獨(dú)柱墩橋梁傾覆倒塌事故分析

獨(dú)柱墩橋梁傾覆倒塌事故分析

0采用更自由的彎梁橋結(jié)構(gòu),增加了下關(guān)注的一波目前，我國(guó)許多高速公路蜿蜒橋和城市交叉口的曲線(xiàn)半徑較小，傳統(tǒng)預(yù)制結(jié)構(gòu)橋的適應(yīng)性較差。因此，有許多類(lèi)似曲線(xiàn)橋采用預(yù)制混凝土或一般鋼筋混凝土的現(xiàn)狀連續(xù)箱。為了改善下部結(jié)構(gòu)的滲透性，減少“柱林”的視覺(jué)效果，我們希望橋下的視野更開(kāi)闊，橋梁的類(lèi)型更漂亮。為了減少底部橋墩的占用土地，在施工過(guò)程中經(jīng)常采用獨(dú)立橋墩結(jié)構(gòu)。由于公路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車(chē)輛超載情況較為普遍以及設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)彎梁橋結(jié)構(gòu)特性研究不透,在車(chē)輛超載和偏載等不利工況下,使得該種結(jié)構(gòu)形式的橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生支座脫空、主梁滑移等病害情況,甚至引發(fā)橋梁傾覆失穩(wěn)的安全事故。2011年2月21日凌晨,浙江省上虞市境內(nèi)的春暉立交橋的獨(dú)柱墩引橋發(fā)生坍塌,坍塌總長(zhǎng)度120米,最高落差7米,事故造成橋上4輛貨車(chē)側(cè)翻,3人輕微傷,見(jiàn)圖1。1發(fā)生獨(dú)柱墩傾覆的主要原因獨(dú)柱墩橋梁病害主要表現(xiàn)為:(1)支座脫空或剪切破壞;(2)主梁徑向位移引起的伸縮縫破壞;(3)主梁的外側(cè)滑移和側(cè)傾。縱觀(guān)國(guó)內(nèi)這些年獨(dú)柱墩橋梁發(fā)生的傾覆倒塌事故,我們不難發(fā)現(xiàn),這些事故橋梁都有如下兩個(gè)相似之處:事故橋梁的平面線(xiàn)型都比較平直,位于直線(xiàn)段、緩和曲線(xiàn)或大半徑的圓曲線(xiàn)上;事故橋梁的中間墩都發(fā)生了不同程度的破壞。根據(jù)獨(dú)柱墩橋梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)事故實(shí)地照片及破壞型式分析,發(fā)生獨(dú)柱墩傾覆倒塌的主要原因如下:(1)對(duì)于多跨獨(dú)柱墩現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,中支點(diǎn)為單支座的多個(gè)獨(dú)柱墩,箱梁端部為雙支座,在車(chē)輛超載和偏載的共同作用下,主梁產(chǎn)生很大的橫向扭矩,由于獨(dú)柱墩自身抗扭極弱,隨著主梁扭矩的進(jìn)一步加大,獨(dú)柱墩墩柱所受的橫向彎矩和水平剪力急劇增大,當(dāng)超過(guò)獨(dú)柱墩墩柱自身承載能力時(shí),產(chǎn)生破壞,導(dǎo)致主梁傾覆。(2)現(xiàn)行設(shè)計(jì)中,獨(dú)柱墩多用于匝道彎梁橋,由于彎梁橋自身“外梁加載、內(nèi)梁卸載”的特性以及在預(yù)應(yīng)力荷載和溫度荷載作用下,使得箱梁扭矩分布極為不均,往往由于伸縮縫處梁端扭矩極大造成內(nèi)外側(cè)支座反力極為不均,甚至在恒載作用下已出現(xiàn)負(fù)反力,在偏心荷載作用下,更加劇了內(nèi)側(cè)支座脫空等情況的產(chǎn)生。若內(nèi)側(cè)支座脫空,則導(dǎo)致主梁支承體系發(fā)生變化,且中支點(diǎn)為點(diǎn)鉸支承,隨著偏心荷載的進(jìn)一步增加,結(jié)構(gòu)變?yōu)閹缀慰勺凅w系,結(jié)構(gòu)自身無(wú)法達(dá)到自平衡狀態(tài),從而發(fā)生主梁傾覆。(3)對(duì)于墩梁固結(jié)的獨(dú)柱墩橋梁,通過(guò)主梁橫梁傳遞,墩柱能承受一部分主梁扭矩,對(duì)主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形有一定的約束作用,而設(shè)計(jì)時(shí)往往忽視了該部分作用,特別是墩柱較矮的獨(dú)柱墩,由于剛度較大分配到的扭矩相應(yīng)增加,在偏心荷載或車(chē)輛超載以及溫度力的共同作用下,截面配筋往往不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求,產(chǎn)生裂縫,橋梁的耐久性和安全性降低,在極端不利工況下,墩柱易產(chǎn)生塑性破壞,導(dǎo)致主梁倒塌。2單柱加固設(shè)計(jì)方案的研究2.1加固機(jī)構(gòu)措施本著安全第一,對(duì)結(jié)構(gòu)外觀(guān)改變小,影響交通時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)合理、施工簡(jiǎn)便的原則,根據(jù)前述獨(dú)柱墩發(fā)生傾覆事故的原因分析,獨(dú)柱墩加固設(shè)計(jì)方案主要設(shè)計(jì)思路為:(1)針對(duì)中支點(diǎn)獨(dú)柱墩單點(diǎn)鉸支座不能提供有效主梁抗傾覆力矩的缺陷,通過(guò)加固措施,改善主梁扭矩分布和提高主梁橫向穩(wěn)定性。(2)針對(duì)在超載和偏載工況下箱梁端部曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空的病害,通過(guò)施加主動(dòng)或被動(dòng)措施,如端橫梁接長(zhǎng)加大支座間距、在支座易脫空側(cè)設(shè)置拉桿、上部結(jié)構(gòu)單側(cè)壓重、更換或增加抗拉支座等方法,可有效解決支座脫空引起主梁支承體系發(fā)生變化的問(wèn)題。(3)針對(duì)獨(dú)柱墩彎梁橋在溫度力、偏心荷載作用下,易發(fā)生“橫向爬移”的結(jié)構(gòu)特性,通過(guò)在獨(dú)柱墩墩頂設(shè)置限位裝置,可有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn)及爬移。2.2外加固方案確定獨(dú)柱墩單點(diǎn)支承改雙(多)點(diǎn)支承加固方案主要是采用墩柱加寬或增設(shè)墩柱、蓋梁的方式進(jìn)行加固,由原先的單點(diǎn)鉸支座調(diào)整為雙(多)支座,增設(shè)的支座建議采用拉壓支座。該種加固方案施工作業(yè)面均在橋梁的下部空間,對(duì)橋面交通基本無(wú)影響;且對(duì)原橋墩外觀(guān)改造較少,美觀(guān)上基本沒(méi)有影響。針對(duì)具體的橋墩型式和實(shí)地條件,該種加固方案主要有以下幾種方式:(1)獨(dú)柱墩墩身拼寬,該種加固方式主要適用于矩形墩身、單排樁基礎(chǔ)結(jié)合承臺(tái)的下部結(jié)構(gòu)型式,通過(guò)在原有墩柱兩側(cè)植筋,使得新老砼形成整體,墩頂橫向加寬,具備增設(shè)支座的條件,如圖2(a)所示。(2)獨(dú)柱墩雙側(cè)或單側(cè)新增樁柱,該種加固方式主要適用于樁柱式墩,如圖2(b)所示,為滿(mǎn)足樁基間距要求或箱梁底寬較窄,往往該種加固方案箱梁橫梁需接長(zhǎng),橫梁接長(zhǎng)可采用箱梁梁體植筋再澆筑接長(zhǎng)段砼,但該種方式需短時(shí)封閉交通,否則由于橋面行車(chē)引起的振動(dòng)不利于新澆砼初凝,新老砼結(jié)合面易產(chǎn)生裂縫。為避免上述問(wèn)題,可采用鋼橫梁接長(zhǎng)的方式,如圖2(e)所示,該方法施工安裝方便迅速,無(wú)需封閉交通。(3)獨(dú)柱墩墩頂增設(shè)蓋梁,該種加固方式主要適用于樁柱式墩,且本身獨(dú)柱墩有足夠的剛度,能滿(mǎn)足最不利工況下墩身承載力要求,或者上部主梁橋面較窄的情況。通過(guò)在墩柱頂對(duì)穿鋼筋或在蓋梁頂設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力,澆筑新增蓋梁砼,實(shí)現(xiàn)由單支座調(diào)整為雙(多)支座,如圖2(c)和圖2(f)所示。2.3設(shè)置成控制支架該加固方案通過(guò)在橋臺(tái)處(或者過(guò)渡墩處)上部結(jié)構(gòu)箱梁端橫梁橫橋向引出接長(zhǎng),增設(shè)拉壓支座。新增設(shè)支座通過(guò)適當(dāng)拉大間距設(shè)置,從而提高梁端梁體抗扭能力。該加固方案能有效改善活載作用下梁體受力,改善兩側(cè)支座受力狀態(tài),當(dāng)梁體扭轉(zhuǎn)或出現(xiàn)較大變位,新增設(shè)支座能發(fā)揮支撐作用,同時(shí)在接長(zhǎng)的端橫梁外側(cè)設(shè)置限位擋塊,能有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn)及向外側(cè)爬移,從而保證行車(chē)的安全,如圖3所示。2.4梁內(nèi)壓重方式比選該種加固方案通過(guò)壓重的方式消除設(shè)計(jì)工況下彎梁橋內(nèi)側(cè)可能出現(xiàn)的較小的負(fù)反力,使內(nèi)側(cè)支座在設(shè)計(jì)工況下不脫空,但不能解決嚴(yán)重超載下的橋梁穩(wěn)定問(wèn)題。壓重方式可選用在曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)護(hù)欄外包混凝土,端橫梁拼寬,也可在箱梁內(nèi)堆載壓重,見(jiàn)圖4。采用在曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)護(hù)欄外包混凝土或者端橫梁拼寬的方式,新舊混凝土粘結(jié)可采用環(huán)氧砂漿和植筋。該方案施工較簡(jiǎn)單,并且基本不會(huì)影響橋梁外觀(guān)。采用在箱梁內(nèi)堆載壓重的方式,由于已建橋梁箱內(nèi)壓重需要開(kāi)孔,且獨(dú)柱墩曲線(xiàn)梁橋一般跨徑不大、梁高不高,不方便施工,所以不建議采用。2.5臺(tái)帽過(guò)渡墩蓋梁在聯(lián)端處上下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置拉桿主要有兩種方式,即常規(guī)的被動(dòng)拉桿(如圖5(a)、(b))和主動(dòng)施加預(yù)應(yīng)力的拉桿(如圖5(c)),通過(guò)設(shè)置拉桿,在活載偏載作用下限制梁體往外扭轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)支座脫空。但不能解決梁體側(cè)向滑動(dòng)的問(wèn)題,建議結(jié)合獨(dú)柱墩頂設(shè)限位裝置的加固方案一起使用。(1)被動(dòng)拉桿:在梁體及橋臺(tái)臺(tái)帽(過(guò)渡墩蓋梁)上設(shè)置鋼構(gòu)件作為承力構(gòu)件,恒載狀況下不承受拉力,僅在活載作用下起到限制梁體往外扭轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)支座脫空的作用。該方案構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工便利,且加固施工過(guò)程中基本不影響橋梁的正常營(yíng)運(yùn)。但該方案對(duì)橋梁在溫度力、活載作用下的伸縮變形有一定的約束作用,建議在箱梁處留一定空隙可以自由滑動(dòng),以適應(yīng)橋梁在溫度變化引起的或者汽車(chē)荷載作用下的縱向變位。(2)預(yù)應(yīng)力拉桿:在梁體及橋臺(tái)臺(tái)帽(過(guò)渡墩蓋梁)上設(shè)置鋼構(gòu)件作為承力構(gòu)件,梁體承力構(gòu)件及橋梁橋臺(tái)臺(tái)帽(過(guò)渡墩蓋梁)采用預(yù)應(yīng)力鋼拉桿拉緊。鋼拉桿可采用40CrNiMoA特殊鋼材。加固可根據(jù)計(jì)算最大負(fù)反力設(shè)計(jì)拉桿預(yù)拉力,并保證由于通車(chē)后活載及溫度等效應(yīng)引起的拉力增量有較大的富余,同時(shí)也避免高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼材疲勞問(wèn)題。該方案通過(guò)主動(dòng)施加一定的拉緊力,可改善恒載及預(yù)應(yīng)力下梁體的受力狀態(tài),使得各個(gè)工況下均不會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力,能有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn),從而保證行車(chē)的安全。但采用預(yù)應(yīng)力拉桿后要確保梁體的縱向自由滑動(dòng)。施工時(shí)需臨時(shí)封閉交通在箱梁頂板開(kāi)槽口以安裝拉桿,并保證局部受壓及抗剪的安全性。2.6支護(hù)安裝時(shí)選擇拉壓合成無(wú)砂混凝土該方案采用更換拉壓支座來(lái)承受最不利工況下支座的上拔力。更換拉壓支座時(shí)需用千斤頂將支座處梁體頂高,脫出原支座,施工較為復(fù)雜,同時(shí)由于原抗壓支座安裝時(shí),植入螺栓套筒與墩臺(tái)帽之間一般僅采用普通砂漿灌漿,而抗拔支座必須采用環(huán)氧砂漿灌漿以保證粘結(jié)力,因此僅更換拉力支座、不更換支座錨桿并不能有效發(fā)揮其抗拔能力。因此對(duì)于在建或未建橋梁,在支座未安裝時(shí),可考慮直接更換拉壓支座。該加固方案適合于獨(dú)柱墩單支座改為雙(多)支座方案以及端橫梁接長(zhǎng)方案一起配合使用。2.7限位鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)在獨(dú)柱墩處設(shè)置限位裝置方案可與設(shè)置拉桿方案結(jié)合使用(見(jiàn)圖6),以有效限制梁體往外扭轉(zhuǎn)及爬移。限位裝置在箱梁底部及獨(dú)柱墩設(shè)置鋼構(gòu)件,鋼板采用錨固鋼筋與箱梁底部可靠連接,在獨(dú)柱墩上設(shè)地腳螺栓與鋼板箍固定。限位裝置中所有鋼材均應(yīng)采用鍍鋅材料,以免銹蝕。3表1:美國(guó)監(jiān)獄警察所有助于的幾種典型個(gè)體以下從施工特點(diǎn)、難易程度以及對(duì)現(xiàn)行交通的影響和使用效果等方面對(duì)各加固方案進(jìn)行綜合比選,具體如表1所示。綜合上表所述,結(jié)合目前我省已實(shí)施的獨(dú)柱墩加固方案,獨(dú)柱墩單支座改雙(多)支座以及端橫梁接長(zhǎng)增設(shè)拉壓支座方案加固效果明顯,且施工較為簡(jiǎn)單、對(duì)現(xiàn)行交通的影響較小,其他加固方案可結(jié)合橋梁實(shí)際受力及運(yùn)營(yíng)情況作為輔助加固手段配合使用。4橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和加固建議隨著近十幾年我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展,獨(dú)柱墩橋梁廣泛應(yīng)用于各類(lèi)市政和互通區(qū)匝道橋梁,由于前期設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)前汽車(chē)超載、交通流量迅猛增長(zhǎng)等客觀(guān)因素預(yù)估不足,且對(duì)該類(lèi)橋梁橫向傾覆穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)不足,使得該類(lèi)獨(dú)柱墩橋梁在超載和偏載等最不利工況下存在橫向傾覆失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),建議現(xiàn)階段相關(guān)職能和管理部門(mén)應(yīng)盡