獨(dú)柱墩受車輛撞擊應(yīng)急檢測(cè)與分析

許磊、李志雪、秦世旺

(1.國(guó)家鐵路局安全技術(shù)中心，北京 100000；2.中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，廣西 南寧 530000；3.中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司桂林工務(wù)段，廣西 桂林 541000)

0 引言

獨(dú)柱墩式連續(xù)梁橋具有占地面積小、整體結(jié)構(gòu)美觀、橋下視野廣闊、能很好地適應(yīng)地形限制、對(duì)橋下交通影響小以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于立交橋和匝道橋[1]。但由于獨(dú)柱墩通常只設(shè)置單支座，導(dǎo)致獨(dú)柱墩式連續(xù)梁橋的抗傾覆能力較弱。當(dāng)超載或偏載車輛行駛至該橋梁的轉(zhuǎn)彎部位時(shí)，在超載力矩、橋梁自身偏心力矩及車輛離心力的共同作用下極易發(fā)生傾覆事故。立交橋或匝道橋受到車輛撞擊的事故時(shí)有發(fā)生[2]，根據(jù)撞擊的部位可以分為上部結(jié)構(gòu)受到撞擊和下部結(jié)構(gòu)受到撞擊兩種類型。上部結(jié)構(gòu)受到撞擊有可能導(dǎo)致梁體移位、破壞甚至垮塌，下部結(jié)構(gòu)受到撞擊則在水平力作用下可能導(dǎo)致墩頂支座偏移、墩底混凝土開裂等，且墩頂支座的偏移會(huì)導(dǎo)致主梁等上部結(jié)構(gòu)的中心線與支座的中心線偏離，在偏載的作用下發(fā)生傾覆或是損壞的可能性較大。因此，如何快速檢測(cè)并在確保橋梁安全的前提下盡早恢復(fù)交通是十分必要的。

1 案例概述

某重卡自卸車因爆胎導(dǎo)致車輛失去控制，撞上某城市大型立交橋H 線1#墩后停止，重卡自卸車上裝有碎石，現(xiàn)場(chǎng)如圖1、圖2 所示。受立交橋管養(yǎng)單位委托，對(duì)此撞擊事故造成的橋梁損失進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)估，確定能否開放交通。

圖1 車輛撞擊整體正面照

圖2 車輛撞擊局部側(cè)面照

2 被撞墩柱應(yīng)急檢測(cè)與分析

2.1 被撞H 線1#墩概況

H 線上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，全長(zhǎng)185.935m，分為2 聯(lián)，其中F2#、F6#為抗扭墩，連接采用牛腿搭接，根據(jù)跨徑大小的不同，橋梁梁高分別為1.3m、1.6m。下部結(jié)構(gòu)為樁柱式結(jié)構(gòu)，這次被撞的H 線1#墩樁號(hào)為K1+236.945，采用樁柱式結(jié)構(gòu)，H 線1#墩柱直徑130cm，墩柱長(zhǎng)1160cm，H 線1#樁基直徑150cm，樁基長(zhǎng)18.8m，總計(jì)長(zhǎng)30.4m。該橋設(shè)計(jì)荷載為城市-A 級(jí)，橋面凈寬9.5m。H 線1#墩所在橋梁立面及橫斷面如圖3、圖4 所示，H 線平面如圖5 所示。

圖3 H 線1#墩所在橋梁立面圖（單位：cm）

圖4 H 線1#墩所在橋梁橫斷面圖（單位：cm）

圖5 H 線平面圖

2.2 應(yīng)急檢測(cè)內(nèi)容及主要結(jié)果

對(duì)因撞擊受損的H 線1#墩進(jìn)行全面仔細(xì)的檢查，并對(duì)損傷進(jìn)行量測(cè)、記錄和拍照。

第一，箱梁外觀檢測(cè)。經(jīng)對(duì)H 線上部結(jié)構(gòu)箱梁進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)撞擊引起的位移及裂縫等病害，由此可見，H 線1#墩受撞擊未對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全影響。第二，支座檢測(cè)。H 線1#墩支座未發(fā)現(xiàn)支座損壞，未見支座相對(duì)箱梁或墩頂產(chǎn)生滑移及滑移痕跡（見圖6）。第三，H 線1#墩柱檢測(cè)。對(duì)受撞的立交橋H 線1#墩進(jìn)行全面仔細(xì)的檢查發(fā)現(xiàn)：H 線1#墩2 處混凝土破損，面積分別為0.46m×0.15m、0.19m×0.08m，刮痕最大深度為1.5cm（見圖7），主要為車輛撞擊剮蹭所致，未見露筋、裂縫等其他病害；墩柱表面新增紅色油漆及黑色物質(zhì)，面積合計(jì)0.95m2，主要為車輛剮蹭所致；墩柱傾斜度，墩柱頂部順車撞方向偏移2mm，垂直于車撞方向偏移9mm（見圖8），滿足規(guī)范要求，由偏移方向及量值可判斷，此次撞擊未引起墩柱頂端產(chǎn)生偏移。第四，其他檢測(cè)，車輛在失控撞擊H 線1#墩柱過程中，對(duì)路緣石造成損壞，損壞的路緣石長(zhǎng)度為3.1m。

圖6 H 線1#墩柱未見支座損壞及相對(duì)位移現(xiàn)象

圖7 H 線1#墩柱混凝土表面破損圖

圖8 H 線1#墩傾斜度示意圖

3 樁基、墩柱有限元模擬分析

3.1 荷載取值

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.3.2 條規(guī)定，汽車荷載的局部加載及在T 梁、箱梁懸臂截面上的沖擊系數(shù)μ 采用0.3。對(duì)于車輛撞擊的集中力考慮沖擊系數(shù)的影響。根據(jù)實(shí)測(cè)，肇事車輛的車廂內(nèi)碎石的堆積容重按15.54kN/m3考慮，車輛長(zhǎng)寬高分別為7.55m、2.35m、1.5m(實(shí)際裝貨高度)，車重按100kN 考慮，立柱考慮墩上主梁及車道面的重量，取集中力3000kN。根據(jù)對(duì)立柱受損情況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，車輛撞擊的主要作用點(diǎn)在車頭保險(xiǎn)杠處，距行車道大約1m。則車輛撞擊力F 取值如式（1）所示。

3.2 土側(cè)向抗壓剛度

根據(jù)立交橋工程設(shè)計(jì)圖紙確定，地面至地面以下13.2m 為均質(zhì)土和均質(zhì)黏土，設(shè)其側(cè)向剛度系數(shù)為K1。地面以下13.2m 至樁基底部為圓礫，設(shè)其側(cè)向剛度系數(shù)為K2。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）中的規(guī)定計(jì)算樁基的土彈簧剛度：

式（2）中：a 為各土層厚度；b1為樁的計(jì)算寬度；m 為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)；z 為各土層中點(diǎn)距地面的距離。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定樁基所處土層后計(jì)算土側(cè)向剛度為：K1=3.0×106kN/m，K2=5.0×106kN/m。

3.3 有限元模型

采用有限元分析軟件MIDAS Civil 建立計(jì)算模型，共分為34 個(gè)節(jié)點(diǎn)、33 個(gè)單元，有限元模型如圖9、圖10 所示。計(jì)算時(shí)假定：鋼筋混凝土圓形截面應(yīng)變符合平截面假定；受壓區(qū)混凝土應(yīng)力圖呈三角形分布，受拉區(qū)混凝土應(yīng)力圖呈梯形分布；沿圓周的單根鋼筋簡(jiǎn)化為等效薄壁鋼環(huán)。

圖9 H 線1#墩受撞模型有限元分析模型

圖10 H 線1#墩、樁有限元模型

在車撞集中力以及墩上主梁的壓重組合作用下，從MIDAS 計(jì)算模型中提取控制截面的軸力與彎矩分別為3315.2kN、667.0kN·m。

混凝土應(yīng)力合力對(duì)截面中心的彎矩[3]：

式（3）中：ftk為C30 混凝土軸心抗拉標(biāo)準(zhǔn)值；系數(shù)△=，α 為截面高度修正系數(shù)，α=(0.+)×2；ξ為截面相對(duì)受壓系數(shù)。

等效薄壁鋼環(huán)應(yīng)力合力對(duì)截面中心的彎矩：

式（4）中：fsk為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Es 為鋼筋彈性模量；Ec 為C30 混凝土彈性模量。均按照規(guī)范約定進(jìn)行取值。

截面達(dá)到開裂狀態(tài)時(shí)的抗彎承載力及開裂彎矩：M=Mc+Ms=787.4kN·m，M＞Md=667.0kN·m。荷載作用效應(yīng)彎矩小于開裂允許彎矩，故截面不會(huì)產(chǎn)生裂縫，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開挖樁基，確實(shí)未發(fā)現(xiàn)裂縫，因此，此次撞擊不影響下部結(jié)構(gòu)安全。

4 1#墩傾斜度對(duì)梁體傾覆影響分析

獨(dú)柱墩曲線梁橋由于主梁的平面彎曲，在運(yùn)營(yíng)過程中主梁容易出現(xiàn)彎扭耦合效應(yīng)和產(chǎn)生較大的扭矩。對(duì)于獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁，中墩柱多為單支座，在車輛超載和偏載的共同作用下，主梁產(chǎn)生很大的橫向扭矩，由于獨(dú)柱墩自身抗扭能力極弱，隨著主梁扭矩的進(jìn)一步加大，獨(dú)柱墩墩柱所受的橫向彎矩和水平剪力急劇增大，當(dāng)超過獨(dú)柱墩墩柱自身承載能力時(shí)將會(huì)導(dǎo)致主梁傾覆[4]。針對(duì)車輛撞擊H 線1#墩柱后，墩柱頂發(fā)生傾斜導(dǎo)致支座中心線與主梁中心線偏離，整體上墩頂支座偏移的路徑是偏向曲線外側(cè)。文獻(xiàn)對(duì)中墩柱單支座設(shè)置20～60cm 往曲線外側(cè)的偏心距，結(jié)果表明橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著獨(dú)柱墩往曲線外側(cè)設(shè)置預(yù)偏心的增大而增大[5]。文獻(xiàn)對(duì)比分析了設(shè)置支座往曲線外預(yù)偏心50cm 和未設(shè)置預(yù)偏心兩種情況下彎橋的橫向傾覆穩(wěn)定性情況，結(jié)果表明預(yù)偏心的設(shè)置使彎橋的整體重心向曲線內(nèi)側(cè)偏移，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)支座壓力增大，從而有效地平衡汽車偏載對(duì)彎橋橫向傾覆的不利作用[6]。文獻(xiàn)結(jié)果表明中墩柱單支座設(shè)置合理的偏心距可以提高橋梁的抗傾覆能力，從而有效改善聯(lián)端扭矩的分布[7]。文獻(xiàn)均表明墩頂支座在一定合理范圍內(nèi)往曲線外側(cè)偏離時(shí)，對(duì)橋梁的抗傾覆能力和改善聯(lián)端扭矩的分布起到一定的有利作用[8]。因此，對(duì)比本文H 線1#墩柱頂發(fā)生傾斜，在該檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求的前提下，H 線1#墩柱單支座偏向曲線外側(cè)，對(duì)主梁抗傾覆能力起到一定的有利作用，因而此次撞擊不影響上部結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

第一，重卡自卸車對(duì)立交橋H 線1#墩的撞擊，造成H 線1#墩表面油漆污物、混凝土破損及路緣石損壞，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及撞擊結(jié)構(gòu)有限元模擬計(jì)算，此次撞擊力不至于引起墩柱及樁基混凝土開裂，因此，未對(duì)H 線橋梁結(jié)構(gòu)安全造成影響，但對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性、表觀完整性及整潔有一定影響。第二，由于獨(dú)柱墩式橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較低及水平剛度較弱，在水平外力作用下，易使上部結(jié)構(gòu)梁體或墩頂與梁底產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，有必要對(duì)伸縮縫位置是否移動(dòng)及其狀態(tài)是否正常、梁底支座與梁體及墩頂墊石是否有相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)行觀察，以判斷碰撞過程是否導(dǎo)致較大位移及撞擊后是否恢復(fù)變形等。第三，撞擊部位是否有裂縫，可借助肉眼進(jìn)行觀察；埋在地下的樁基是否有裂縫，也可開挖后進(jìn)行觀察；但樁基反彎點(diǎn)較深，無法開挖觀測(cè)，故可采用本文推薦的方法進(jìn)行計(jì)算分析，以判斷地面以下墩柱及墩身是否會(huì)因撞擊產(chǎn)生裂縫。第四，H 線1#墩柱頂發(fā)生傾斜導(dǎo)致支座中心線與主梁中心線偏離，在該檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求的前提下，H 線1#墩柱支座偏向曲線外側(cè)，對(duì)主梁抗傾覆能力起到一定的有利作用，因而此次撞擊不影響上部結(jié)構(gòu)安全。