獨柱墩匝道橋事故機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)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.同濟大學，上海市 200092）

獨柱墩匝道橋事故機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)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.同濟大學，上海市 200092）

獨柱墩匝道橋是曲線梁橋的一種表現(xiàn)形式，由于車輛超載發(fā)生了多起坍塌事故。分析事故破壞特點，得出兩種類型的破壞形式，即傾覆失穩(wěn)和支座失效。針對這兩種破壞形式，提出了相應(yīng)的解決辦法，明確了兩種加固措施。以某國道獨柱匝道橋為背景，進行空間有限元分析，計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)驗證分析得，鋼蓋梁加固措施受力明確、施工簡易，快速，可用于快速加固獨柱墩匝道橋。

獨柱墩匝道橋；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。尤其是獨柱墩上采用單支座，在汽車超偏載作用下，坍塌破壞的概率較高。近年來，國內(nèi)該類橋梁事故頻發(fā)，車毀人亡，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。

本文對近年來發(fā)生的獨柱墩匝道橋事故進行統(tǒng)計，研究其破壞特點，總結(jié)破壞形式，得傾覆失穩(wěn)和支座失效是最常見的兩種破壞狀態(tài)。以某匝道橋為工程背景進行空間有限元建模，根據(jù)規(guī)范驗算其抗傾覆能力以及支座失效對結(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、簡易的加固措施，避免此類橋梁坍塌事故的發(fā)生。

1　獨柱墩匝道橋

1.1受力特點

（1）彎扭耦合

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

（2）支反力不對稱

恒載作用下,支反力呈外大內(nèi)小分布,當活載在曲線外側(cè)偏置時,內(nèi)側(cè)支反力有時會減小,甚至會產(chǎn)生支座負反力。如果支座不能承受拉力,就會出現(xiàn)梁體與支座的脫離,即“支座脫空”現(xiàn)象。

1.2支座布置

獨柱墩匝道橋在力學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，中間支座采用點鉸支撐，或者點鉸支撐與抗扭支撐的混合模式，其大體布置形式見圖1。

圖1　匝道橋支座布置形式

2　坍塌機理分析

2.1坍塌事故

近年來事故統(tǒng)計及實例見表1和圖2。

表1　近年來事故統(tǒng)計

圖2　事故實例

近年來發(fā)生的獨柱墩匝道橋事故進行統(tǒng)計分析表明，得兩種破壞機理，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致的失穩(wěn)狀態(tài)[5]，其破壞實質(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，見圖3。

圖3　傾覆失穩(wěn)破壞示意圖

對獨柱墩匝道橋而言，國內(nèi)目前重載車輛普遍存在超載現(xiàn)象，個別嚴重的超載車輛超載量達到了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，當車輛超載到一定程度，質(zhì)心轉(zhuǎn)移到支座外側(cè)，導致梁體整體傾覆。

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[1]和《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[2]中均只有禁止支座脫空的描述。現(xiàn)有公路規(guī)范,對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的計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應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(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)進行上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算。上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足式（1）：

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

2.3支座失效

獨柱墩匝道橋總是處于彎扭耦合的受力狀態(tài)下，但獨柱墩單點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)置的雙支座來支撐，在這種情況下，連續(xù)梁橋的受扭跨度大大增長，嚴重的直接等于匝道橋主梁的全長而不是單孔長度，導致連續(xù)梁的兩端支承處產(chǎn)生過大的扭矩。若兩端支座不抗扭或抗扭不足，將會導致支座脫空。

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，支座外外緣以內(nèi)，原來的雙支座支撐變成了單支座支撐，見圖4。

圖4　支座脫空示意圖

當某一支座脫空時，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)生一個滑動面，梁體下滑，主梁坍塌，見圖5。

圖5　支座失效示意圖

2.4實例分析

圖6是粵贛高速匝道橋垮塌事故地點，可以看到該匝道橋是下行方向，由主干道分流開往河源方向?？逅拈L度為75 m（3×25 m）的連續(xù)預應(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，在落下的時候擦到了2號墩，因此落梁邊角破損嚴重，2號墩側(cè)也有擦痕。

（2）3號墩已經(jīng)完全傾斜，一部分被壓在橋面下，一大部分露出。

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

（4）1號橋臺應(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重載車輛超載，導致主梁廣義質(zhì)心移動到支座之外，匝道傾覆失穩(wěn)，車輛翻落，主梁在偏轉(zhuǎn)的同時推倒了橋墩，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)和支座失效導致的獨柱墩匝道橋坍塌都是因為超偏載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，導致了一側(cè)支座出現(xiàn)負反力、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的兩種加固措施[6]。

3.1鋼蓋梁加固

當原獨柱墩長細比較小，承載能力較大時，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)，通過高強螺栓將鋼蓋梁結(jié)構(gòu)與獨柱墩聯(lián)系在一起，見圖7。

圖7　鋼蓋梁加固措施

增設(shè)鋼蓋梁加固的特點主要體現(xiàn)在：

（1）增設(shè)鋼蓋梁結(jié)構(gòu)相對于預應(yīng)力混凝土蓋梁加固，其自重輕，對原獨柱墩結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)增加的額外恒載較??；

（2）增設(shè)蓋梁加固施工簡易、周期短，對橋下及橋面交通影響較??；

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

3.2增設(shè)鋼管柱

當原獨柱墩長細比較大，承載能力較低時，可以采用增設(shè)鋼管柱加固法，見圖8。這種加固方式主要是利用原有墩柱下部的承臺，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，然后把原獨柱墩單支座拆除，最終形成橫向雙柱式橋墩支承來提高橋梁結(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)鋼管柱加固的特點主要體現(xiàn)在：

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

（2）避免在獨柱墩墩頂鑿孔，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，獨柱墩承受彎矩小。

4　工程實例分析

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，見圖9。橋梁橋臺為埋置式鋼筋混凝土橋臺，除伸縮縫處的E5墩為雙柱式橋墩外，其它橋墩均為獨柱式單支座橋墩，該橋的基本參數(shù)見表2，空間有限元模型見圖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

驗算工況[5-8]：

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

工況三：恒載+1.2倍汽車超20級車輛荷載（考慮沖擊）+汽車離心力+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表3。

經(jīng)計算分析得，在工況二和工況三作用下端支座內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)負反力，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)生傾覆的開始，因此擬對該匝道橋進行加固。

對獨柱墩增加鋼蓋梁之后，支座最小反力見表4，結(jié)果均未出現(xiàn)負反力，支座不會脫空，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

本文分析了近年來我國獨柱墩匝道橋事故發(fā)生的機理，提出了對現(xiàn)役獨柱墩匝道橋的加固措施，得出以下結(jié)論：

（1）對近年來匝道橋事故進行分析，得兩種破壞機理，即傾覆失穩(wěn)和支座失效，都是因為車輛荷載使主梁結(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，支座外邊緣以內(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)角超過允許值導致落梁。

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

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

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

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

[3]JTG D62－2012,公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范 (征求意見稿)[S].

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

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

[6]王志浩.獨柱墩梁橋的抗傾覆分析及加固對策研究[D].西安:長安大學,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].長沙:中南大學,2013.

[8]楊穎軍.獨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,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)計研究工作。