「獨柱墩設計專題」偏載作用下箱梁橋抗傾覆穩定問題的探討

10月10日傍晚發生在無錫的高架橋側翻事故，迅速成為全國焦點。如此重大的突發安全事故，也引發了社會各界對事故原因的分析探討。《橋樑》雜誌微信公眾號也隨即在第一時間採訪並報道了《無錫高架橋坍塌 禍端之源是超載還是獨柱墩？》一文，超載、獨柱墩設計在此次事故中再次成為人們關注和討論的焦點，《橋樑》雜誌曾經專門就獨柱墩設計約請了全國權威專家和設計大師做了系列專題討論。時隔經年，再次發表出來希望文中的專業性觀點能對讀者提供參考。

2012年8月24日5時許，哈爾濱市三環路高架橋洪湖路上橋匝道處鋼混疊合梁側滑，4輛貨車側翻，造成3人死亡、5人受傷。多位專家表示，此次塌橋與津晉高速公路 、浙江省上虞春暉互通立交橋的坍塌事故有相似之處。事件發生後，在人們討論橋樑質量的同時，“獨柱墩設計”這一結構也引起了人們的爭議，可謂瑕瑜互見。目前國內超載問題嚴重，雖然法制健全但執法力度不足，貨車司機安全意識薄弱且一味追求利益。這也非一朝一夕可以改變。作為橋樑工程師，只能自修內功，從設計思路等方面對其多多思考，進行改善與提高。本期橋樑會客廳旨在集思廣益，邀請多位專家對“獨柱墩設計”發表各自的見解，以降低獨柱墩的事故風險。同濟大學肖汝誠等老師和北京市政專業設計院方誌禾老師為此特撰文發表見解，其他諸位專家也從不同角度道出了自己的觀點。我們將專家們的觀點彙集於此，以期引發業內關注與討論。

自從2007年10月23日內蒙古自治區包頭市民族東路高架橋橋面發生傾斜以來，發生數起箱梁橋在多輛過載車偏載作用下倒塌的事故（表1），造成了重大的人員傷亡和經濟損失，並引發了極其惡劣的社會影響。

事故的最終原因大多歸結於車輛超載、超限所致，此類事故的接連發生也引起橋樑專業人士的討論和深思。發生上述事故的橋樑大多有以下共同點：

（1）整體式箱形梁橋；

（2）直線橋或平曲線半徑較大；

（3）過載車靠行進方向右側邊緣行駛或停留；（4）倒塌橋樑大多是長橋，採用了獨柱墩單支點設計，端橫樑處雙支座間距較小；

（5）破壞形式表現為整體傾斜倒塌。

目前國內研究和事故分析中將此類問題歸結為抗傾覆穩定問題，將破壞形式簡單地描述為繞傾覆軸旋轉倒塌，而沒有對彈性體問題簡化為剛體處理方法的適用範圍，以及破壞過程中橡膠支座的受力狀態、支座與箱梁間的相互作用進行深入研究。

現行公路橋樑設計規範中對於該問題的要求處於空白。鐵路橋樑規範中要求結構的側向傾覆穩定係數不應小於1。3。由於鐵路橋樑與公路橋樑（或城市橋樑）在車道數、行車軌跡、結構抗扭剛度、結構自重等方面存在諸多差異，因此採用鐵路規範中的條文和係數，在公路橋樑（或城市橋樑）設計中能否適用值得探討。

國內橋樑設計過程中往往重視結構縱向的強度設計，而忽視偏載作用下結構側向抗傾覆穩定問題。從最近的幾次事故中也可以看出橋樑結構強度的安全係數明顯高於側向傾覆穩定的安全係數。此外採用相同的設計活載對橋樑結構進行強度驗算和抗傾覆穩定驗算，能否保證結構安全，同樣值得探討。

國內外相應設計規範

國內外的橋樑規範中，就偏載作用下結構側向傾覆失穩問題均沒有明確的定義和要求，雖然與此類問題相關的要求均有表述，但不盡相同，如表2所示。

從表2可知，中國公路橋樑規範和鐵路橋樑規範均引入了按照剛體計算的抗傾覆穩定係數，公路橋樑規範意見稿中考慮密集55t車列的工況，將安全係數定為2。5；美國橋樑規範明確了多向活動支座的最小豎向力不應小於其承載能力的20％，這與中國鐵路橋樑規範中板式橡膠支座的要求基本相同，但前者更為全面；日本橋樑規範中在計算支座負反力時活載效應取用2倍的係數。上述規範的要求各有千秋，本文透過下面的例項進行比較。

例項分析與對比

某直線匝道橋其平面佈置和上部結構橫斷面佈置如圖1所示，端橫樑設定雙支座，中橫樑處為單支座，橋型結構為六跨等截面鋼筋混凝土連續梁橋，設計荷載等級為公路-Ｉ級。該橋在三輛重型貨車偏載作用下發生倒塌事故，經實測三輛貨車重量分別為125t、125t和110t，總重為360t。

圖1 某橋平面及上部結構橫斷面佈置示意圖（單位：m）

在公路-Ｉ級、密集55t車列和事故車列三種荷載工況作用下，該橋按照剛體進行計算的抗傾覆穩定係數結果詳見表3。從表中可知，設計活載作用下，該橋的抗傾覆穩定係數達到18以上，即使在密集55t車列或事故車列的作用下此係數也均在6以上，並且事故車列的總重量小於密集55t車列的重量（412。5t）。

採用彈性體計算模型，從端橫樑處支座反力計算結果表4中可以看出：雖然設計活載作用下，“恆載+活載”組合支座不脫空，但密集55t車列或事故車列的作用下，支座負反力達到1000kN左右。由此可見，對於連續梁橋受偏載作用下扭轉變形的影響，即使在剛體抗傾覆穩定係數達到6，也不能避免支座的脫空。

從對稱荷載作用下截面最大彎矩的計算結果（表5）可以看出，在單列密集55t車列和事故車列的作用下，截面的最大正彎矩值和最大負彎矩值均與設計活載作用下的結果相當，並且組合值均小於截面抗力。

將本例橋樑端橫樑支座間距調整為5m，此時汽車活載作用線位於兩支座間，按照剛體進行計算的抗傾覆穩定係數為+∞，偏載作用下支座反力計算結果如表6所示。可見支座活載負反力大幅減小，即使在密集55t車列作用下，該支座也不脫空。

根據上述分析結果可知：

（1）按照剛體計算的抗傾覆穩定係數將傾覆失穩破壞形式描述為剛體繞轉動軸的旋轉，忽視了實際橋樑結構為彈性體的客觀因素；梁體過大的扭轉角不僅導致一側支座脫空，而且增大了另一側支座的切向力，直至梁體滑落；因此即使設計汽車活載作用下其按照剛體計算的穩定係數大於10，也不能保證在密集55t車列作用下發生支座脫空現象，甚至在事故車列作用下發生倒塌；

（2）事故橋樑為小跨度連續梁結構，在單列密集55t車列或事故車列活載工況作用下，最大彎矩組合值也沒能超過截面的抗彎承載力；

（3）增大支座間距，可以大幅提高結構的抗傾覆穩定效能。

有待進一步研究的問題與建議

以往的箱梁橋抗傾覆穩定方面主要存在如下問題：

（1）將彈性體問題採用剛體問題的計算方法，忽略了梁體的彈性扭轉變形；

（2）偏載作用下，梁體發生扭轉變形，橡膠支座處於偏壓狀態，設計標準中沒有對梁體扭轉角進行控制；

（3）一些橋樑缺少避免橫向滑落的構造措施或該措施過於薄弱。

由此說明：傾覆失穩不是第一類穩定問題，而是第二類穩定問題。筆者認為有如下方面可進一步地深入研究：

（1）汽車活載設計標準、實際車輛荷載以及橋樑限載標準間存在諸多差異，三者間的關係也較為複雜；而橋樑結構的抗傾覆穩定問題不同於結構強度問題，有其自身的特點，因此應針對橋樑不同的限載標準制定合理的車列模型，用於抗傾覆穩定性的驗算；

（2）側向傾覆失穩屬於“脆性破壞”，其可靠指標應高於縱向強度驗算時採用的可靠指標，應根據設計荷載標準研究確定合理的橋樑結構抗傾覆穩定設計方法及其規範限值；

（3）橋樑橡膠支座採用的橡膠為超彈性體材料，研究箱梁橋傾覆過程中支座的受力效能、支座與箱梁間的反向支撐作用和切向摩擦作用，對於確定平衡點的極限狀態方程具有重要的意義。

對於現階段箱梁橋側向抗傾覆穩定的設計建議如下：

（1）在多跨一聯的直線連續梁橋中，儘量避免採用單點支撐的結構體系；

（2）抗傾覆穩定計算應採用彈性體空間計算模型，計算支座恆載反力與活載最大豎向負反力的比值作為抗傾覆穩定係數，該方法概念更加明確；

（3）在偏載作用下，應限制梁體的扭轉角不超過支座容許的最大轉動角度；

（4）橋墩支座處應採取可靠的橫向限位措施，避免梁體的傾斜滑落。

偏載作用下箱梁橋側向傾覆失穩屬於脆性破壞，是瞬間發生的，所造成的損失是慘重的。現行設計規範存在不足，在確定抗傾覆穩定係數時，應考慮結構彈性體扭轉變形的影響。確定合理的抗傾覆穩定性可靠指標，以及箱梁橋傾覆過程中支座的受力效能和支座與箱梁間的相互作用，值得深入研究。

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本文刊載 /《橋樑》雜誌 2013年 第2期 總第52期

作者 / 肖汝誠 莊冬利 張力文

作者單位 / 同濟大學、同濟大學建築設計研究院（集團）有限公司