獨柱支撐匝道橋抗傾覆驗算汽車荷載的分析研究

李春明

摘 要：汽車荷載主要控制指標應采用加載總量，結合實際條件計算相應數值，根據重載交通進行確定。為不斷降低獨柱支撐匝道橋傾覆事故，本文比較國內外有關汽車荷載規范，研究分析橋梁傾覆事故中有關汽車荷載問題，重載交通線路汽車荷載計算不具有較大的橋梁傾覆效應，達不到相應安全度，隨著不斷增長的橋梁聯長，降低了安全度。

關鍵詞：獨柱支撐匝道橋；抗傾覆；交通荷載

1. 前言

國內近年來發生數次橋梁傾覆事故，導致十分嚴重的經濟損失和社會負面影響，車輛超載、超都是最終的事故調查結論，多次發生此類安全事故應引起交通運輸管理人員的思考。規范對車道或車輛荷載的規定都是虛擬荷載，主要是利用調查測定實際車輛通行狀態，并基于此歸納統計車輛的通行作用效應，主要有汽車荷載等級、計算圖式及其標準值等有關內容制定規范標準。

匝道主要是指連接高速公路立交上、中道及下道部位的單車道單方向轉彎道路，作為設置互通式立體交叉道路或高度不同道路及平行道路的連接車道。其曲線元主要由直線段、圓曲線段和緩和曲線段等結構組成。為避免直行車輛干擾匝道轉入車輛，一些交流道在設計中加入集散道，使交織路段交通通行量得到緩解。獨柱支撐匝道橋主要是指采用單獨柱結構支撐的匝道橋梁，因采用單支點在橫橋向對獨柱墩進行支撐，受汽車偏載作用的影響，十分不利于結構橫向抗傾覆的穩定性。匝道橋能夠使交通擁堵得到明顯緩解，交通暢通率得到顯著提高。立交匝道可有效節約平面匝道占用路面50%，不足之處是其施工造價遠高于平面匝道。

目前應用的規范中主要結合汽車荷載對結構彎矩、剪力效應統計歸納后進行計算，有待于深入驗算橋梁傾覆效應的適用性。而隨時代不斷發展，車輛實際通行類別及排列方式也產生一定程度的變化。為有效避免再次產生傾覆事故及為改造加固橋梁及設計橋梁提供重要參考依據，深入研究橋梁抗傾覆驗算汽車荷載具有十分重要的現實意義。

2. 國內外汽車荷載的有關規范比較

針對汽車荷載在不同國家規范中存在的差異，國內外學者都進行過較深入地研究，但目前還只依賴于對不同規范中汽車荷載及其產生的彎矩、剪力效應的比較分析，沒有深入探討其傾覆效應。結合有關地區調查統計聯獨柱支撐匝道橋梁的情況，分析其中4個代表性明顯的預應力混凝土橋梁結構的傾覆效應。模型1：26米+36米+26米直線橋；模型2：31.5米+43米+43米+31.5米直線橋；模型3：26米+36米+26米曲線橋（90米曲線半徑）；模型4：31.5米+43米+43米+31.5米曲線橋（90米曲線半徑）。4座模型橋梁都具有9米寬，3.4米邊支撐間距，采用盆式橡膠支座作為中支撐。針對獨柱支撐匝道橋梁最不利的工況就是在最大偏心位置時主梁單車道滿載作用，結合橋梁上部結構產生傾覆的基本原因，可明確梁端傾覆力矩為比較各規范汽車荷載傾覆效應，各規范汽車荷載在最不利工況下產生的梁端傾覆力矩情況為：美國AASHTO規范在各類汽車荷載中產生的傾覆效應最小，依次為公路04規范，最大的是英國BS5400規范，其中除英國BS5400規范外，其余三種規范不具有較大差距（不超過10%），英國BS5400規范相當于其余規范兩倍；獨柱支撐匝道橋梁如形式相同，直線橋梁在抗傾覆方面更不利；在各規范中汽車荷載作用對于不同結構產生的傾覆效應之間具有基本一致的比值；獨柱支撐匝道橋梁結構在傾覆效應方面與作用汽車荷載總量之間具有比較相近的比例關系，與荷載作用模式的關系也不明顯，所以對設計的控制可應用汽車單車道線荷載集度。

3. 獨柱支撐橋梁傾覆事故荷載的相關分析

在汽車荷載作用下，國內近年來產生的獨柱支撐橋梁傾覆事故數起，經深入調查分析，事故原因都是由嚴重超載而導致，現針對典型案例對有關汽車荷載情況分別進行分析。

3.1 津晉高速公路匝道橋事故

公路中一收費站800米外匝道橋在2011年7月15日突然發生坍塌事故，導致5輛載貨車從橋面墜落， 6人死亡，7人受傷。109 米長度的互通式立交A匝道橋發生坍塌，橋梁達8.6米寬，路面7.6米寬，箱梁1.4米高。事故主要是因5輛大貨車超載導致，總重5030千牛頓，對線荷載集度折算為46.15千牛/米。

3.2 某高架城市立交橋事故

2011年8月25日某市交通局例行檢查超載運輸車輛，造成橋梁沿曲線外側依次停放一些超載車輛，進而導致主梁結構產生側傾。及時對車輛進行疏導后，主梁恢復變形。結合有關調查資料，有7輛車處于傾覆段主梁135米范圍內，每輛車重約920千牛，汽車共重約6440千牛，對線荷載集度折算為47.7千牛/米。

3.3 浙江上虞立交橋事故

2011年2月21日浙江省某公路匝道突然發生坍塌事故。橋梁現場造成140米長度的坍塌，有3輛貨車側翻在匝道上，造成2人輕傷。事故產生原因主要是3輛大貨車因超載導致，總重約4900千牛，對線荷載集度折算為40.8千牛/米。

分析以上3起事故可發現，40—50千牛/米的汽車荷載線集度易導致橋梁傾覆事故，相當于公路04規范3-4倍的車道荷載，所以在重載公路上，獨柱支撐匝道橋梁應汽車荷載的公路04規范標準提高。

4. 重載交通荷載及傾覆效應的相關分析

荷載模式進行縱向布置，結合公路04規范的荷載模式對車道荷載的確定方法，按照均布力基數q=10.8千牛/米，結合實測數據對剪力效應值計算集中力進行計算。該重載交通荷載模式分別加載模型1、模型2，分析模型橋梁端傾覆力矩。針對重載交通線路而言，在驗算橋梁傾覆時公路04規范的汽車荷載達不到較高標準，隨著增長的結構聯長，將降低其安全度；對車道荷載模式修正能夠使重載交通線路存在的結構彎、剪問題得到妥善解決，但無法對結構的傾覆效應準確模擬；針對聯長在80—160米之間的結構，對車隊荷載模式修正，對其線荷載集度折算約為49千牛/米，相對于獨柱支撐匝道橋產生傾覆事故的實際荷載差別不大，可對重載交通效應進行客觀準確地模擬。

5. 結語

綜上所述，橋梁傾覆破壞屬于一種瞬時行為，與“脆性”破壞結構相類似，難以防范并具有較大的經濟損失，同時會導致十分不利的社會負面影響，對于從業人員應引起足夠的重視程度。本研究得出以下三個結論：一是在對獨柱支撐匝道橋梁傾覆效應進行計算時，可采用加載總量作為控制汽車荷載的主要指標，應結合實際條件確定具體數值以及產生重載交通的程度進行確定；二是對于重載交通線路而言，根據有關規范汽車荷載計算不具有較大的橋梁傾覆效應，也不具有較高的安全度，安全度與橋梁聯長之間具有負相關關系；三是在施工及使用過程中，橋梁應將產生最不利傾覆的工況有效避免。

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