独柱墩匝道桥事故机理分析及加固措施研究

2016-11-25马玉龙陈传景

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：匝道主梁支座

李　攀，韩　鹏，马玉龙，陈传景

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.同济大学，上海市 200092）

独柱墩匝道桥事故机理分析及加固措施研究

李攀1，韩鹏1，马玉龙1，陈传景2

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.同济大学，上海市 200092）

独柱墩匝道桥是曲线梁桥的一种表现形式，由于车辆超载发生了多起坍塌事故。分析事故破坏特点，得出两种类型的破坏形式，即倾覆失稳和支座失效。针对这两种破坏形式，提出了相应的解决办法，明确了两种加固措施。以某国道独柱匝道桥为背景，进行空间有限元分析，计算不同工况下的抗倾覆安全系数和支座反力，及加固后的抗倾覆安全系数和支座反力分布状态。经验证分析得，钢盖梁加固措施受力明确、施工简易，快速，可用于快速加固独柱墩匝道桥。

独柱墩匝道桥；超载；倾覆失稳；支座失效；加固；安全系数

0　引言

独柱墩支撑的匝道桥，相比双柱支撑的桥梁，其稳定性暴露出较大的不足。尤其是独柱墩上采用单支座，在汽车超偏载作用下，坍塌破坏的概率较高。近年来，国内该类桥梁事故频发，车毁人亡，造成了严重的经济损失和社会影响。

本文对近年来发生的独柱墩匝道桥事故进行统计，研究其破坏特点，总结破坏形式，得倾覆失稳和支座失效是最常见的两种破坏状态。以某匝道桥为工程背景进行空间有限元建模，根据规范验算其抗倾覆能力以及支座失效对结构受力影响分析。根据现有的施工条件及交通需求，提出了安全、快速、简易的加固措施，避免此类桥梁坍塌事故的发生。

1　独柱墩匝道桥

1.1受力特点

（1）弯扭耦合

对匝道桥而言，由于平面内曲率半径的影响，主梁同时受弯矩和扭矩的影响。对于不设抗扭支撑的弯桥，扭矩作用会逐跨累积传递到两端墩台的支座上，若支座抗扭不足，则很可能造成支座脱空，梁体外移、严重的导致桥梁上部结构整体失稳或倾覆破坏。

（2）支反力不对称

恒载作用下,支反力呈外大内小分布,当活载在曲线外侧偏置时,内侧支反力有时会减小,甚至会产生支座负反力。如果支座不能承受拉力,就会出现梁体与支座的脱离,即“支座脱空”现象。

1.2支座布置

独柱墩匝道桥在力学行为上属于曲线梁桥，因此其支座布置形式基本与曲线梁相同，即在一联的两端设置抗扭或抗弯扭的支座，中间支座采用点铰支撑，或者点铰支撑与抗扭支撑的混合模式，其大体布置形式见图1。

图1　匝道桥支座布置形式

2　坍塌机理分析

2.1坍塌事故

近年来事故统计及实例见表1和图2。

表1　近年来事故统计

图2　事故实例

近年来发生的独柱墩匝道桥事故进行统计分析表明，得两种破坏机理，即倾覆失稳和支座失效。

2.2倾覆失稳

倾覆,是结构体系倾覆力矩大于抗倾覆力矩导致的失稳状态[5]，其破坏实质是桥梁结构体系的广义重心（将作用于物体的外力作为物体重力的一部分与物体本身所有各组成质点的重力的合力形成的重心）在活载的作用下由支座之间转移到了支座之外，见图3。

图3　倾覆失稳破坏示意图

对独柱墩匝道桥而言，国内目前重载车辆普遍存在超载现象，个别严重的超载车辆超载量达到了300%。在这种偏心超载作用下，桥梁上部结构梁体的质心由两支座之间向支座一侧移动，当车辆超载到一定程度，质心转移到支座外侧，导致梁体整体倾覆。

《公路桥涵设计通用规范》[1]和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[2]中均只有禁止支座脱空的描述。现有公路规范,对桥梁抗倾覆稳定性的计算要求与安全余地等未作明确规定。

《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》讨论稿[3]规定采用整体式断面的中小跨径梁桥应进行上部结构抗倾覆验算。上部结构的抗倾覆稳定系数应满足式（1）：

式中：γqf抗倾覆稳定系数;Sbk是上部结构倾覆的汽车荷载(含冲击作用)标准值效应;Ssk是上部结构稳定的作用效应标准组合。

2.3支座失效

独柱墩匝道桥总是处于弯扭耦合的受力状态下，但独柱墩单点支撑方式不能有效的抵抗上部结构的扭矩，因而只能由两端设置的双支座来支撑，在这种情况下，连续梁桥的受扭跨度大大增长，严重的直接等于匝道桥主梁的全长而不是单孔长度，导致连续梁的两端支承处产生过大的扭矩。若两端支座不抗扭或抗扭不足，将会导致支座脱空。

考虑到支座是具有一定尺寸的传力构件，一侧脱空后，主梁广义质心落在了倾覆轴线以外，支座外外缘以内，原来的双支座支撑变成了单支座支撑，见图4。

图4　支座脱空示意图

当某一支座脱空时，其同排相邻的支座反力迅速增大，若支座承压不足，则加速支座破坏；若支座转角骤然增大，在支座表面产生一个滑动面，梁体下滑，主梁坍塌，见图5。

图5　支座失效示意图

2.4实例分析

图6是粤赣高速匝道桥垮塌事故地点，可以看到该匝道桥是下行方向，由主干道分流开往河源方向。垮塌的长度为75 m（3×25 m）的连续预应力混凝土箱梁结构，即一联三跨整体垮塌。

图6　粤赣高速匝道桥事故分析

从图6中可以看到：

（1）2号花瓶墩依然完好，落梁受重力影响整体向左倾斜，在落下的时候擦到了2号墩，因此落梁边角破损严重，2号墩侧也有擦痕。

（2）3号墩已经完全倾斜，一部分被压在桥面下，一大部分露出。

（3）4号墩位置桥面有明显的横向裂缝，路面发生了褶皱，有一个轻微的V形下挠。从图片中看不到4号墩的破坏情况，由于4号墩由于比3号墩高度小，可以判断，4号墩也发生了倾斜但被压在了桥面之下。

（4）1号桥台应该还是整体比较完整，落梁受重力的影响微微向右有倾斜。

事故发生是由于4辆约400 t重载车辆超载，导致主梁广义质心移动到支座之外，匝道倾覆失稳，车辆翻落，主梁在偏转的同时推倒了桥墩，因此，桥墩被压在桥面之下。

3　加固措施研究

由以上分析得，倾覆失稳和支座失效导致的独柱墩匝道桥坍塌都是因为超偏载作用下主梁的广义质心由支座之间转移到了支座中心线以外，导致了一侧支座出现负反力、支座脱空，主梁倾覆失稳或支座失效破坏。因此，增设支座或调整原有支座间距、避免出现负反力是解决匝道桥事故的根本途径。目前，增设钢盖梁和钢管柱法是最常见的两种加固措施[6]。

3.1钢盖梁加固

当原独柱墩长细比较小，承载能力较大时，可以采用增设钢管柱加固法，增设钢盖梁加固法是采用自重较轻的钢结构，通过高强螺栓将钢盖梁结构与独柱墩联系在一起，见图7。

图7　钢盖梁加固措施

增设钢盖梁加固的特点主要体现在：

（1）增设钢盖梁结构相对于预应力混凝土盖梁加固，其自重轻，对原独柱墩结构及基础增加的额外恒载较小；

（2）增设盖梁加固施工简易、周期短，对桥下及桥面交通影响较小；

（3）钢结构要比混凝土构件的整体刚度小很多，这对新添加的支座受力影响较大。

3.2增设钢管柱

当原独柱墩长细比较大，承载能力较低时，可以采用增设钢管柱加固法，见图8。这种加固方式主要是利用原有墩柱下部的承台，在原有立柱的两侧横向各增设一根钢管混凝土立柱，并在新增钢管混凝土立柱顶部增设盆式橡胶支座，然后把原独柱墩单支座拆除，最终形成横向双柱式桥墩支承来提高桥梁结构的承载能力和横向抗倾覆稳定性。