獨(dú)柱墩匝道橋事故機(jī)理分析及加固措施研究

李　攀，韓　鵬，馬玉龍，陳傳景

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

獨(dú)柱墩匝道橋事故機(jī)理分析及加固措施研究

李攀1，韓鵬1，馬玉龍1，陳傳景2

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

獨(dú)柱墩匝道橋是曲線梁橋的一種表現(xiàn)形式，由于車(chē)輛超載發(fā)生了多起坍塌事故。分析事故破壞特點(diǎn)，得出兩種類(lèi)型的破壞形式，即傾覆失穩(wěn)和支座失效。針對(duì)這兩種破壞形式，提出了相應(yīng)的解決辦法，明確了兩種加固措施。以某國(guó)道獨(dú)柱匝道橋?yàn)楸尘埃M(jìn)行空間有限元分析，計(jì)算不同工況下的抗傾覆安全系數(shù)和支座反力，及加固后的抗傾覆安全系數(shù)和支座反力分布狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)證分析得，鋼蓋梁加固措施受力明確、施工簡(jiǎn)易，快速，可用于快速加固獨(dú)柱墩匝道橋。

獨(dú)柱墩匝道橋；超載；傾覆失穩(wěn)；支座失效；加固；安全系數(shù)

0　引言

獨(dú)柱墩支撐的匝道橋，相比雙柱支撐的橋梁，其穩(wěn)定性暴露出較大的不足。尤其是獨(dú)柱墩上采用單支座，在汽車(chē)超偏載作用下，坍塌破壞的概率較高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)該類(lèi)橋梁事故頻發(fā)，車(chē)毀人亡，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

本文對(duì)近年來(lái)發(fā)生的獨(dú)柱墩匝道橋事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究其破壞特點(diǎn)，總結(jié)破壞形式，得傾覆失穩(wěn)和支座失效是最常見(jiàn)的兩種破壞狀態(tài)。以某匝道橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行空間有限元建模，根據(jù)規(guī)范驗(yàn)算其抗傾覆能力以及支座失效對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響分析。根據(jù)現(xiàn)有的施工條件及交通需求，提出了安全、快速、簡(jiǎn)易的加固措施，避免此類(lèi)橋梁坍塌事故的發(fā)生。

1　獨(dú)柱墩匝道橋

1.1受力特點(diǎn)

（1）彎扭耦合

對(duì)匝道橋而言，由于平面內(nèi)曲率半徑的影響，主梁同時(shí)受彎矩和扭矩的影響。對(duì)于不設(shè)抗扭支撐的彎橋，扭矩作用會(huì)逐跨累積傳遞到兩端墩臺(tái)的支座上，若支座抗扭不足，則很可能造成支座脫空，梁體外移、嚴(yán)重的導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)或傾覆破壞。

（2）支反力不對(duì)稱(chēng)

恒載作用下,支反力呈外大內(nèi)小分布,當(dāng)活載在曲線外側(cè)偏置時(shí),內(nèi)側(cè)支反力有時(shí)會(huì)減小,甚至?xí)a(chǎn)生支座負(fù)反力。如果支座不能承受拉力,就會(huì)出現(xiàn)梁體與支座的脫離,即“支座脫空”現(xiàn)象。

1.2支座布置

獨(dú)柱墩匝道橋在力學(xué)行為上屬于曲線梁橋，因此其支座布置形式基本與曲線梁相同，即在一聯(lián)的兩端設(shè)置抗扭或抗彎扭的支座，中間支座采用點(diǎn)鉸支撐，或者點(diǎn)鉸支撐與抗扭支撐的混合模式，其大體布置形式見(jiàn)圖1。

圖1　匝道橋支座布置形式

2　坍塌機(jī)理分析

2.1坍塌事故

近年來(lái)事故統(tǒng)計(jì)及實(shí)例見(jiàn)表1和圖2。

表1　近年來(lái)事故統(tǒng)計(jì)

圖2　事故實(shí)例

近年來(lái)發(fā)生的獨(dú)柱墩匝道橋事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，得兩種破壞機(jī)理，即傾覆失穩(wěn)和支座失效。

2.2傾覆失穩(wěn)

傾覆,是結(jié)構(gòu)體系傾覆力矩大于抗傾覆力矩導(dǎo)致的失穩(wěn)狀態(tài)[5]，其破壞實(shí)質(zhì)是橋梁結(jié)構(gòu)體系的廣義重心（將作用于物體的外力作為物體重力的一部分與物體本身所有各組成質(zhì)點(diǎn)的重力的合力形成的重心）在活載的作用下由支座之間轉(zhuǎn)移到了支座之外，見(jiàn)圖3。

圖3　傾覆失穩(wěn)破壞示意圖

對(duì)獨(dú)柱墩匝道橋而言，國(guó)內(nèi)目前重載車(chē)輛普遍存在超載現(xiàn)象，個(gè)別嚴(yán)重的超載車(chē)輛超載量達(dá)到了300%。在這種偏心超載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體的質(zhì)心由兩支座之間向支座一側(cè)移動(dòng)，當(dāng)車(chē)輛超載到一定程度，質(zhì)心轉(zhuǎn)移到支座外側(cè)，導(dǎo)致梁體整體傾覆。

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[1]和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中均只有禁止支座脫空的描述。現(xiàn)有公路規(guī)范,對(duì)橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算要求與安全余地等未作明確規(guī)定。

《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》討論稿[3]規(guī)定采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應(yīng)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算。上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足式（1）：

式中：γqf抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);Sbk是上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車(chē)荷載(含沖擊作用)標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng);Ssk是上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。

2.3支座失效

獨(dú)柱墩匝道橋總是處于彎扭耦合的受力狀態(tài)下，但獨(dú)柱墩單點(diǎn)支撐方式不能有效的抵抗上部結(jié)構(gòu)的扭矩，因而只能由兩端設(shè)置的雙支座來(lái)支撐，在這種情況下，連續(xù)梁橋的受扭跨度大大增長(zhǎng)，嚴(yán)重的直接等于匝道橋主梁的全長(zhǎng)而不是單孔長(zhǎng)度，導(dǎo)致連續(xù)梁的兩端支承處產(chǎn)生過(guò)大的扭矩。若兩端支座不抗扭或抗扭不足，將會(huì)導(dǎo)致支座脫空。

考慮到支座是具有一定尺寸的傳力構(gòu)件，一側(cè)脫空后，主梁廣義質(zhì)心落在了傾覆軸線以外，支座外外緣以?xún)?nèi)，原來(lái)的雙支座支撐變成了單支座支撐，見(jiàn)圖4。

圖4　支座脫空示意圖

當(dāng)某一支座脫空時(shí)，其同排相鄰的支座反力迅速增大，若支座承壓不足，則加速支座破壞；若支座轉(zhuǎn)角驟然增大，在支座表面產(chǎn)生一個(gè)滑動(dòng)面，梁體下滑，主梁坍塌，見(jiàn)圖5。

圖5　支座失效示意圖

2.4實(shí)例分析

圖6是粵贛高速匝道橋垮塌事故地點(diǎn)，可以看到該匝道橋是下行方向，由主干道分流開(kāi)往河源方向。垮塌的長(zhǎng)度為75 m（3×25 m）的連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，即一聯(lián)三跨整體垮塌。

圖6　粵贛高速匝道橋事故分析

從圖6中可以看到：

（1）2號(hào)花瓶墩依然完好，落梁受重力影響整體向左傾斜，在落下的時(shí)候擦到了2號(hào)墩，因此落梁邊角破損嚴(yán)重，2號(hào)墩側(cè)也有擦痕。

（2）3號(hào)墩已經(jīng)完全傾斜，一部分被壓在橋面下，一大部分露出。

（3）4號(hào)墩位置橋面有明顯的橫向裂縫，路面發(fā)生了褶皺，有一個(gè)輕微的V形下?lián)稀膱D片中看不到4號(hào)墩的破壞情況，由于4號(hào)墩由于比3號(hào)墩高度小，可以判斷，4號(hào)墩也發(fā)生了傾斜但被壓在了橋面之下。

（4）1號(hào)橋臺(tái)應(yīng)該還是整體比較完整，落梁受重力的影響微微向右有傾斜。

事故發(fā)生是由于4輛約400 t重載車(chē)輛超載，導(dǎo)致主梁廣義質(zhì)心移動(dòng)到支座之外，匝道傾覆失穩(wěn)，車(chē)輛翻落，主梁在偏轉(zhuǎn)的同時(shí)推倒了橋墩，因此，橋墩被壓在橋面之下。

3　加固措施研究

由以上分析得，傾覆失穩(wěn)和支座失效導(dǎo)致的獨(dú)柱墩匝道橋坍塌都是因?yàn)槌d作用下主梁的廣義質(zhì)心由支座之間轉(zhuǎn)移到了支座中心線以外，導(dǎo)致了一側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力、支座脫空，主梁傾覆失穩(wěn)或支座失效破壞。因此，增設(shè)支座或調(diào)整原有支座間距、避免出現(xiàn)負(fù)反力是解決匝道橋事故的根本途徑。目前，增設(shè)鋼蓋梁和鋼管柱法是最常見(jiàn)的兩種加固措施[6]。

3.1鋼蓋梁加固

當(dāng)原獨(dú)柱墩長(zhǎng)細(xì)比較小，承載能力較大時(shí)，可以采用增設(shè)鋼管柱加固法，增設(shè)鋼蓋梁加固法是采用自重較輕的鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)高強(qiáng)螺栓將鋼蓋梁結(jié)構(gòu)與獨(dú)柱墩聯(lián)系在一起，見(jiàn)圖7。

圖7　鋼蓋梁加固措施

增設(shè)鋼蓋梁加固的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）增設(shè)鋼蓋梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁加固，其自重輕，對(duì)原獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)增加的額外恒載較小；

（2）增設(shè)蓋梁加固施工簡(jiǎn)易、周期短，對(duì)橋下及橋面交通影響較小；

（3）鋼結(jié)構(gòu)要比混凝土構(gòu)件的整體剛度小很多，這對(duì)新添加的支座受力影響較大。

3.2增設(shè)鋼管柱

當(dāng)原獨(dú)柱墩長(zhǎng)細(xì)比較大，承載能力較低時(shí)，可以采用增設(shè)鋼管柱加固法，見(jiàn)圖8。這種加固方式主要是利用原有墩柱下部的承臺(tái)，在原有立柱的兩側(cè)橫向各增設(shè)一根鋼管混凝土立柱，并在新增鋼管混凝土立柱頂部增設(shè)盆式橡膠支座，然后把原獨(dú)柱墩單支座拆除，最終形成橫向雙柱式橋墩支承來(lái)提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

圖8　鋼管柱加固措施

增設(shè)鋼管柱加固的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）鋼管柱加固相對(duì)于鋼蓋梁加固法，其整體剛度大，且對(duì)原獨(dú)柱墩構(gòu)件沒(méi)有額外的荷載；

（2）避免在獨(dú)柱墩墩頂鑿孔，螺栓布置少，承受剪力小；

（3）支座布置在鋼管柱上，上部荷載由原支座和新支座一起承擔(dān)，獨(dú)柱墩承受彎矩小。

4　工程實(shí)例分析

4.1分析模型

某E匝道橋上部結(jié)構(gòu)為普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，每5跨在E5橋墩處設(shè)置伸縮縫，見(jiàn)圖9。橋梁橋臺(tái)為埋置式鋼筋混凝土橋臺(tái)，除伸縮縫處的E5墩為雙柱式橋墩外，其它橋墩均為獨(dú)柱式單支座橋墩，該橋的基本參數(shù)見(jiàn)表2，空間有限元模型見(jiàn)圖9。

表2　匝道橋基本參數(shù)

圖9　某E匝道橋空間有限元模型

驗(yàn)算工況[5-8]：

工況一：恒載+公路-I級(jí)車(chē)道荷載（考慮沖擊）+汽車(chē)離心力+支座不均勻沉降+系統(tǒng)溫度+溫度梯度；

工況二：恒載+1.3倍公路-I級(jí)車(chē)道荷載（考慮沖擊）+汽車(chē)離心力+支座不均勻沉降+系統(tǒng)溫度+溫度梯度；

工況三：恒載+1.2倍汽車(chē)超20級(jí)車(chē)輛荷載（考慮沖擊）+汽車(chē)離心力+支座不均勻沉降+系統(tǒng)溫度+溫度梯度。

4.2結(jié)果分析

表3　各荷載工況下支座最小反力（單位：kN）

各荷載工況下支座最小反力見(jiàn)表3。

經(jīng)計(jì)算分析得，在工況二和工況三作用下端支座內(nèi)側(cè)會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，支座很可能脫空。將脫空支座鈍化，E0端由雙支座變成了偏心單支座，分析得E0外側(cè)支座反力突然增大，但小于支座的承載能力，支座不會(huì)失效。但是支座脫空是匝道橋上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的開(kāi)始，因此擬對(duì)該匝道橋進(jìn)行加固。

對(duì)獨(dú)柱墩增加鋼蓋梁之后，支座最小反力見(jiàn)表4，結(jié)果均未出現(xiàn)負(fù)反力，支座不會(huì)脫空，增加了抗傾覆穩(wěn)定性。

表4　各荷載工況下支座最小反力（單位：kN）

5　結(jié)　論

本文分析了近年來(lái)我國(guó)獨(dú)柱墩匝道橋事故發(fā)生的機(jī)理，提出了對(duì)現(xiàn)役獨(dú)柱墩匝道橋的加固措施，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)近年來(lái)匝道橋事故進(jìn)行分析，得兩種破壞機(jī)理，即傾覆失穩(wěn)和支座失效，都是因?yàn)檐?chē)輛荷載使主梁結(jié)構(gòu)的廣義質(zhì)心發(fā)生了偏移，使一側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力、脫空。

（2）傾覆失穩(wěn)是廣義質(zhì)心落在支座以外，傾覆力矩大于抗傾覆力矩，主梁翻轉(zhuǎn)下落；支座失效也是廣義質(zhì)心偏移到傾覆軸線以外，支座外邊緣以?xún)?nèi)，包括一側(cè)支座脫空，相鄰支座不均勻壓縮，支座壓潰或偏轉(zhuǎn)角超過(guò)允許值導(dǎo)致落梁。

（3）提出兩種獨(dú)柱墩匝道橋的加固措施，核心是控制支座出現(xiàn)負(fù)反力。

（4）對(duì)某匝道橋進(jìn)行支反力分析，確定其可能發(fā)生傾覆，并進(jìn)行鋼蓋梁加固處理，結(jié)果表明加固之后不會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力。

[1]JTG D60－2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62－2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JTG D62－2012,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 (征求意見(jiàn)稿)[S].

[4]高超,朱琳,王明偉.獨(dú)柱曲線梁橋的抗傾覆設(shè)計(jì)與研究[J].城市道橋與防洪,2015(1):14.

[5]曾愛(ài).高速公路匝道橋抗傾覆能力研究[D].重慶:重慶交通大學(xué), 2013.

[6]王志浩.獨(dú)柱墩梁橋的抗傾覆分析及加固對(duì)策研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[7]祁志偉.城市連續(xù)箱梁橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2013.

[8]楊穎軍.獨(dú)柱墩曲線箱梁橋的抗傾覆與加固方法研究[D].石家莊:河北工業(yè)大學(xué),2012.

U445.7+2

A

1009-7716（2016）02-0078-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.020

2015-10-12

李攀（1982-），男，江西撫州人，工程師，從事市政工程設(shè)計(jì)研究工作。