城市钢桥撞损抢险分析与实践

蔡宪棠

（广州市市政工程设计研究总院，广东 广州510060）

城市钢桥撞损抢险分析与实践

蔡宪棠

（广州市市政工程设计研究总院，广东 广州510060）

对于城市桥梁来说，车辆撞击是一个高概率事件，不仅对桥梁本身安全造成重大威胁，甚至可能影响到桥下的通行安全。目前，国内外学者对桥梁撞击模拟、防撞设计进行了较为全面的研究，但对于重大撞击事故的技术处理却鲜见报道。现结合某城市钢箱梁人行天桥撞损事故，从事故应急处理措施、结构受损模拟分析、永久修复设计等几个方面作一详尽的介绍，以期对城市钢桥抢险设计提供参考。

钢桥；撞损；抢险；加固

0　引言

随着城市交通的快速发展，大量立交、天桥应运而生，但伴之而来的是桥梁撞击事故的不断发生，严重威胁了交通运营，甚至众多生命财产的安全。据统计，北京50%的桥梁上部结构曾遭超高车辆撞击，由此损坏的桥梁占已损坏桥梁总数的20%以上[1]。即使在发达国家，桥梁撞击事故发生的概率也相当惊人，据相关研究资料显示，在美国，约61%的立交桥主梁结构曾受到过超高车辆撞击[2]。

目前，国内外学者对桥梁撞击损伤分析及仿真模拟、防撞设计等方面进行了较为全面的研究[3]～[7]，但对于重大撞击事故的技术处理却鲜见报道。

由于撞击机理的复杂性、管理机制不健全等多方面的因素，现阶段桥梁遭受撞击并受损，仍属于高概率事件。

桥梁遭受撞击可能造成严重的事故，使桥梁结构损伤破坏、承载力下降，若处置不当、不及时，甚至引发二次事故。因此，积累桥梁遇到撞击事故后的受损类型和处理经验，进而总结不同情况下事故技术处理的适用方案，对于提高社会应急能力、最大程度地保障众多生命财产安全具有较大的社会效益和经济效益。

1　工程简介及险情介绍

本文结合某城市钢箱梁人行天桥撞损事故，对相关技术问题与处理措施进行分析。

该人行天桥位于城市交通繁忙的干道路口，是配合道路改造解决两条干道之间的汽车与行人、自行车的直道干扰，以保证交通顺畅、增加汽车流量，使该路段的紧张交通得到一定程度的缓解；同时确保行人与自行车的安全。该工程建成于1993年。

主梁为封闭式的环形钢梁，半径为26 m（见图1），桥面宽5 m（含栏杆），单箱双室截面，箱梁高1.0 m，底板宽2.84 m；下部为D1.2 m圆柱墩，墩梁固结。

图1　天桥平面示意图

楼梯为普通钢筋混凝土结构，桥面宽3.2m（含栏杆），下部为D0.8 m的圆柱墩。

设计人群荷载：3.5 kPa，钢结构采用A3钢材。

由于一辆超高重型车辆撞击人行天桥主桥钢箱梁底部，结构整体及局部均受到较严重的破坏。接到险情后，立即组织检测单位对该桥进行应急检测。根据检测报告，撞击造成的主要破损为钢箱梁底板及腹板局部缺损、变形，如图2、图3所示，局部缺损处呈两个半椭圆形状的孔洞，左边半椭圆高约0.25 m、宽约0.6 m，右半椭圆高约0.2 m、宽约0.4 m，沿底板方向宽约1.3 m。由于梁体破坏位置在结构跨中处，正弯矩最大，而梁底板、腹板的破坏极大地降低了跨中截面的刚度，使局部截面应力增大，若不进行处理，在不利工况下可能引起更进一步的破坏甚至断裂事故。

图2　钢箱梁破损实景（一）

图3　钢箱梁破损实景（二）

同时，还发现较严重的病害有：3#墩、4#墩伸缩缝附近桥面铺装开裂、拱起，伸缩缝及两侧混凝土有一定破损；4#梯道与主梁接缝处梁体破损露筋，并伴有局部裂缝。初步判断为3#～4#墩跨梁体被车辆撞击所致。

由于该桥主桥钢箱梁结构被车辆撞击，梁体缺损非常严重，存在重大的安全隐患，根据规范相关条款规定，对该桥直接被评定为E级（危险）。

2　抢险方案设计

该项抢险的原则为：（1）在因地制宜的前提下，采取合理的措施，安全快速消除危险；（2）抢险工程在进行期间尽量减小对桥下行车、桥上行人交通的影响；（3）充分考虑施工期间的施工人员及桥下行车安全。

该项抢险的目的：（1）减小破损位置主梁内力，保证修复前桥梁的整体结构安全；（2）对主梁破损部位进行局部修复，保证主梁修复后的正常运营。

根据该项抢险的原则及目的，抢险措施分两个阶段。

第一阶段，排除险情，减小荷载：

（1）对3#、4#墩跨主桥和两墩之间的5#梯道进行隔离，禁止通行，以减小受损跨梁体活荷载，而对于影响较小的1#、2#梯道保持通行，以尽量减小对桥上交通的影响。

（2）通过设置临时墩，减小荷载。若对主梁梁体设置临时墩，可减小跨径，但需在桥下车道上设置，对桥下交通影响较大，且对主桥进行顶升容易对受损部位梁体产生过大的扰动。由于梯道牛腿设置于该跨1/4跨径处，通过顶升3#、4#墩之间的梯道，也可卸载梯道对该段主梁结构的竖向局部作用，减小跨中弯矩。

（3）主梁两侧花槽搁置于箱梁翼板上，通过卸载3#、4#墩跨主桥和两墩之间的5#梯道花槽，以减小自重。

第二阶段，永久修复：

对破坏的主梁部位进行修割、平整，对主梁进行修复设计。最后拆除临时墩，恢复绿化，并对全桥其他病害进行处理。

3　桥梁应急处理有限元分析

在该项抢险应急处理中，采用了多种方法降低桥梁荷载，以保证主梁修复前结构的安全。

基于MIDAS CIVIL软件，采用空间梁单元模拟并评估桥梁结构受损状态及处理效果[8]。图4为其有限元模型。

图4　有限元模型

边界条件为：主梁在墩顶处与桥墩刚性连接（耦合6方向约束），桩基础考虑为承台底三倍桩径处固结。考虑的荷载包括：主梁自重、二期恒载（花槽、栏杆、桥面铺装、横隔板等）、梯道作用力、人群荷截、支座沉降、温度荷载等。

由于箱梁底板、腹板在局部区域完全破坏，在箱梁破坏模拟阶段，该区域梁段不考虑相应底板及腹板的作用，该区段截面特性存在突变。

在标准组合包络作用下，原设计状态箱梁跨中截面最大组合应力为52.6 MPa，墩顶箱梁截面最大组合应力为135 MPa。箱梁截面最大剪应力为11.3 MPa。均满足规范要求。

进行跨中局部破坏状态验算，跨中箱梁截面最大组合应力为90.7 MPa，墩顶箱梁截面最大组合应力为136 MPa。箱梁截面最大剪应力为11.3 MPa。可以看出，在该工况下，应力满足规范要求，但跨中应力较原桥状态急剧增大，为策安全，防止破坏进一步扩大，应对该跨主梁进行应急处理。

在应急处理状态下（对天桥进行限载、卸载花盆、顶升5#梯道处理）进行验算，跨中箱梁截面最大组合应力为45.6 MPa，墩顶箱梁截面最大组合应力为97.3 MPaa。箱梁截面最大剪应力为9.2 MPa。均满足规范要求，且跨中应力有较大改善，回复到与原桥设计值同一水平。

计算结果表明，结构跨中部分梁体破损后，对墩顶处组合应力、剪应力影响不大，但跨中组合应力急剧增大。应力指标都满足规范限值，可以不采用在跨中车道处设置临时支撑、封闭桥下交通等对区域交通影响较大的方案。但考虑到跨中应力较原设计值增幅较大（增大72%），且计算很难完全模拟出桥梁的整体受损情况，为防止受损进一步扩大后对结构承载力更加不利，通过对天桥进行限载、卸载花盆、顶升5#梯道的应急处理，使天桥跨中应力水平有较大的改善。通过分析，使应急方案在尽可能小地影响道路交通的同时，保证了修复期间结构的安全。

4　永久修复设计

4.1钢箱梁梁体修复

梁体撞击受损一般分为整体破坏和局部型破坏。由于该天桥墩梁固结，且为圆盘型整体布置，横向刚度较大，因此在受到撞击后产生了较大的冲剪作用，破坏表现即为区域钢材屈服。

对钢箱梁梁体的修复一般采用焊接或螺栓连接的方式将加固材料与原截面固定。焊接连接更为美观，但该桥局部区域进行修复存在焊缝复杂且较多交错点的情况；同时底板焊缝需进行仰焊，焊缝质量较难控制；且焊接热应力也会影响构件应力，对于已严重受损且无跨中支撑的情况，风险较高。因此，对于梁体内横隔板与横隔板之间、横隔板与腹板及底板之间，采用焊接连接，而对于底板与底板、腹板与腹板之间，则采用高强螺栓夹板的方式进行修复，如图5所示。修复前应把屈曲变形的钢板进行切割修整，钢材摩擦面进行喷砂处理,。箱梁修复后效果如图6所示。

处理后，破损处原有底板的弯曲正应力，由高强螺栓与加固钢板共同承受。应进行高强螺栓抗剪承载力及受螺栓孔削弱截面后的钢板连接件承载力验算。

图5　高强螺栓连接示意图（梁体侧面）

图6　修复后箱梁外观实景

4.2梯道裂缝及伸缩缝修复

由于车辆撞击时，在主梁与梯道连接处产生了较大的瞬时内力，使伸缩缝及周边混凝土产生了一定的破坏，局部产生了一些裂缝。

对于混凝土梁体裂缝，处理方法如下：对于裂缝宽度小于0.15 mm且裂缝深度较浅的细小裂缝采用裂缝封闭胶进行涂刷表面封闭处理；对于裂缝宽度大于等于0.15 mm的，采用压力灌注法处理。

对于伸缩缝堵塞，以及两侧混凝土破坏的伸缩缝应根据伸缩缝的使用情况分两类进行处理。

若伸缩缝完好无损坏，仅两侧混凝土破坏或不平整，则无需更换伸缩缝，应小心凿除两侧混凝土，避免损坏钢构件，凿除完毕后检查锚固预埋件与钢筋；若有缺损时应补植连接钢筋或进行补焊。均匀涂抹防水材料后，再浇钢纤维混凝土并与路面抹平。

若桥梁伸缩缝破损，变形严重，功能失效，则需整体更换处理，凿除两侧槽口混凝土、钢筋等锚固件。对于锚固预埋件或钢筋有缺损时应补植连接钢筋，伸缩缝连接筋与锚筋采用焊接连接，应保证有效搭接长度，不得采用点焊焊接。

4.3修复效果

桥梁修复完成后，应对桥梁进行荷载试验，以保证修复效果满足要求。试验结果表明：桥梁进行修复后，结构刚度、承载力均回复到破坏前的同一水平，且满足设计使用要求。桥梁卸载后的应力及变形都得到了恢复，结构处于弹性工作状态，修复完成后满足正常使用要求。

5　结论

（1）城市桥梁撞击破坏事故发生后，应第一时间组织检测单位对桥梁健康状态进行应急检测，了解破损情况、部位，并组织专家进行初步评估，必要时须封闭桥上、桥下交通，以防止二次灾害的发生。

（2）抢险设计宜分为应急处理及永久修复两个阶段进行。

（3）应急处理阶段可对桥梁破损状况进行必要的模拟计算分析，并采取有针对性的措施减小荷载、排除险情。根据计算结果，结构跨中组合应力较破损前急剧增大，但应力指标满足规范限值，可以不采用在跨中车道处设置临时支撑、封闭桥下交通的方案，减小了对区域交通的影响。

在该项目中采取对天桥进行限载、卸载花盆、顶升5#梯道处理等措施，经有限元计算和实践结果表明，应急处理措施对桥梁应力有较大的改善，保证了修复期间结构的安全。

（4）对钢箱梁梁体局部破坏的修复可采用焊接或螺栓连接的方式将加固材料与原截面固定。该项目根据各部位受力特点及修补线交错情况，对于梁体内横隔板与横隔板之间、横隔板与腹板及底板之间，采用焊接连接；而对于底板与底板、腹板与腹板之间主要受力构件，则采用高强螺栓夹板的方式进行修复。修复后梁体受力状况良好。

（5）对于混凝土梁裂缝处理，可根据裂缝宽度采用裂缝封闭胶进行涂刷表面封闭处理，或采用压力灌注法处理。

（6）桥梁永久修复作业完成后，应对桥梁进行荷载试验，评估应力、刚度等指标，以检验修复效果。

[1]王军华，叶晓彦.立交桥试用激光防撞预警系统[N].北京晚报，2007-07-31(12).

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[3]Russo F M,Wipf T,Klaiber F W.Diagnostic load tests of a prestressed concrete bridge damaged by overheight vehicle impact [J].Journal of the Transportation Research Board,2007,1696 (2000)：103-110.

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[5]杨渡军.桥梁的防撞保护系统及其设计[M].北京：人民交通出版社，1990.

[6]陆新征，张圣炎，宁静，江见鲸，任爱珠.超高车辆与立交桥梁碰撞的高精度非线性有限元仿真 [J].石家庄铁道学院学报，2007,20(1)：29-34.

[7]马祥禄.跨线桥在超高车辆撞击下的动态响应分析 [D].北京：北京工业大学，2009.

[8]E.C.汉勃利.桥梁上部构造性能[M].北京：人民交通出版社，1982.

马尾大桥最大承台完成浇筑 计划2017年底通车

马尾大桥是福州新区重点配套路桥项目，其最大主墩承台近日完成浇筑，整个工程计划2017年底全线通车。

马尾大桥及南北接线工程南岸起点为在建环岛路，北岸终点与机场二期高速相接。其中，道路全长6.38 km，南岸接线长约1.9 km，北岸接线长约2.8 km，跨江段桥长1.68 km。马尾大桥桥面宽度为42.5 m，设双向8车道。

目前，马尾大桥跨江段桩基累计完成110根，占比42%。北接线工程中，桩基完成225根，占比36%；承台完成50个，占比20%；墩身完成17个，占比7.56%。马尾大桥主跨桥洞达到240 m，创下国内同类桥梁的新纪录，可满足1 000 t级海轮通航标准。其最大主墩承台混凝土方量达到5 136 m3。该承台长40 m、宽21.4 m、高6 m，要插6 117根钢筋。

目前马尾与南台岛隔江相望，从马尾前往火车南站、三江口一带，要绕行魁浦大桥或者鼓山大桥。待马尾大桥建成后，上述两个区域就可快速连通。

U447

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1009-7716（2016）02-0107-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.028

2015-10-12

蔡宪棠(1985-)，男，福建宁德人，工学硕士，工程师，从事桥梁工程设计工作。