大橋傾覆是“一條腿”惹的禍嗎

文 中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 郭騰峰

2021年12月18日，湖北鄂州市境內(nèi)G50滬渝高速滬渝向花湖互通D匝道獨柱墩橋梁發(fā)生側(cè)翻事故（以下簡稱“湖北橋梁事故”），截至當日已造成4人死亡、8人受傷。據(jù)官方媒體報道，引發(fā)湖北橋梁事故的貨車從陜西臨潼入站駛上高速，載重198噸，超載400%。

事故發(fā)生后的第一時間，大批有關(guān)事故調(diào)查與分析文章付諸網(wǎng)端。與一般性的討論、質(zhì)疑文章相較，在微信公眾平臺發(fā)表的一篇名為《12·18湖北G50滬渝高速花湖互通匝道傾覆事故分析》的文章，因作者以專業(yè)性角度對事故橋梁進行了結(jié)構(gòu)建模和分析，并得出一系列驗算數(shù)據(jù)與結(jié)論，備受讀者推崇，閱讀量達到“10萬+”，也再次把“獨柱墩橋梁安全性”推上輿論的風口浪尖。

湖北橋梁事故雖非獨柱墩結(jié)構(gòu)橋梁首次發(fā)生傾覆，但“一條腿”真的是事故原罪嗎？

“一條腿”存先天劣勢但“原罪”結(jié)論為時尚早

20世紀80年代開始，獨柱墩橋梁理論逐漸形成，到90年代開始初步應(yīng)用，進入到21世紀后開始在國內(nèi)外城市立交、公路跨線等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

在公路橋梁建設(shè)過程中，受地形、地物、占地面積和景觀等因素影響，橋梁下部墩往往采用獨柱支撐方式，以減少土地占用、改善下部結(jié)構(gòu)布局、緩解橋基與地下建筑位置沖突、增加視野及橋型美觀度。獨柱墩橋梁工程量相對較小，特別是跨線斜交時可采用較小跨徑跨越，較為經(jīng)濟，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)條件有限的情況下，往往成為橋梁修建的唯一選擇。

不過，隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，交通流量、車輛載重不斷增大，特別是大型貨車車輛超載現(xiàn)象頻發(fā)，近年來，獨柱墩橋梁傾覆事故發(fā)生率逐漸增多。獨柱墩橋梁安全性逐漸受到學者的廣泛關(guān)注。

2019年初，在北京力學會第二十五屆學術(shù)年會上提交的《獨柱墩橋梁傾覆穩(wěn)定性分析》一文中明確表示，橫向抗傾覆穩(wěn)定性不足，是獨柱墩橋的先天劣勢。

雖然獨柱墩橋的上下部結(jié)構(gòu)受力性能可滿足橋梁設(shè)計規(guī)范要求，但其橋墩橫向支承體系為單支點支承，在偏載作用下，結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆性會出現(xiàn)不穩(wěn)定，從而導致橋梁整體抗傾覆穩(wěn)定性的安全儲備不足。

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近年我國獨柱墩橋梁相關(guān)事故情況

·2009年7月15日，津晉高速公路港塘收費站800米外匝道橋坍塌，5輛載貨車墜落，造成6人死亡、4人受傷。經(jīng)查明，事故原因是因5輛載重貨車逆行駛?cè)霕蝮w，遇車右拐使橋體重心偏移，導致該橋坍塌。

·2012年8月24日,哈爾濱機場高速由江南往江北方向、即將進入陽明灘大橋主橋的最后一段傾覆，4輛貨車沖下橋體。后經(jīng)調(diào)查，事故直接原因是4輛過秤總重量達482噸的超載貨車在121.96米的長梁體范圍內(nèi)同時集中靠右側(cè)行駛，匝道鋼混連續(xù)疊合梁一側(cè)偏載受力嚴重超載荷，導致匝道傾覆。

·2015年6月19日，粵贛高速廣東河源城南出口匝道橋突然傾覆，事故造成1人死亡、4人受傷。事故直接誘因是：3輛大貨車在駛?cè)胧召M站時，緩慢行駛在橋梁同一側(cè)，導致梁體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，進而發(fā)生落梁事故。

·2019年10月10日，兩輛累計超載300多噸的大貨車經(jīng)過江蘇無錫國道312線上海方向135公里處時，導致跨橋橋面?zhèn)确斐?人死亡，2人受傷。

此外，支座對梁體沒有拉結(jié)作用，一旦橋梁在突發(fā)的超限荷載作用后發(fā)生扭轉(zhuǎn)，梁體就會發(fā)生側(cè)滑，這也是獨柱墩橋梁的另一大劣勢，即“傾覆無征兆、難以預(yù)防”。

抗傾覆穩(wěn)定性不足的獨柱墩橋梁真的是造成湖北橋梁事故的原罪嗎？

據(jù)媒體報道，事發(fā)時，獨柱墩結(jié)構(gòu)的匝道橋沒有施工，但有3輛貨車同向行駛，其中包括一輛重達198噸的大件運輸車輛。然而，事發(fā)橋梁荷載設(shè)計限重為55噸，具體限重執(zhí)行標準為49噸。僅一輛貨車就超載近400%。

但該文并未著眼于上述關(guān)鍵信息點，僅基于3D建模對橋梁在“超載+偏載”非正常工況與正常工況條件下的橋梁抗傾覆性進行分析對比，并得出“橋梁加固措施如滿足相關(guān)規(guī)范標準提出的加固性能要求，即加固措施連接有效，橋梁并不會發(fā)生側(cè)翻”的結(jié)論，即事故原因或因大橋加固措施未達到目標效果所造成。

筆者贊成關(guān)注者對事故進行不同角度、不同意見的研究、討論，但在官方事故報告正式發(fā)布之前，該文作者作為專業(yè)人士，卻沒有從貨車超載400%的實際原因出發(fā)，僅憑對橋梁抗傾覆性的對比分析，便傳遞出事故成因出自橋梁設(shè)計和加固方面的片面結(jié)論，不僅會誤導輿論與社會公眾錯誤認知交通安全和工程標準，還可能對“獨柱墩”這種具有較強空間適用性的墩臺結(jié)構(gòu)造成扼殺。

“一條腿”劣勢如何解一邊要加固一邊更要減負

為解決獨柱墩結(jié)構(gòu)橋梁的問題，美國自1971年開始，逐漸在公路橋梁建設(shè)中使用限位器，以防止相鄰橋梁之間產(chǎn)生過大的相對位移，以及防止地震時橋跨發(fā)生落梁。

日本在1972年的《道路橋耐震設(shè)計指針解說》中便引入了防落梁的規(guī)定；2002年3月，日本發(fā)布《道路橋示方書同解說·耐震設(shè)計篇》，要求特別考慮橋梁系統(tǒng)整體的抗震性能,把支座、連梁裝置作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件來設(shè)計。

我國對此也做出諸多努力。我國舊版橋梁設(shè)計規(guī)范中曾明確要求，公路橋涵的持久狀態(tài)設(shè)計應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)的要求，對構(gòu)建進行承載力及穩(wěn)定計算，必要時應(yīng)進行結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移的驗算……2018年行業(yè)規(guī)范修訂后，內(nèi)容做了更細致的規(guī)定，使獨柱墩橋梁的冗余設(shè)計量、超載承載能力得到大大提高。

還有一些城市頗具先見之明，對已有獨柱墩結(jié)構(gòu)橋梁進行了抗傾覆性能加固。以湖北武漢為例，武漢有16座獨柱墩結(jié)構(gòu)橋梁，共有277根獨柱墩。從2013年起，武漢相關(guān)部門決定對獨柱墩橋梁進行加固。經(jīng)過前期論證，最終通過加鋼蓋梁和輔助支座的方案，對橋梁實施加固。目前，武漢已完成全部16座獨柱墩橋梁加固改造工程，給橋梁安全上了一道保險。

2019年，南京市交通運輸局亦對城市橋梁獨柱墩結(jié)構(gòu)橋梁進行摸底，并開展城市橋梁獨柱墩抗傾覆專題研究。經(jīng)摸排和抗傾覆驗算，城市橋梁29座獨柱墩橋梁合計308聯(lián)跨中，165聯(lián)跨抗傾覆性能滿足了最新規(guī)范要求。

針對囿于各種因素而不能滿足安全要求的橋梁聯(lián)跨，南京計劃通過減小基礎(chǔ)負荷、增設(shè)抗拉拔裝置或支座、增設(shè)鋼牛腿、增大橋墩截面等加固手段提高橋梁抗傾覆性能。

橋梁內(nèi)傷多來自超載超載非設(shè)計工況考慮條件

在過去我國發(fā)生的獨柱墩橋梁傾覆事故中，幾乎都有超載的身影。部分貨車司機出于運輸成本考慮，冒險超載運輸。對此，有專家曾指出，車輛超載對橋梁安全具有明顯危害。

如果超載過度，使得橋梁的應(yīng)力或者傾覆系數(shù)超過設(shè)計安全系數(shù)，橋梁可能立即倒塌；如果超載尚未大到能把橋梁壓倒，但由此產(chǎn)生的應(yīng)力仍會對橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命造成影響。長此以往，一座符合標準的橋梁服役10多年后，可能就會被壓出“內(nèi)傷”。

例如，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命一般可以假設(shè)與應(yīng)力幅的3次方成反比。如果車輛超載100%，應(yīng)力幅就大了1倍，那么原本具有百年壽命的橋梁，使用壽命會減少為12.5年。此外，據(jù)測算，車輛每超載超限30%，公路養(yǎng)護費用就要增加200%。

既然是超載車輛導致橋梁破壞，那能否提高橋梁設(shè)計等級，使得橋梁即便在超載車輛的重壓下依然不坍塌呢？

筆者認為，雖然每種橋型結(jié)構(gòu)具有各自的優(yōu)缺點，但都是在經(jīng)過反復(fù)驗證后的正常工況設(shè)計條件下建造，雖然建設(shè)方在設(shè)計時會考慮荷載作用，并按極限狀態(tài)下的不利組合效應(yīng)進行設(shè)計、驗算，預(yù)留一定的安全冗余。但是，再不利的荷載效應(yīng)或組合也一定是以合法合規(guī)、正常使用為前提，并不包括此次事故中出現(xiàn)的“超載400%+偏載”的非正常工況條件。

雖然新版橋梁設(shè)計規(guī)范結(jié)合公路車型組成變化，特別是貨運車輛大型化趨勢，進一步細化了對抗傾覆設(shè)計的要求，行業(yè)也積極安排對部分獨柱墩橋梁采取加固措施，以進一步提高獨柱墩橋梁的抗傾覆安全性，但即便對工程設(shè)計加固，也不可能會選擇使加固滿足“超載400%+偏載”的非正常工況條件。

另一需要讓外界了解的是，通過加固提高橋梁的抗傾覆安全系數(shù)（2.5），并不等同于使橋梁設(shè)計的荷載標準提高2.5倍，更非按照“超載400%+偏載”的非正常工況條件來對橋梁加固設(shè)計和驗算。

由此可見，事故橋梁設(shè)計本身不可能滿足“超載400%+偏載”的非正常工況條件，任何橋梁遇到這種特殊工況都會存在傾覆或失穩(wěn)的可能性。換句話說，不發(fā)生事故才是僥幸的意外。

我國交通基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展的同時，隨之產(chǎn)生的交通、運輸安全等問題將是行業(yè)乃至全社會長期關(guān)注的焦點問題。作為業(yè)內(nèi)的一名專業(yè)技術(shù)人員，筆者能理解交通基建工程師們的“技術(shù)控”情節(jié)——遇到問題總是習慣性地思考、琢磨以期通過改善工程或技術(shù)措施加以解決。例如，在發(fā)生人為交通事故后，希望通過增加各種路側(cè)設(shè)施降低事故發(fā)生率和發(fā)生程度；在超載超限運輸車輛引發(fā)事故后，希望通過加固橋梁加以應(yīng)對……出發(fā)點雖好，但超載無上限，即便以技術(shù)手段應(yīng)對了超載400%的非正常工況條件，那么遇到超限500%乃至更高，又該怎么辦？

交通運輸系統(tǒng)想要實現(xiàn)安全、可持續(xù)發(fā)展的目標離不開標準與規(guī)范，就好比國家、社會的安定有序離不開法律法規(guī)。縱觀世界各國的工程標準、工程設(shè)計，都是基于合法的人車環(huán)境，正常、合法的工況條件所制定。橋梁設(shè)計不能以滿足超載超限的非正常工況條件為對象，加固措施也無法成為應(yīng)對超載超限的根本之策。換句話說，工程措施永遠無法彌補管理漏洞。