兰迪（ Riccardo Morandi ） 1981 年所做的老化分析开始，包括从 80 年代中期开始的几年检查结果，并参考意大利的检查法规、桥梁使用寿命期间所做的干预，以及对垮塌的一些分析。该桥为二战后修建的钢筋混凝土桥梁提供了重要参考，因为临近海洋并伴有工业污染以及氯化物污染，桥梁处于高度易腐蚀的环境中。本文大量参考了意大利基础设施部委员会关于波尔切维拉大桥事故报告中的数据，并选取参照了有价值的样本，对腐蚀引起的性能衰减监测评估进行了讨论。

关键词 斜拉桥·老化·腐蚀·监测·失效·评估

1 导言

2018 年 8 月 14 日，意大利波尔切维拉河上 1100 米的大桥中将近 200 米突然垮塌。该桥是第二次世界大战后建造的桥梁杰作，但垮塌事故对遇难者来说是一个悲剧，也令人难以置信。

意大利公共事务部长任命了一个专家委员会来调查该事故。委员会在一个月内起草了一份调查报告 [1] ，并由政府部门随后于网络公布。

根据该报告，委员会提出了对此类易受老化和环境影响的基础设施进行监测的想法。实际上，该桥桥址临近大海；同时，至少直到几年前，波尔切维拉山谷的污染程度也很高；在冬季，道路上会使用除冰盐。

回顾过去大约60-70年中的桥梁失效案例，可以发现，结构老化是一个占比越来越大的诱因。本文介绍了波尔切维拉大桥的历史，以便世界各地众多即将到达设计使用寿命的桥梁进行参考。此外，本文回顾了有关腐蚀的研究，需注意在相对短暂的观察期内（相对桥梁设计使用寿命而言），想要对此类结构的腐蚀问题和监测方法有成熟的认识仍然较为困难。

另一方面，随着机器人、遥感、无损检测方法、大数据分析的发展，现代检测技术和及其理论阐述正在迅速发展，从而使此方面经验的短缺可以在某种程度上得到缓解。

考虑到在类似结构上涉及监测此类现象的不确定性，各方面都应做出调整，以获得对结构可靠的评估，并避免此类悲剧事件的再次发生。考虑到可能出现的隐蔽或意外情况，在决策过程中应坚持预防为主的原则。因此，在面对非常复杂的情况时，决策者应该考虑到他们在测试的选择（包括类型和数量）、验证和减少负载、提高承载力的应急措施、甚至关闭大桥等决策中可能存在的认知不足。

2. 桥梁失效的案例统计

尽管桥梁是能够应对各种风险的战略性基础设施，但像波尔切维拉大桥那样的结构失效也不是唯一的案例。事实上，自从几千年前人们开始建造结构以来，建筑和桥梁结构的失效就在一直发生。 Matousek 和 Schneider 在 1976 年、 1997 年 [2,3] 调查了 800 起结构破坏案例（包含所有结构类型，不限于桥梁），得出的结论是，结构失效可追溯到以下几个方面：

（a） 由相关人员的无知、忽视和失职造成的占 37% ；

（b） 由相关知识理论不完备造成的占 27% ；

（c） 由低估了相关影响造成的占 14% ；

（d） 由疏忽、错误和失误造成的占 10% ；

（e） 由不合理信任他人造成的占 6% ；

（f） 剩余 6% 为客观未知的影响造成。

此外，他们发现有87%的错误是可能提前检测到的，不可能提前检测到的占13%。特别是，如果每个人均按照规定采取了正确的做法，有32%的事故可以通过下一流程中的人员仔细审查来避免，另有55%可以通过额外的检查来避免。Imhof于2004年建立了一个目前最大的桥梁结构失效数据库[4]，数据库包含了1813年至2004年期间全球347个结构失效的案例，其中47%来自欧洲，34%来自北美，12%来自亚洲，其余来自其他洲。根据其研究中的统计数据，29.3%的垮塌由自然灾害（即洪水、冲刷和地震）造成，20.9%由设计错误造成，17.7%由外部影响（即船舶和车辆碰撞）造成，9.9%的超载，9.9%的人为错误，9.6%的知识不足，?1%的人为破坏（0.4%），而只有2.3%由结构劣化造成。

这8起由劣化引起的案例涉及1941年至1990年（6起）和1991年至2004年（2起）之间修建的桥梁。2011年，Ge和Xiang发表了一篇论文[5]，研究称，中国的主要失效桥梁类型是混凝土梁桥和混凝土拱桥，分别有11起（42.3%）和6起（23.1%），占桥梁失效总数的65%以上。他们将桥梁失效原因细分为内因（13起，59%），即设计、构造细节、施工、养护和材料中的人为错误，以及涉及外部事件的外因（9起，41%），即超载、碰撞、洪水、强风、爆炸、火灾、滑坡、地震和恐怖行为。2013年，在MCEE（地震工程多学科研究中心）赞助，Lee等人编制的技术报告“美国失效研究（1980-2012）”[6]中，作者分析了1980年至2012年间美国1062座桥梁的结构失效案例，表明有以下主要原因（表1）：28.3%的洪水、18.8%的冲刷、15.3%的碰撞、12.7%的超载、11.1%的内力作用和6.7%的环境退化。他们还调查了失效桥梁的桥龄（表2）和相应的桥梁材料（表3）。

表1 按10年间隔（1980年至2012年）划分的失效桥梁数量与失效原因

表2 失效桥梁的桥龄分布

表3 每种桥梁失效原因的失效桥梁材料

失效桥梁材料

尽管桥梁的地震响应在过去几年中得到了广泛的研究[7–9]，但是一些研究表明车辆碰撞、洪水和冲刷是引起全球桥梁结构失效的主要原因[10–15]。无论如何，越来越多的结构失效是由于材料劣化，尤其是腐蚀。这一点尤其重要，因为在美国（图1）[16]和欧洲的大量桥梁是在40-70年前建造的，其中一些桥梁可能由于腐蚀而接近设计使用寿命。同时，直到20世纪80年代开始才开始意识到腐蚀问题，对钢筋腐蚀的认识和统计数据还不是很广泛，因此需要更多的数据来进行深入的研究。鉴于上述原因，采用预防为主的原则是非常合理的，即如果一项活动有对人类健康或环境造成危害的威胁，即使某些因果关系没有完全科学地建立起来，也应该采取预防措施[17]。

图1 按年龄和状况划分的美国公路桥梁

3 波尔切维拉大桥的设计概况

该桥的设计者是RiccardoMorandi（里卡多·莫兰迪），他与承建商Condotte D’Acqua（一家国有建筑公司）一起在1965年赢得了意大利公路局ANAS（见图2）的国际招标，该项目是该公司承建的第一座钢筋混凝土斜拉桥。

大桥全长1102米，桥面距谷底高约56米，桥面宽18米，共11跨，跨径从65米到208米不等。

跨越波尔切维拉河、铁路公园和该市一些重要干道的三个主跨采用“自平衡体系”（9号、10号、11号），其中桥梁断面为多箱室、长度为171 m，可视为由4根斜撑和4根斜拉索支撑的连续梁，斜拉索外包PRC（预应力钢筋混凝土），从塔顶开始，距离谷底高度为90米，见图3、4和5。

图2 招标文件首页（左）和莫兰迪方案模型（右）

图3 莫兰迪方案视图：国际竞标项目获胜者（从左到右（m）：43,00；4x73,20；75,31; 142,65; 207,88; 202,50; 142,65; 65,10)

图4 采用分段施工方案，直到连接斜拉索，以及施工期间的桥梁视图（从原始图纸扫描）

图5 开通后的大桥和开通典礼上的里卡多·莫兰迪

大桥的其余部分向西延伸至萨沃纳，采用六个普通钢筋混凝土桥墩，由 V 形支架和西端的垂直桥台组成。各支架上为多箱室的预应力混凝 土箱梁。在各支架箱梁之间，设置简支挂梁连接，简支挂梁经过预压缩后支撑在上部桥面板的横梁牛腿上，长 36 米（见图 14 ）。 PRC （预应力混凝土）结构使用后张法。

桥梁设计标准为双向四车道，中间设新泽西护栏。设计对施工阶段的考虑是精确的，考虑了三种可能的施工方案。最后采用的是在固定支撑斜拉索之前为一个独立节段（见图 4 ）。这座桥于 1967 年落成，如图 5 ，与此同时莫兰迪在利比亚和委内瑞拉设计另外两座同类型的桥梁。

4  波尔切维拉大桥的老化

1981年，意大利高速（Autostrade）要求设计师就一些过早老化问题提出建议，主要包括表面钢筋的明显腐蚀和一些混凝土保护层失效，以及外部钢板和支架的意外腐蚀。设计师里卡多·莫兰迪（Riccardo Morandi）撰写了一份报告，他在报告中承认，由于波尔切维拉河谷的位置和环境特征，桥梁局部出现了恶化，并强调需要进行谨慎的持续管理，以降低风险。

莫兰迪简单阐明了混凝土结构中的腐蚀是如何发展的[18]。“钢筋注定会迅速破坏，因为外部大气已经接触到钢筋，在没有混凝土保护的情况下，钢筋会被化学作用分解。（……省略了文字……）因此，这座桥在建成大约15年后，尽管面临着非常大的交通负荷，作为一个整体，桥梁仍可以发挥其功能，但它显示出了暴露在大气中的表面迅速恶化的迹象”。

莫兰迪在Tuutti[19]发表国际公认的腐蚀理论前一年发表了本报告（下一章节“腐蚀及其评估”将对此进行讨论）。作为一名经验丰富的工程师，他根据结构出现的症状，清楚地解释了结构中可能正在发生的过程。

在接下来的10年里，这座桥受到了轻微的干预。然而，从1982年到1986年，大约300万欧元的维修工作主要是修复混凝土表面，密封箱梁，并为检查其内部创造通道。从1986年到1993年，共完成了约1500万欧元的维修工作。包括修复双T预应力梁鼓包、替换腐蚀的支架、修建额外的检查通道、修复箱梁腹板外侧与桥面板连续处的病害。此外，还进行了一些与交通安全和上部梁板和箱梁防水有关的重要工作。

从80年代末到90年代初以来，腐蚀显然已经是一个非常严重的问题，而腐蚀现象最初是在70年代末显现出来的。90年代初，政府决定更换最早建造的11号桥塔的拉索，造价约650万欧元。事实上，斜拉索的上部腐蚀严重，见图6，并出现了有效截面积减小和点蚀（将在后面的“腐蚀及其评估”中讨论），很明显，作为第一批在顶部修建缆索通道的桥塔之一，其施工建造效果并不完美，随后修建的10号和9号桥塔的施工细节控制相对更好。

图6 1991年腐蚀严重的11号桥塔拉索顶部详图（由工程师Codacci Piusanelli提供）

图7 11号桥塔处治工程，钢绞线更换

上图：完成效果；底图：左，替换工作所用的机器，右，第一股替换后

该处治工程在原预应力混凝土拉索周围安装了新斜拉索（见图7），在其与顶部桥塔和底部桥面连接后，通过切割将原混凝土中钢绞线断开。

1994年后，除2009年开始的小型处治外，如桥面接缝改造、三根简支梁中预应力束的更换，以及最后的桥检车轨道的更换（因桥梁垮塌而未完成），该桥未进行任何其他主体结构工程施工。

5. 桥梁检查相关规定

意大利桥梁检查法规由两个指南组成，第一个可追溯至1967年[20]，第二个可追溯至1991年[21]。另外，对支座给出了一些特殊规定[22–24]；此外，可以参考博尔扎诺自治省地方法规[25]、DIN 1076（德国）[26]和RVS 13.03.11（奥地利）[27]中的一些相关规定，见表4。

对应于结构处于不同的阶段，所有标准基本上有四个主要部分：（i）巡视，（ii）巡查，（iii）简单检查和（iv）全面检查。

第一种是巡视，基本上是由负责基本操作的管养人员进行快速检查，基本上是留意路面或现场的问题，或容易发现的重大问题，如结构的严重损坏。日常巡视基本要求每天进行，如果出现异常情况则进行书面记录并报告。

第二种巡查，通常由同一批管养人员完成，但巡查频率为3至6个月，意味着更精确的检查，但也只是乘车进行检查而不是使用桥检车。意大利法规规定了桥梁外观检查内容和书面报告格式（调查表格）。

第三种是简单检查，在后三种法规中通常每2-3年或在异常事件之后进行一次，而前两种意大利本国标准没有明确规定检查频率。该检查需要由具有更高专业水平的技术人员完成，但不必是工程师。检查是步行进行的，不考虑使用桥检车，必须出具检查报告，并在随附的调查表格中进行定量评估。评估的主要形式可以是根据调查结果对结构构件的评分。

第四种为全面检查，应由工程师对所有结构构件进行检查，一些规定中还包括对桥梁基础的检查。在不同的标准检查频率不尽相同，根据桥型从每年到3年、6年、10年不等。检查通常需要使用桥检车，并应对材料性能进行测试，有必要时还需进行简单的数值计算分析。应当出具正式的检测报告，并要求对桥梁的可通行性提出相应建议。

以上这些规定是非常笼统的，可以看到，腐蚀包括在规定的检查范围内，但并未明确提及具体的检查方法等。

SPEA[28]编制的报告中对如何在结构劣化情况下进行桥梁检查有更详细说明。该公司通常为其业主“Autostrade per l’Italia”（意大利最大的公路特许经营公司）进行工程服务，并负责管养莫兰迪大桥。另一方面，意大利公路公共机构在其关于检查和改造的四本技术手册[29]，手册共九章，收集了各种相关条款，其中仅三章是关于材料评估和检查，且并没有提及腐蚀。

SPEA的方法是基于检查和试验测量数据，根据对结构构件的外观进行的完整描述给出构件质量评定等级。以下是相关条文说明：

条文30：缺陷初级状态，不需要干预

?变质或退化的混凝土

?变质混凝土（混凝土保护层剥离），箍筋氧化

?边缘分离或短粗构件分离

?细长构件边缘开裂

?非细长构件的弯曲和剪切裂纹（竖向、斜向等）

?在预应力钢筋混凝土中，沿着钢束开裂。

?护套外露（混凝土密实同时钢筋未损坏）

?梁的封锚端未密封

条文 40 ：缺陷中级状态，需要长期干预

?混凝土劣化（混凝土保护层剥离），同时钢筋外露并氧化

?边缘分离或细长构件分离

?护套内混凝土不密实

?钢绞线外露

条文50：缺陷向高级状态发展，需要中期干预

?混凝土劣化，外部氧化程度非常高

?护套退化（混凝土不密实）同时钢筋氧化

?钢绞线外露且氧化程度非常高

条文60：缺陷高级状态，对承载能力有影响，但安全系数仅略有降低

?预应力保护套略有折减（主筋腐蚀）

?混凝土劣化，主筋断面折减

条文70：缺陷高级状态，对承载能力有影响，安全系数降低

?预应力截面减少（断丝）

?混凝土老化，主筋断面大大折减

显然，桥梁作为一个整体，需要对其整体状态进行全面评估，以决定是否需要进行干预处治。这需要决策者结合各种信息进行综合评估。

SPEA手册还阐述了环境侵蚀，主要有：碳化和氯化物渗透。

最后，建议通过无损检测对钢筋状况进行评估，普通钢筋无损检测方法不同于预应力钢筋。

?钢筋腐蚀评估:  它基于构件表面进行的电化学电位的精确测量，并生成等电位映射曲线。根据测量结果对钢筋的腐蚀概率进行推测，从而确定潜在的暴露最严重区域。

?钢筋位置测量和混凝土保护层测量:  使用电磁仪器（测厚仪）进行，完全不破坏结构。

?检查后张预应力钢筋的保护状态

?通过剔凿局部混凝土进行目视直接检查，以评估保护护套、注浆和斜拉索的状态

?通过射线照相和射线照相检查预应力构件（梁、箱壁）

?反射法：通过分析沿钢束本身发送并在其末端反射的电磁波信号，可以估计和定位钢材有效截面的减少或沿钢束的注浆空洞

从关于前述的文件和讨论可知，在国家官方文件以及国家公路局手册中，未充分考虑腐蚀问题，相关理论也未得到发展，这反映了过去 20-40 年的工程实践状态。

另一方面，《 SPEA 手册》是一份供内部使用的私人机构文件，它对腐蚀问题首次提出了关注，但并不适用于大型混凝土基础设施在因腐蚀而出现严重退化情况下的完整检查和评估。它给出了一些检查标准，以及评估腐蚀的检查方法，但问题并没有得到充分的解决，它没有清楚强调这些方法有很大的不确定性。 相关讨论将在后面几段中进行。

6  腐蚀及其评估

自其发展之初，钢筋混凝土结构就被认为是不会腐蚀的，因为钢筋应该受到混凝土碱性保护，而混凝土碱度构成了化学屏障，混凝土保护层可以构成非常有效的物理保护。很明显，钢铁和木材等其他建筑材料需要额外的保护措施和仔细的维护：例如，涂刷油漆和定期检查。对于混凝土结构不会腐蚀的认知，显然是误导性的，是由于缺乏相关理论知识，尤其是因腐蚀从而导致结构失效的认知。首个重要案例是1980年5月21日柏林会议厅的垮塌[30,31]；值得注意的是，Tuutti [19] 在他1982年的论文中提出了一个如今被广泛认可的两阶段（起始期和传播期）模型，见图8。这座著名的建筑是美国为1957年柏林世界博览会赠送给德国的礼物，它发生了局部但致命的垮塌。经过认真分析原因后重建，并于1987年重新启用。

正如之前在“波尔切维拉大桥的老化”一节中所说的那样，设计师里卡多·莫兰迪早在1981年，也就是Tuutti论文发表前一年，就在一份报告中描述了这座桥的腐蚀情况。按照Tuutti提出的两阶段模型理论，腐蚀的起始期已经结束，结构的许多构件中的腐蚀传播活跃，应进行仔细持续检查[18]。

Carmen Andrade在她最近的论文[32]中提出，关于业界对结构腐蚀缺乏重视的问题，在她1972年的博士论文期间就已经提出，也就是柏林会议厅事故和莫兰迪报告提出波尔切维拉大桥劣化[18]的前几年，当时出版的所有混凝土期刊上只能找到大约40篇关于腐蚀的文章。

柏林会议厅事故后，有关方面成立了第一个钢筋腐蚀研究委员会：RILEM TC-154-EMC：“测量混凝土腐蚀的电化学技术”，由Carmen Andrade担任主席。委员会发布了关于腐蚀测量技术的建议，这些建议目前仍然有效[33–36]。

在发生腐蚀的情况下，在评估测试质量、给出测量值的离散度和清楚地检测物理现象方面，仍有许多工作要做。

图8腐蚀阶段[29]。Initiation起始期：钢筋保护膜消失。Propagation传播期：腐蚀开始。tp是混凝土开始开裂后的时间，然后通常会有更快的腐蚀直至失效（Pcorr=腐蚀深度）

委员会讨论了使用寿命模型，尤其是与氯化物扩散 [37] 有关的，或确定钢的去钝化极限及其控制参数的模型。毫无疑问，这一主题可能对经济带来影响，并由此产生相关科学挑战，正如许多论文 [38 – 40] 所指出的，这些论文专门针对活性钢腐蚀。

在没有任何全面解释的情况下，我们参考了各种文献，比如 Pedeferri[40] ， Andrade[32] ，以下我们给出了腐蚀过程的一些基本概念，并参考了文献中讨论的案例。

腐蚀的发生主要有两个原因：（ i ）钢筋周围钝化膜的均匀去除；（ ii ）集中去钝化：在含有氯化物的环境中，如果钢筋表面的氯化物含量超过临界值（相对于水泥含量，其质量百分比在 0.4% 到 1% 之间），则水泥在钢筋周围产生的保护层会穿孔。在任何情况下，只有当钢筋表面存在水和氧气时，才会发生腐蚀。

可能受腐蚀影响的机械特性如图 9 所示。 腐蚀基本上表现为两种方式：（ i ）均匀腐蚀，或多或少会均匀地减小受腐蚀影响区域内钢筋的直径；（ ii ）点蚀，集中在特定点。后者是由高浓度氯化物造成的典型情况，见图 10 。注意，当均匀腐蚀超过一定程度时，也会出现点蚀。例如， 1992 年对 11 号桥塔拉索进行的目视检查 （见图 6 ）显示了扩散的钢材腐蚀，并有点蚀现象出现的证据。在图 15 中也可以观察到高度的腐蚀。图 19 是本文作者在桥梁垮塌后拍摄的一张照片，图中也显示了点蚀。

由于截面折减，不仅极限强度降低，塑性伸长率也大大降低 [42 – 44] 。重量损失和机械特性之间的相关性是不确定的，因为重量损失的定义也是不确定的，而预应力钢束的不确定性更大。

腐蚀速度，即面积减少速度，是一个不确定的参数，因为它随温度、湿度、氯化物含量和其他原因而变化（见图 11 ）。然而，腐蚀等级有不同的测量方法 [37] ，尽管评估与结构安全相关特性的重要指标是钢筋面积的折减，即腐蚀的时间积分。

从上述说明中可以清楚地知道，腐蚀进程的评定和结构的持续整体安全衰退的评估在很大程度上取决于主管检查和评估的工程师的能力。事实上，应该注意的是，人们无法详细检查结构的所有部分，尤其是钢筋混凝土和预应力混凝土结构中钢筋被混凝土包裹。当 出现以下情况时，实际上可能会发生部分失效：

DS (x) 为位置 x 处的性能需求（根据力或位移），

CS(x) 为位置 x 处结构的相应承载力。

函数 GS(x) 定义了结构的状态，当 GS(.) >0 为结构失效，当 GS(.) <0 为结构安全。

式中， Ci(x) 是元素 i 在 x 中对结构承载力的贡献，这里称为单元承载力。对 Ci(x) 的主要贡献通常是钢筋。

每个单元承载力都具有随机性和认知不确定性。函数CS(x)具有认知不确定性（模型不确定性）。另外，DS(x)也受到随机和认知不确定性的影响。

图9 可能受腐蚀影响的机械特性

图10 点蚀的横截面和纵向视图，以及与弹性模量和极限应变相关的腐蚀函数，数据来源自Finozzi等人[41]

认知不确定性通常可以通过测量大大降低，但模型不确定性不能。此外，随机变量可以估算，但不能简化，除非采取阴极保护或其他严重 干预措施。

规范并未规定如何估算；这实际上是对物质状态的测量结果，这些状态可能随时间而变化，不同的速度取决于许多因素。因此，无论采用何种检查方法，评估人员的能力都至关重要。

是由许多随机变量组成的随机变量函数，每个随机变量具有随机不确定性和认知不确定性。随着测试次数的增加，认知不确定性可以部分减少。然而，如果像腐蚀的情况一样，测试是间接测量，那么很大一部分不确定性是认知的：即，如果重复多次，间接测试无法给出超出特定精度值的更好结果。视情况而定，不可避免地会留下大或小的不确定性。

此外，在大型结构中，认识还取决于检查结构部件的可能性。如今，机器人技术的使用带来了更多的可能性，比如无人机和遥感领域的其他新技术。然而，因为属于新技术，故而缺乏实践经验积累。

另外一个需要考虑的问题常用的检查方法：外观检查和位移观测。前者，即外观检查，通过现代科技的大数据收集能力从而对构件的状态进行定性的评估，理论上大数据是可以通过结构件保护层的仔细检查而获得的。后者，即位移观测（和局部几何变形），一般局部性问题无法通过检查钢筋面积减少发现。实际上大的局部变形是通过使用荷载作用下的连续位移监测获得的，通常为小变形累积而成。

如果获得了每个单元的分布，并且建立了函数，则可以获得整个函数的分布。注意，中的不确定性源自各个单元，以及来自其模型不确定性。结合可以得到 Pr （ Gs ） >0 ，即失效概率。注意，除非有人为干预结构，否则 Pr （ Gs ）是一个随时间增加的函数（见图 12 ）。

图11 降雨情况下12小时内2年（左）腐蚀速度随时间变化的示例[45,46]

还需要注意的是，超过一定程度的腐蚀，比如说大约20%甚至更少，钢材的脆性会增加；因此，Pr（Gs）变得非常大。从图10可以看出，破坏应变甚至可以接近0.0。由于腐蚀程度如此之高（例如，见图18和图19），用于评估抗剪及抗弯承载能力的模型会非常不可靠。为了恢复所需的安全冗余度，人为干预是必须的（图12），而由于认知的不确定性很大，增加干预措施的数量是无用的。

图12 结构的定性安全冗余度随时间变化，其中进行了两次大型干预

7  波尔切维拉大桥的测试历史

在过去 25 年中，波尔切维拉大桥接受了以下类型的检查和测试：

?反射测试： RIMT （反射测量脉冲测量技术） 1996-2017

?硬度测试

?拔出试验

?超声波速度测试

?延伸测量

?动态识别（动载试验） 1996 年和 2017 年

在下文，我们只关注RIMT测试，同时简要介绍动载试验。

在不涉及过多细节的情况下，我们可以说检查是持续进行的。自1994年以来，反射测试是在90年代进行的。2003年后，他们用一种新的改进技术，RIMT2，重新进行了测试。很明显，自第一次检查报告以来，桥梁上的腐蚀很活跃。11号桥塔的拉索在1991年首次出现腐蚀现象，1994年完成了11号桥塔斜拉索的更换工程。

本论文作者在桥梁发生结构失效后进行的验证中，2000年后，RIMT测试（反射测试）在以下年份进行：2003-2006-2009-2013年，在沿海一侧的9号、10号桥塔的斜拉索上进行，在2004-2008-2010-2012-2014-2017年，在另一侧的斜拉索上进行。

测试为定性测试，评定等级分为五类（表5和表6）。每个桥塔有两个斜拉索系统，图13：

图13 波尔切维拉大桥拉索截面图左：上部；右：下部

?主拉索（内部）：16根16股的钢绞线，8根12股的钢绞线，总共352股；

?辅助拉索：28根由4股组成的钢绞线，总共112股。

?在每两年的每次检查中，仅对有限数量的钢绞线进行检测：

?每根主拉索（16+8根）有2股（连接到同一测量终端），352根斜拉索中总共有48股，占13%

?28根辅助拉索中每根1股，112根斜拉索中总共有28股，占25%。

同时还对简支挂孔梁进行了检查。桥面梁的腐蚀评定标度最大值为 4 ，该值与 9 号和 10 号桥塔处节段块中大于 3 的劣化没有相关系。检测人员认为点蚀难以检测， RIMT 的主要用户也在 1995 年至 2000 年间明确证明了这一事实；因此，结果被明确归类为定性的。第二个重要考虑因素是，必须对结果进行校准，并对不同的元素进行校准：数量、几何尺寸以及环境状况等。当评定标度大于 3 时，显然需要直接目视检查。评定标度为 2 表示持续腐蚀，而评定标度为 1 表示腐蚀非常弱但腐蚀已经开始。只有 0 （零）值：即信号显示理论上没有腐蚀，意味着可以排除结构受到腐蚀。

因此，我们可以认为，自 2003 年新的 RIMT 测试活动再次开始以来，斜拉索和梁都显示出持续的扩散腐蚀。同样明显的是，通过两次连续检查结果进行对比：如 2013 年与 2015 年，腐蚀构件的数量在增加（通过 2 次评估，表 5 、 6 ）（见图 16 、 17 ）（仅显示了 2013 年的数据）。

对简支挂孔梁进行了一定数量的目视检查；而对于斜拉索，只能进行很少的钻孔来检查大多数外部拉索。

在下面的图 14 、 15 和 18 中，为靠海一侧的简支梁的的情况。

大多数斜拉索顶部没有注浆。每条斜拉索大约有一半的钢绞线是可见的；钢绞线严重腐蚀，截面折减。每条斜拉索中至少有 4 根钢绞线断丝。

RIMT 测试是在 2013 年（即第一张照片拍摄两年后）和 2015 年进行的。梁和斜拉索的某些部分的评定标度为 3 ，某些部分的注浆评定标度也为 3 （图 19 ）。

通过规范条文与现场照片对比对结构状态进行定性评估。从 2013 年到 2015 年，受损区域的范围发生了变化：

腐蚀水平：二级： +13.7% ；三级： +8.3%

注浆水平：一级： +8.9% ；二级： +9%

注意，超过 60% 的梁因超过 40% 的注浆缺陷而腐蚀。详细情况可以参考网络上的调查委员会原始报告 [1] 。

图14 挂孔简支梁及其在9号和10号桥塔之间位置的视图

图15  9号和10号桥塔之间的挂孔简支梁。2011年和2013年距支架2.8 m处的预应力索视图（在这种情况下，还有一个钢丝网）

图16 2013年梁的RIMT试验：红色框中为图15中梁的腐蚀等级，蓝色框中的腐蚀为20%

图17 2013年梁的RIMT试验：注浆腐蚀。红色框中为图15中梁的腐蚀等级，蓝色框中的腐蚀为20%

不同腐蚀导致的平均截面损失是很难估算的。假设损失为1级是可以忽略不计的但仍然存在，可以假设2级的平均损失为8–10%，3级为20%，4级为35%，5级为55%。它们不包括点蚀，但点蚀可能从2级开始出现，并在3级及以上存在。由此可见，该问题具有很大的不确定性。此外，当平均损失超过2级时，实际检测中未能检测到点蚀的事实使得安全评估变更加具有不确定性。

混凝土拉索中的情况似乎比梁中的情况好一些，但是对于拉索的目视检查更为有限。

事实上，如图所示，在结构失效后检查中发现一些预应力拉索中明显存在点蚀。由于腐蚀程度如此之高，钢材丧失延性，混凝土构件的已经不符合平截面假定。因此，对根据工程经验而进行的主观评估结果可能会产生很大影响，结论判断应该非常谨慎。在本案例中，随着腐蚀变得越来越大，局部质量损失超过20%，截面甚至可能变得非常脆弱[42]。

图18 2011年（顶部）和2013年（中部）朝向支架的斜拉索视图，以及2013年（底部）的斜拉索放大图，其中可以观察到腐蚀和局部点蚀（与图15的桥面板梁不同）

2015年，有关方面对该桥进行了动载试验。这是一个在特殊结构上的有趣应用。一些测试结果已包含在调查报告中[1]。9号桥塔和10号桥塔之间的动力响应略有不同（图20显示了9号桥塔四种整体模态中的两种，而不是周期最长的模态）。试验报告认为，两个体系（9号和10号桥塔）的拉索具有相似的固有频率，约为0.9 Hz。然而，在10号桥塔，识别到了大量模态，而在9号桥塔，仅保留了四种模态。这种差异“可以”归因于不同腐蚀程度导致的预应力损失。这一点尚未得到证实，进一步的分析和测试是必要的。

最终，对结构状态的评估在很大程度上基于对测试的结果分析。测试包括间接测量和目视检查，后者在所述调查范围内的有限位置进行。这种情况工程师在实际中经常需要面临，并不罕见。

图19 失效后碎片中的点蚀（作者提供的照片）

根据这些数据，我们建立了一个力学模型。调查报告 [1] 中提到的模型无法对假定的荷载组合进行令人满意的验证。我们还应注意，用于检查结构构件的验证公式在结构受到腐蚀的情况下无法证明其有效性。巨大的不确定性影响了此类评估，而结构性能的下降可能会导致与之不成比例的严重后果，波尔切维拉大桥的情况就是如此。对于此类情况，本应该采取预防为主的原则，但是针对结构腐蚀，如前文所述，科技文献中并没有讨论这一问题。

图20：9号桥塔，通过动载试验识别的四个整体模态中的两个

8  结论

由里卡多·莫兰迪设计、于1964年至1967年建造的波尔切维拉大桥在2018年8月14日突然发生部分垮塌，桥梁总长度约为1100米，垮塌长度约为200米。

这座桥曾被认为是预应力混凝土桥梁的杰作，桥梁共包括三个斜拉索塔，发生垮塌的为其中一段。

在本文中，我们介绍了这座桥的历史，以及在落成几年后，这座桥的结构如何出现了腐蚀问题。该桥11号桥塔进行了处治改造，更换了拉索。其他两个斜拉体系没有进行任何大型改造，但对包括斜拉索体系在内的整个桥梁进行了检查和各种类型的测试，其中一些测试专门针对遭受腐蚀的预应力混凝土结构。当时高速公路管理部门及工程师的目的是控制劣化趋势，他们认为情况并不算特别严重，因而并没有封闭交通。

本文主要讨论了类似结构可能遭受的腐蚀问题，以及占有欧洲和美国现代基础设施很大比例的，大约于半个世纪前建造的混凝土结构的特点。

我们注意到，工程师对结构腐蚀现象并非普遍了解；有关腐蚀评估的监管文件和指南相对较新；而波尔切维拉河上的这座大桥可能是第一座因腐蚀导致其承载能力严重衰退而垮塌的大型桥梁。就建筑而言，第一个因腐蚀而导致的重大结构失效是1980年5月21日德国柏林会议厅，它建于1957年，比波尔切维拉大桥早10年。这座建筑在建成仅仅23年后就垮塌了，而波尔切维拉大桥的垮塌在建成后52年发生。

在本文中，文献报告还包含了由于结构衰退导致了一些其他桥梁失效的情况；然而，与其他原因相比，首要的原因是水带来的腐蚀。

现在明确的是，腐蚀是劣化结构中机械特性出现离散性的原因。大型基础设施的检查可能会因许多原因而遇到困难，尤其是因为钢筋包裹在混凝土中，难以发现腐蚀情况，劣化的测量也很困难。对此一种“流行”的方法是RIMT，它也用于了波尔切维拉大桥案例中。值得注意的是，由于1993年在桥梁上的应用，这种方法得到了最有力的实测数据验证支持[52]。

在接下来的几年里，一些关于RIMT方法性能的最初乐观想法被部分重新考虑，因为点蚀没能被有效地检测到，而它是评估腐蚀混凝土结构的结构安全性时的主要威胁之一。因此，该方法被重新定义为定性方法，当评定标度为3时，需要直接目视检查。

最终，在处理此类复杂且不确定的情况时，工程师应谨慎行事，采取“预防为主的原则”，因为一些现象可能会被隐藏，并且产生完全无法预测的后果。事实上，由于结构失效是此类情况被低估的可能结果之一，如果结构失效发生时桥梁正处于高交通量条件下，那后果可能会更加严重。

总而言之，我们应该认识到工程历史上存在着一些瑕疵和失败，但负面经验可以作为未来知识进步的里程碑。有关腐蚀的研究仍然不完善，目前世界各地的大部分桥梁建造时间不尽相同，美国在1940年至1960年，中欧在1945年至1970年，西班牙和葡萄牙在1985年至1990年，中国在1995年至今，而混凝土中钢筋的腐蚀起始期通常为15至30年。因此，根据不同的情况，在完工后25年到40年之间，腐蚀才会以明显的方式表现出来。

鉴于此，现在仍然需要研究有效且可能无误差的方法（具有较小的认知不确定性）来检测结构腐蚀状态。与此同时，应采取适当的措施进行可持续的人为干预，以避免大规模伤亡事故发生，保证交通畅通。