独柱墩受车辆撞击应急检测与分析

许磊、李志雪、秦世旺

(1.国家铁路局安全技术中心，北京 100000；2.中国铁路南宁局集团有限公司工务部，广西 南宁 530000；3.中国铁路南宁局集团有限公司桂林工务段，广西 桂林 541000)

0 引言

独柱墩式连续梁桥具有占地面积小、整体结构美观、桥下视野广阔、能很好地适应地形限制、对桥下交通影响小以及造价低等优点，被广泛应用于立交桥和匝道桥[1]。但由于独柱墩通常只设置单支座，导致独柱墩式连续梁桥的抗倾覆能力较弱。当超载或偏载车辆行驶至该桥梁的转弯部位时，在超载力矩、桥梁自身偏心力矩及车辆离心力的共同作用下极易发生倾覆事故。立交桥或匝道桥受到车辆撞击的事故时有发生[2]，根据撞击的部位可以分为上部结构受到撞击和下部结构受到撞击两种类型。上部结构受到撞击有可能导致梁体移位、破坏甚至垮塌，下部结构受到撞击则在水平力作用下可能导致墩顶支座偏移、墩底混凝土开裂等，且墩顶支座的偏移会导致主梁等上部结构的中心线与支座的中心线偏离，在偏载的作用下发生倾覆或是损坏的可能性较大。因此，如何快速检测并在确保桥梁安全的前提下尽早恢复交通是十分必要的。

1 案例概述

某重卡自卸车因爆胎导致车辆失去控制，撞上某城市大型立交桥H 线1#墩后停止，重卡自卸车上装有碎石，现场如图1、图2 所示。受立交桥管养单位委托，对此撞击事故造成的桥梁损失进行检测及评估，确定能否开放交通。

图1 车辆撞击整体正面照

图2 车辆撞击局部侧面照

2 被撞墩柱应急检测与分析

2.1 被撞H 线1#墩概况

H 线上部结构为预应力钢筋混凝土连续箱梁，全长185.935m，分为2 联，其中F2#、F6#为抗扭墩，连接采用牛腿搭接，根据跨径大小的不同，桥梁梁高分别为1.3m、1.6m。下部结构为桩柱式结构，这次被撞的H 线1#墩桩号为K1+236.945，采用桩柱式结构，H 线1#墩柱直径130cm，墩柱长1160cm，H 线1#桩基直径150cm，桩基长18.8m，总计长30.4m。该桥设计荷载为城市-A 级，桥面净宽9.5m。H 线1#墩所在桥梁立面及横断面如图3、图4 所示，H 线平面如图5 所示。

图3 H 线1#墩所在桥梁立面图（单位：cm）

图4 H 线1#墩所在桥梁横断面图（单位：cm）

图5 H 线平面图

2.2 应急检测内容及主要结果

对因撞击受损的H 线1#墩进行全面仔细的检查，并对损伤进行量测、记录和拍照。

第一，箱梁外观检测。经对H 线上部结构箱梁进行检测，未发现撞击引起的位移及裂缝等病害，由此可见，H 线1#墩受撞击未对上部结构产生安全影响。第二，支座检测。H 线1#墩支座未发现支座损坏，未见支座相对箱梁或墩顶产生滑移及滑移痕迹（见图6）。第三，H 线1#墩柱检测。对受撞的立交桥H 线1#墩进行全面仔细的检查发现：H 线1#墩2 处混凝土破损，面积分别为0.46m×0.15m、0.19m×0.08m，刮痕最大深度为1.5cm（见图7），主要为车辆撞击剐蹭所致，未见露筋、裂缝等其他病害；墩柱表面新增红色油漆及黑色物质，面积合计0.95m2，主要为车辆剐蹭所致；墩柱倾斜度，墩柱顶部顺车撞方向偏移2mm，垂直于车撞方向偏移9mm（见图8），满足规范要求，由偏移方向及量值可判断，此次撞击未引起墩柱顶端产生偏移。第四，其他检测，车辆在失控撞击H 线1#墩柱过程中，对路缘石造成损坏，损坏的路缘石长度为3.1m。

图6 H 线1#墩柱未见支座损坏及相对位移现象

图7 H 线1#墩柱混凝土表面破损图

图8 H 线1#墩倾斜度示意图

3 桩基、墩柱有限元模拟分析

3.1 荷载取值

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）第4.3.2 条规定，汽车荷载的局部加载及在T 梁、箱梁悬臂截面上的冲击系数μ 采用0.3。对于车辆撞击的集中力考虑冲击系数的影响。根据实测，肇事车辆的车厢内碎石的堆积容重按15.54kN/m3考虑，车辆长宽高分别为7.55m、2.35m、1.5m(实际装货高度)，车重按100kN 考虑，立柱考虑墩上主梁及车道面的重量，取集中力3000kN。根据对立柱受损情况的现场调查，车辆撞击的主要作用点在车头保险杠处，距行车道大约1m。则车辆撞击力F 取值如式（1）所示。

3.2 土侧向抗压刚度

根据立交桥工程设计图纸确定，地面至地面以下13.2m 为均质土和均质黏土，设其侧向刚度系数为K1。地面以下13.2m 至桩基底部为圆砾，设其侧向刚度系数为K2。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）中的规定计算桩基的土弹簧刚度：

式（2）中：a 为各土层厚度；b1为桩的计算宽度；m 为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数；z 为各土层中点距地面的距离。根据设计图纸确定桩基所处土层后计算土侧向刚度为：K1=3.0×106kN/m，K2=5.0×106kN/m。

3.3 有限元模型

采用有限元分析软件MIDAS Civil 建立计算模型，共分为34 个节点、33 个单元，有限元模型如图9、图10 所示。计算时假定：钢筋混凝土圆形截面应变符合平截面假定；受压区混凝土应力图呈三角形分布，受拉区混凝土应力图呈梯形分布；沿圆周的单根钢筋简化为等效薄壁钢环。

图9 H 线1#墩受撞模型有限元分析模型

图10 H 线1#墩、桩有限元模型

在车撞集中力以及墩上主梁的压重组合作用下，从MIDAS 计算模型中提取控制截面的轴力与弯矩分别为3315.2kN、667.0kN·m。

混凝土应力合力对截面中心的弯矩[3]：

式（3）中：ftk为C30 混凝土轴心抗拉标准值；系数△=，α 为截面高度修正系数，α=(0.+)×2；ξ为截面相对受压系数。

等效薄壁钢环应力合力对截面中心的弯矩：

式（4）中：fsk为钢筋抗拉强度标准值；Es 为钢筋弹性模量；Ec 为C30 混凝土弹性模量。均按照规范约定进行取值。

截面达到开裂状态时的抗弯承载力及开裂弯矩：M=Mc+Ms=787.4kN·m，M＞Md=667.0kN·m。荷载作用效应弯矩小于开裂允许弯矩，故截面不会产生裂缝，经现场开挖桩基，确实未发现裂缝，因此，此次撞击不影响下部结构安全。

4 1#墩倾斜度对梁体倾覆影响分析

独柱墩曲线梁桥由于主梁的平面弯曲，在运营过程中主梁容易出现弯扭耦合效应和产生较大的扭矩。对于独柱墩连续箱梁，中墩柱多为单支座，在车辆超载和偏载的共同作用下，主梁产生很大的横向扭矩，由于独柱墩自身抗扭能力极弱，随着主梁扭矩的进一步加大，独柱墩墩柱所受的横向弯矩和水平剪力急剧增大，当超过独柱墩墩柱自身承载能力时将会导致主梁倾覆[4]。针对车辆撞击H 线1#墩柱后，墩柱顶发生倾斜导致支座中心线与主梁中心线偏离，整体上墩顶支座偏移的路径是偏向曲线外侧。文献对中墩柱单支座设置20～60cm 往曲线外侧的偏心距，结果表明桥梁的横向抗倾覆稳定系数随着独柱墩往曲线外侧设置预偏心的增大而增大[5]。文献对比分析了设置支座往曲线外预偏心50cm 和未设置预偏心两种情况下弯桥的横向倾覆稳定性情况，结果表明预偏心的设置使弯桥的整体重心向曲线内侧偏移，导致内侧支座压力增大，从而有效地平衡汽车偏载对弯桥横向倾覆的不利作用[6]。文献结果表明中墩柱单支座设置合理的偏心距可以提高桥梁的抗倾覆能力，从而有效改善联端扭矩的分布[7]。文献均表明墩顶支座在一定合理范围内往曲线外侧偏离时，对桥梁的抗倾覆能力和改善联端扭矩的分布起到一定的有利作用[8]。因此，对比本文H 线1#墩柱顶发生倾斜，在该检测结果满足规范要求的前提下，H 线1#墩柱单支座偏向曲线外侧，对主梁抗倾覆能力起到一定的有利作用，因而此次撞击不影响上部结构安全。

5 结论

第一，重卡自卸车对立交桥H 线1#墩的撞击，造成H 线1#墩表面油漆污物、混凝土破损及路缘石损坏，根据检测结果及撞击结构有限元模拟计算，此次撞击力不至于引起墩柱及桩基混凝土开裂，因此，未对H 线桥梁结构安全造成影响，但对结构耐久性、表观完整性及整洁有一定影响。第二，由于独柱墩式桥梁结构稳定性较低及水平刚度较弱，在水平外力作用下，易使上部结构梁体或墩顶与梁底产生较大的相对位移，有必要对伸缩缝位置是否移动及其状态是否正常、梁底支座与梁体及墩顶垫石是否有相对滑动进行观察，以判断碰撞过程是否导致较大位移及撞击后是否恢复变形等。第三，撞击部位是否有裂缝，可借助肉眼进行观察；埋在地下的桩基是否有裂缝，也可开挖后进行观察；但桩基反弯点较深，无法开挖观测，故可采用本文推荐的方法进行计算分析，以判断地面以下墩柱及墩身是否会因撞击产生裂缝。第四，H 线1#墩柱顶发生倾斜导致支座中心线与主梁中心线偏离，在该检测结果满足规范要求的前提下，H 线1#墩柱支座偏向曲线外侧，对主梁抗倾覆能力起到一定的有利作用，因而此次撞击不影响上部结构安全。