独柱墩桥梁倾覆原因与加固设计

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:在现代桥梁建设中,独柱墩桥梁不仅可以提高低空间布局和视野,而且能够对桥梁外观起到美化的作用,曾被广泛运用于高速公路互通匝道桥以及城市立交桥等项目中,其(对应的上部)通常为连续箱梁的结构。独柱墩桥梁在偏载情况下,易导致桥梁的抗倾覆能力下降。本文针对独柱墩桥梁倾覆原因进行分析,并对后期运营管控及加固设计提出了建议。

关键词:独柱墩桥梁;抗倾覆;安全;加固

近年来,随着交通流量不断增大,超载以及重型车辆日益增加,加之超速行驶等情况时有发生,致使独柱桥墩桥梁运营中发生梁体扭转及变形、支座受力不均及脱空等情况,危及桥梁安全。最严重的情况下,可能会发生桥梁倾覆等安全事故(如图1所示)。因此,对独柱墩桥梁倾覆原因进行分析,对其加固设计进行探究,具有现实意义。全国交通系统对国省干道上的独柱墩桥梁展开了全面的技术状况排查和验算评估工作。笔者有幸参与了广东省、四川省等多条高速公路上的独柱墩桥梁验算评估工作,本文对倾覆原因及加固设计进行阐述。

1桥梁倾覆事故原因

独柱墩桥梁在施工和运营过程中容易受到外界诸多条件影响。对近年来独柱墩桥梁倾覆和垮塌现场进行剖析,可大致还原出桥梁垮塌前的情景:多辆严重超载货车(一般为桥梁设计荷载等级的两倍以上)或重型车辆均沿独柱墩桥梁的单侧行驶,从而引起桥梁严重偏心受载,使桥梁支座出现了单边脱空,导致桥梁梁体横向侧翻。

2独柱墩倾覆的表现

独柱墩桥梁倾覆的主要表现有支座脱空、支座剪切破坏、主梁滑移或外侧倾覆等。就近年发生独柱墩倾覆或坍塌事故现场来看,桥梁倾覆事故多发生在连续独柱墩的曲线连续箱梁桥上,现场情况多为箱梁梁体横向侧翻,导致桥墩破坏或折断,但箱梁梁体几乎未损毁。

3独柱墩桥梁倾覆原因

3.1桥梁支座受力分析。桥梁支座在高负荷的情况下会发生一定程度的扭转变形,从而造成受力不均。若扭矩不断加大,则会导致支座发生不均匀变形。独柱墩桥梁梁体在荷载作用下,通常会产生纵向弯曲,从而对耦合作用进行扭转,致使桥梁内侧卸载,外侧部位超载,在内外支座在受力不均的情况下,易引发支座与梁体脱离的情况。

3.2倾覆轴线的确定及倾覆临界分析。独柱墩桥梁根据自身独特的现场特点,结合规范对倾覆轴线的定义,梁体的倾覆轴线一般有多条,但最不利倾覆轴线有且仅有1条。本文以广东省某高速的一联曲线独柱墩匝道桥的抗倾覆计算为例。本联独柱墩桥梁上部为(20+30+30+20)m预应力混凝土连续箱梁,下部13#、14#、16#和17#桥墩采用双柱式桥墩,15#桥墩采用独柱式(墩梁固结)桥墩。根据对倾覆轴线分析,可知本联桥梁共有4种倾覆轴线,如图2~5所示。根据计算结果显示:本联独柱墩桥梁的最不利倾覆轴线为第一种倾覆轴线,其抗倾覆安全系数为15.3,满足抗倾覆要求。独柱墩桥梁倾覆垮塌是一个阶段性且持续发生的过程,只因桥梁倾覆发生时,导致单向受压支座沿倾覆轴线脱空,造成边界条件失效,从而失去平衡的一个过程。桥梁结构倾覆前并无明显征兆,毁坏是瞬间发生的。

4独柱墩桥梁运营管理及加固设计的建议

为避免桥梁倾覆事故发生,桥梁在设计阶段应加强其抗倾覆能力进行验算。对于已通车运营的独柱墩桥梁,应尽快开展对独柱墩桥梁的专项验算评估工作,根据验算评估报告结论,对于存在安全隐患或不满足抗倾覆验算的桥梁,须及时进行加固设计和加固施工;对满足抗倾覆验算的桥梁,还应在后期运营过程中加强监督和管理。2012年全国各大设计院均参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2012)〔征求意见稿〕对既有独柱墩桥梁的抗倾覆、支座及桥墩支承安全等技术指标进行尝试性的验算评估。目前《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362—2018)版规范已对桥梁抗倾覆计算提出了明确、系统的计算方法。

1)运营管理方面。国家对独柱墩桥梁倾覆事故调查结果显示,除桥梁结构本身在设计方面存在缺陷外,更为重要的原因是在运营过程中,桥梁权属单位对严重超载车辆缺乏管制,交通标识设置存在缺陷等诸多原因,从而致使桥梁倾覆,引发事故。因此,独柱墩桥梁除了设计因素外,更为重要的是加强运营方面的管理。独柱墩桥梁权属单位应加强管理,有效控制超载,对独柱墩桥梁进行限载通行,可采取应急措施,设置限高架,禁止重车(超载车辆)上桥(限高架设置如图6所示)等;同时在独柱墩桥梁外侧护栏设立交通标识,禁止重车靠边行驶或停放;定期对高速公路进行巡查,特别是针对独柱墩桥梁的例行检查。

2)独柱墩桥梁加固设计建议。独柱墩桥梁加固设计应结合本桥特点,根据桥梁的验算评估结论,本着安全第一的原则,以经济合理、缩短交通影响时长以及施工便捷为目的,对桥梁外观及结构进行加固设计。因每座独柱墩桥梁的地形地貌、地质情况及施工条件方面均不相同,本文提出几个常规性独柱墩桥梁加固设计方案。

(1)因为独柱墩单点铰支座存在一定的缺陷,其不能有效地提供梁体抗倾覆力矩。目前独柱墩桥梁加固设计中常用的方法是在独柱墩位置增设桥墩或者独柱墩墩顶增设盖梁,实现独柱墩从单支座到多支座的有效转变,改善梁体扭矩分布,提高梁体横向稳定性,大大提高梁体的抗倾覆能力。

(2)独柱墩曲线桥梁在偏心荷载及温度作用下,结构上易发生横向爬移或者向外扭转。目前独柱墩桥梁加固设计中常用的方法是在独柱墩墩顶(倾覆轴线内侧)增设纵横限位及抗拔装置,通过增设的纵横限位及抗拔装置与桥墩进行整体连接,减缓梁体外侧爬移或者向外扭转,起到保障梁体安全的作用。若梁体发生倾覆时,该装置也能够起到一定的抗拉拔作用,避免梁体发生倾覆。

(3)引起桥梁倾覆的根本原因是结构受力体系发生改变,其最开始表现出来的现象为梁端侧支座出现脱空。因此,独柱墩桥梁加固设计的关键在于防止支座脱空情况的发生。近年来,一种新型的球型抗拉支座已大量运用在工程实践中,且效果较好。现针对在梁体支座脱空情况,对其进行加固设计,将原有支座更换为球型抗拉支座,就能有效解决支座脱空问题,从而避免梁体支承体系发生变化。

5结束语

本文从独柱墩桥倾覆的表现及垮塌现场进行分析,有针对性地提出独柱墩桥梁运营管理及加固设计的建议。对于已通车运营的独柱墩桥梁,应尽快开展对独柱墩桥梁的专项验算评估工作;根据验算评估报告结论,对于存在安全隐患或不满足抗倾覆验算的桥梁,须及时进行加固设计和加固施工;对满足抗倾覆验算的桥梁,应在后期运营过程中加强监督和管理;针对正在设计的桥梁,慎用独柱墩,确实条件受限,不得不采用独柱墩时,应加强桥梁的抗倾覆验算,确保桥梁的抗倾覆满足规范要求。

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