陳寶春，黃冀卓，余印根

(福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108)

橋梁是跨越障礙的人工構(gòu)造物，是道路的重要組成部分。力學與計算科學、材料科學與工程、機械設(shè)備等科學與技術(shù)的進步，不斷推進了橋梁技術(shù)的發(fā)展，橋梁的類型越來越多、工程規(guī)模越來越大、跨度也在不斷地增長，投入使用的橋梁也越來越多。但在這個過程中，也伴隨著數(shù)不清的事故發(fā)生，乃至倒塌。在橋梁技術(shù)的發(fā)展過程中，人們經(jīng)受了太多的失敗，橋梁事故并不僅僅限于過去，在力學理論、解析方法相當成熟完善、建設(shè)技術(shù)水平很高的今天，橋梁事故仍時有發(fā)生。

2007年以來，世界各地都相繼發(fā)生了多起程度不一的橋梁倒塌事故。以中國為例，近5年全國各地至少有20座橋梁發(fā)生垮塌事故，事故造成了上百人傷亡和失蹤。在倒塌的橋梁中，有近6成橋梁的使用年限不到20年。

對橋梁垮塌事故進行記錄和分析，以積累教訓、警示后人、推動技術(shù)進步，這是一項非常重要的工作[1-2]。

造成橋梁垮塌的原因很多，但大致可分為兩類，即自然因素和人為因素。自然因素包括地震、火災、洪水、滑坡、冰塊等自然災害，以及長期疲勞、裂縫、材料劣化、截面損傷和其他不可預見的因素；人為因素包括施工問題(施工過程中的事故、施工質(zhì)量不足引起使用中的問題)，設(shè)計缺陷(理論認識不足、設(shè)計責任等)，超載超限，船只、火車或汽車的意外撞擊，缺乏檢查與養(yǎng)護等。

事實上，橋梁事故往往是上述幾種因素的多重作用結(jié)果。為了使內(nèi)容有所側(cè)重點，筆者僅從設(shè)計角度出發(fā)，首先分析橋梁事故中存在的設(shè)計因素，然后針對如何提高橋梁的抗倒塌能力提出若干設(shè)計建議。

1 橋梁事故設(shè)計方面的主要原因

1.1 認識不足

一代橋梁工程師創(chuàng)造和發(fā)展了一種橋梁設(shè)計建造理論，但對于一些特定的現(xiàn)象及材料性質(zhì)并沒有完全理解。當這種橋型因為某種原因倒塌時，下一代的工程師們就會引入一種新的理念，起初大家對于這種新的理念都非常謹慎，因為他們謹記著曾經(jīng)的事故，但很快，這種新的理論就被延伸到了極限，所以一切又都繼續(xù)了。

眾所周知的美國塔科馬海峽大橋倒塌事故就是一個由于當時人們認識水平不足而導致的非常經(jīng)典的災難性案例。1940年11月7日，塔科馬海峽大橋(主跨853 m)于建成后僅4個月，在19 m/s風速的作用下突然倒塌(圖1)。塔科馬海峽大橋的倒塌使人們意識到風載對橋梁的危害性，進而引起了世人對橋梁風致振動問題的研究。

圖1 塔科馬海峽大橋倒塌Fig.1 Collapse of Tacoma narrows bridge

1.2 設(shè)計責任

結(jié)構(gòu)安全涉及到生命安全和財產(chǎn)安全等重大問題，因此結(jié)構(gòu)工程師的責任不應僅局限于設(shè)計出滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)，還應能充分預估可能出現(xiàn)的風險，設(shè)計出具有足夠風險防范能力的可靠結(jié)構(gòu)。

以1983年美國康乃迪克州的Mianus River Bridge倒塌事件為例[1]。該橋倒塌部分為中部的一個懸掛跨(圖2)，在設(shè)計中懸掛跨的每一角與兩側(cè)的懸臂跨是通過上下兩個栓銷和兩片吊板進行吊掛連接，并通過緊固螺栓防止兩者發(fā)生錯動(圖3)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)事故的主要原因是：應力腐蝕引起了緊固螺栓的脆斷，再加上懸掛跨與懸臂跨之間的連接橫斷面與縱橋向成45°夾角，于是在縱橋向位移作用下導致了橫橋向節(jié)點發(fā)生水平錯動，從而使吊板從栓銷處脫落，進而懸臂跨掉落。此外，緊固螺栓蓋板的遮擋使得連接處已存在的隱患難于在歷次橋檢中被發(fā)現(xiàn)，也是導致事故的一個原因。

圖2 Mianus River Bridge 倒塌Fig.2 Collapse of Mianus River Bridge

圖3 Mianus River Bridge 連接節(jié)點Fig.3 Connection of Mianus River Bridge

Mianus River Bridge的倒塌看似是一起因鋼材應力腐蝕導致的倒塌事故，而實際上是一起負有設(shè)計責任的事故。從上述的介紹可知，該橋中部懸掛跨為一靜定結(jié)構(gòu)，而且端部連接處的每一個受力部位都僅靠一個栓銷和一個緊固螺栓連接，無多余安全措施，于是“靜定結(jié)構(gòu)”+“節(jié)點無冗余”構(gòu)成了Mianus River Bridge在設(shè)計方面的缺陷和隱患。類似的缺乏結(jié)構(gòu)冗余度的設(shè)計缺陷也可在韓國漢城圣水大橋(Sungsu Bridge)垮塌事故[1]中發(fā)現(xiàn)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計簡介

2.1 結(jié)構(gòu)魯棒性簡介

1968年英國倫敦的Ronan Point公寓塔樓發(fā)生煤氣爆炸，導致22層的塔樓局部倒塌(圖4)，造成重大人員傷亡，這一倒塌事件拉開了人們對結(jié)構(gòu)魯棒性研究的序幕。

圖4 Ronan Point公寓倒塌Fig.4 Collapse of Ronan Point apartment

魯棒性，譯自英語Rbustness，健壯和強壯的意思，原為統(tǒng)計學術(shù)語，也應用于控制理論等，用以表征控制系統(tǒng)對特性或參數(shù)攝動的不敏感性。它是在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)魯棒性也譯成結(jié)構(gòu)整體牢固性、穩(wěn)固性、強健性，主要指結(jié)構(gòu)在意外作用下結(jié)構(gòu)抵抗整體倒塌的能力。

2001年美國世貿(mào)中心雙子塔在“9.11”恐怖襲擊事件中的連續(xù)倒塌，震驚了全世界，并由此引發(fā)了世界各國對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能或結(jié)構(gòu)整體牢固性能的極度重視及研究熱潮。

此后若干年間，多個國家和研究機構(gòu)都相繼發(fā)布了各自的研究成果。如：美國公共事務管理局于2003年編制了《聯(lián)邦政府辦公樓以及大型現(xiàn)代建筑連續(xù)倒塌分析和設(shè)計指南》[3]、美國國防部于2005年編制了《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計》[4]、日本鋼鐵聯(lián)盟(JISF)和美國高層建筑和城市住宅理事會(CTBUH)經(jīng)過兩年多的研究，于2005年聯(lián)合發(fā)布了《高冗余度鋼結(jié)構(gòu)倒塌控制設(shè)計指南》[5]。此外，歐洲的Eurocode 1(2005)[6]中亦有對如何改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力作出了規(guī)定。

事實上早在1992年，英國《建筑規(guī)程》[7]就已將抗連續(xù)倒塌的要求納入了規(guī)范。國際標準ISO 2394(1998)《結(jié)構(gòu)可靠性通則》[8]將結(jié)構(gòu)整體牢固性(Structural Integrity)或結(jié)構(gòu)魯棒性(Structural Robustness)定義為：“結(jié)構(gòu)在火災、爆炸、沖擊以及各種人為錯誤或破壞等突發(fā)事件作用下，不發(fā)生與初始破壞不成比例的大范圍倒塌的能力?！庇纱丝梢?，結(jié)構(gòu)整體牢固性或魯棒性體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)對局部破壞的不敏感性。具備良好整體牢固性和魯棒性的結(jié)構(gòu)，不會由于其局部破壞而引起不成比例的大范圍連續(xù)倒塌破壞。

2.2 我國結(jié)構(gòu)魯棒性的研究

我國近30年來處于大規(guī)模的土木工程建設(shè)時期，建設(shè)了大量的房屋、橋梁等，其中不乏世界級的超高、大跨結(jié)構(gòu)。令人遺憾的是，與國外與時俱進的先進設(shè)計理念相比，我國的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范或規(guī)程均未對結(jié)構(gòu)的整體牢固性或魯棒性提出具體的設(shè)計要求。而根據(jù)已有研究成果可知，按照目前我國規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)并不一定具備良好的整體牢固性或魯棒性[9]。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計，是當今結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計理念的重大變化與世界潮流，是人們在血的教訓基礎(chǔ)上發(fā)展起來，與傳統(tǒng)安全性、適用性、耐久性同樣重要，甚至是第一重要的設(shè)計原則。它從必須保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下不能出現(xiàn)破壞的安全性原則發(fā)展為還需在偶然作用下具有足夠的整體牢固性的原則。

建筑結(jié)構(gòu)主要為豎向傳力體系，其內(nèi)部構(gòu)件之間往往具有多重相關(guān)性，因此建筑結(jié)構(gòu)一般具有多條傳力路徑和較高的體系冗余度。與建筑結(jié)構(gòu)的復雜體系相比，橋梁的結(jié)構(gòu)體系則相對簡單，其多數(shù)為單向的傳力體系，結(jié)構(gòu)冗余度低，不具備多條傳力路徑，因此橋梁的整體牢固性或魯棒性問題顯得更為突出。然而，與建筑結(jié)構(gòu)相比，我國關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性的研究則更為缺乏[10]。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計

我國目前的公路橋梁設(shè)計規(guī)范以基于承載能力極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)的極限狀態(tài)設(shè)計理論，已有較為成熟的計算理論與方法。相比于結(jié)構(gòu)的安全性以大量的計算為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)魯棒性的設(shè)計更有賴于設(shè)計工程師對魯棒性重要性的認識、對結(jié)構(gòu)體系受力概念的理解與掌握和對構(gòu)造措施的把握，在目前規(guī)范中普遍缺乏相關(guān)規(guī)定時更是如此；同時也更有賴于設(shè)計人員的社會責任感。

橋梁設(shè)計人員在進行設(shè)計時，在滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的同時，對橋梁魯棒性設(shè)計提出以下幾點建議：①分析橋梁的易損構(gòu)件與部位，這些易損構(gòu)件與部位是否有可靠的構(gòu)造措施，是否有檢查、維修、更換的措施；②確認易損構(gòu)件或部位發(fā)生局部破壞時是否會導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連續(xù)倒塌破壞，造成惡性的事故；③分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否具有冗余，是否能構(gòu)成完全封閉的傳力體系；④分析結(jié)構(gòu)約束條件的基本假定是否滿足要求，是否在意外作用下會產(chǎn)生剛體位移。

3 橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計實例分析

結(jié)合實際工程案例，從結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施兩方面初步探討橋梁魯棒性設(shè)計的方法與技術(shù)措施，希望能對廣大橋梁結(jié)構(gòu)工程師及相關(guān)專業(yè)人士有所啟迪，進而達到拋磚引玉的效果。

3.1 中、下承式拱橋懸吊橋面系的魯棒性設(shè)計

3.1.1 主要結(jié)構(gòu)形式

在中、下承式拱橋中，梁板式橋面系的布置形式有3種，即縱鋪橋面板式、橫鋪橋面板式和整體肋板式，見圖5?？v鋪橋面板式橋面系中只設(shè)置了橫梁與吊桿連接；若將橫梁改為沿橋軸方向的縱梁，則就是橫鋪橋面板式橋面系；若橋面系中既設(shè)有橫梁又設(shè)有縱梁，而且橫、縱梁之間能形成一個整體，那就是整體肋板式橋面系。

除拱梁組合體系的橋面系以縱梁為主外，我國大多數(shù)的中、下承式拱橋的懸吊橋面系采用圖5(a)中的縱鋪橋面板式的橋面系結(jié)構(gòu)。這種形式的橋面系，結(jié)構(gòu)受力明確，施工方便。

圖5 中、下承式拱橋懸吊橋面系布置形式Fig.5 Floor system arrangements of half-through and through arch bridges

3.1.2 垮塌事故與魯棒性分析

縱鋪橋面板式的橋面系類似于搭積木結(jié)構(gòu)，沒有冗余度，整體牢固性較差，抗風險能力薄弱。橫梁的外部支承僅為吊桿，而吊桿為易損性構(gòu)件，一旦吊桿斷裂，橫梁失去外部約束后，在自重和車輛等荷載的作用下產(chǎn)生剛體運動，造成橋面系落入河中，引發(fā)嚴重的車毀人亡事故。

1990年建成的四川宜賓小南門橋，主橋系中承式鋼筋混凝土肋拱橋，凈跨240 m，凈矢高48 m，矢跨比1/5。2001年11月7日，發(fā)生因部分吊桿斷裂而橫梁脫落、橋面坍塌的事故，見圖6。

類似的拱橋斷索事故還有新疆庫爾勒孔雀河大橋(2011年4月12日發(fā)生倒塌事故，如圖7)和福建武夷山公館大橋(2011年7月14日發(fā)生倒塌，如圖8)。

圖7 孔雀河大橋倒塌Fig.7 Collapse of Kongque river bridge

圖8 公館大橋倒塌Fig.8 Collapse of Gongguan bridge

對于拱橋的斷索事故，許多技術(shù)或管理人員并沒有進行深入的剖析和反思，加上缺乏結(jié)構(gòu)魯棒性的概念與知識，盲目地質(zhì)疑鋼管混凝土拱橋的可行性與安全性，武斷地將一些橋梁評為危橋，限載、限制交通、更換不必更換的吊桿，甚至炸毀整座橋梁，帶來了不必要的經(jīng)濟損失，造成了不良的社會影響。這是缺乏結(jié)構(gòu)魯棒性的概念與知識帶來的另一不良傾向。

3.1.3 魯棒性設(shè)計

與縱鋪橋面板式的橋面系不同，由于橫鋪橋面板式和整體肋板式的橋面系加強了縱橋向橋面系結(jié)構(gòu)間的相互聯(lián)系(這得益于縱梁的設(shè)置)，因此它們在突發(fā)情況下(如某吊桿斷裂)，仍能通過縱向結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布很好地實現(xiàn)縱向傳力的延續(xù)性，從而保證橋面系不掉落或延遲掉落時間(為人員及車輛的撤離提供足夠的時間)，避免傷亡事故的發(fā)生。

由此可見，為了保證中、下承式拱橋的整體牢固性或魯棒性，其橋面系應采用橫鋪橋面板式或整體肋板式，其中后者的整體牢固性最好。

鑒于此，國家標準GB 50923—2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》[11]第7.5.1條(為強制性條文)規(guī)定：中承式和下承式拱橋的懸吊橋面系應采用整體性結(jié)構(gòu)，以橫梁受力為主的懸吊橋面系必須設(shè)置加勁縱梁，并應具有一根橫梁兩端相對應的吊索失效后不落梁的能力。

3.1.4 既有橋梁的魯棒性加固設(shè)計

對于已建的采用縱鋪橋面板式橋面系的中、下承式拱橋，可通過加設(shè)加勁縱梁進行加固改造，以提高橋面系的結(jié)構(gòu)魯棒性。

福州閩清石潭溪大橋為凈跨136 m的鋼管混凝土中承式桁拱，矢跨比為1/5，橋面布置為凈-9+2×1.75 m。設(shè)計荷載為汽-20，掛-100，人群3.0 kN/m2。橋面系為縱鋪橋面板式〔圖9(a)〕，鋼筋混凝土土字型吊桿橫梁，其上架設(shè)鋼筋混凝土小T梁橋面板結(jié)構(gòu)。小T梁之間采用鉸接，與橫梁相交處采用混凝土濕接縫，并將部分主筋縱向相連，使縱橫梁連成整體。通過在橫梁之間加設(shè)鋼管桁架加勁縱梁〔圖9(b)〕，對橋道系進行了改造，提高橋面系的結(jié)構(gòu)魯棒性[12]。

圖9 石潭溪大橋加固Fig.9 Reinforcement of Shitan river bridge

廣州丫髻沙大橋主橋為76 m+360 m+76 m三跨飛鳥式鋼管混凝土拱橋。懸吊橋面系為鋼橫梁+混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)，并利用支承檢查車軌道的小型鋼梁增強橋面的整體性。然而，由于小型鋼梁的剛度小，起不了加勁作用，且經(jīng)過近10年的運營，在與鋼橫梁相接處發(fā)生聯(lián)接破壞，并擴展至鋼橫梁。2011年進行了采用大縱梁加勁的加固改造，提高了橋面系的結(jié)構(gòu)魯棒性。

3.2 橋梁拉索結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計

3.2.1 拉索安全性設(shè)計

橋梁拉索，包括拱橋的吊桿、系桿，懸索橋的吊索和斜拉橋的斜纜等，往往是橋梁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力構(gòu)件?，F(xiàn)代拉索多由高強鋼材制作，截面小、應力幅高、疲勞問題突出、耐腐蝕性能弱，因此其極易在橋梁服役期內(nèi)發(fā)生疲勞脆性斷裂。研究表明，橋梁中拉索的壽命僅為10～40 a，甚至更低[13]。拉索斷裂將導致橋梁結(jié)構(gòu)的受力與預期的設(shè)計分析結(jié)果完全不同，進而可能引發(fā)結(jié)構(gòu)受損甚至整體倒塌破壞。如3.1節(jié)中所述的中、下承式拱的懸吊橋道系，吊桿的破斷可導致局部橋面結(jié)構(gòu)的毀損和掉落；對于剛架系桿拱，系桿系的破斷將導致拱的水平推力的釋放，引發(fā)橋梁整體結(jié)構(gòu)的垮塌。U.Starossek將該倒塌現(xiàn)象稱之為解扣式倒塌(Zipper-type collapse)[14]。

拉索作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件，提高其安全性設(shè)計，以避免拉索的破壞，是橋梁索結(jié)構(gòu)提高其總體抗倒塌能力的重要措施，也是橋梁魯棒性設(shè)計的重要內(nèi)容。常見的方法有：

1)設(shè)計中對拉索取用較一般構(gòu)件更高的安全系數(shù)。它與橋梁的經(jīng)濟性有關(guān)，對于中、下承式拱的吊索或系桿索，因其在整體結(jié)構(gòu)中所占的費用不大，因此與經(jīng)濟性矛盾不大。

2)提高拉索抗腐蝕、抗疲勞的結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)造措施。此外采用碳纖維索等耐久性好的材料，也是提高拉索安全性的一個發(fā)展方向，然而目前還未進入實用階段。

3)可檢修、可更換設(shè)計。國家標準GB 50923—2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》[11]中第7.4.1條(為強制性條文)規(guī)定：鋼管混凝土拱橋的吊索與系桿索必須具有可檢查、可更換的構(gòu)造與措施。

3.2.2 拉索魯棒性設(shè)計

作為橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的拉索，若能夠為每根拉索提供安全備用索，以實現(xiàn)拉索中拉力傳遞的多路徑，從而保證結(jié)構(gòu)在局部斷索的情況下仍能具備良好的結(jié)構(gòu)整體性和傳力的延續(xù)性，不出現(xiàn)因斷索而毀橋的事故，是拉索魯棒性設(shè)計的一個措施。該方法目前在斜拉橋中已有應用的例子[15](圖10)。在中、下承式拱橋懸吊橋面系中的應用也開展了研究，但尚無實際的應用[16]。

圖10 A1型破損安全斜纜系統(tǒng)Fig.10 Failure safety cable system of type A1

當然，這種設(shè)計在提高橋梁魯棒性的同時也將導致工程成本的增加，如何考慮成本與結(jié)構(gòu)魯棒性之間的平衡是一個值得深入探討的問題。

3.2.3 拉索結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計

對于大跨度的懸索橋和斜拉橋，局部某根拉索的斷裂則有可能會誘發(fā)其他拉索的漸次斷裂，進而出現(xiàn)整座橋梁倒塌的嚴重后果。為此，在拉索結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要將斷索作為一種偶然(突發(fā))荷載工況，評估橋梁的整體傳力性能和安全性。美國PTI (2007)在《斜拉橋的設(shè)計、試驗和安裝推薦指南(第5版)》[17]中要求在任意一根拉索失效的情況下不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。我國 JTG/T D 65-01—2007《公路斜拉橋設(shè)計細則》[18]規(guī)定：“在斜拉橋結(jié)構(gòu)計算中，至少應確保一根斜拉索脫落斷索后，主梁最大應力增加不應超過相應設(shè)計應力的10%”。

對于拱橋懸吊橋面系采用整體結(jié)構(gòu)時，拉索破斷工況后，結(jié)構(gòu)受力的計算規(guī)定目前還缺乏研究。至于縱鋪橋面板無加勁縱梁的懸吊橋面系結(jié)構(gòu)，因拉索破斷將引發(fā)橋面的垮塌，如3.1節(jié)所述，結(jié)構(gòu)缺乏基本的魯棒性，不應該允許在設(shè)計中出現(xiàn)。

對于斷索工況涉及斷索位置和斷索數(shù)量的確定，美國PTI(2007)[17]在斷索工況中只考慮了任意位置處單根拉索斷裂的情況，而U.Starossek[19]則認為只考慮單根拉索斷裂是不夠的，從突發(fā)事故(如交通事故)引起的破壞影響范圍出發(fā)，建議考慮任意10 m范圍內(nèi)所有拉索斷裂的情況。

在明確斷索工況前，有必要首先弄清斷索的原因。引起橋梁拉索發(fā)生斷裂的原因不外乎兩種：一種為應力腐蝕引起；另一種為外在人為破壞(如車輛爆炸、撞擊、故意破壞等)引起。對于第1種原因(即應力腐蝕)引起的斷索，由受力和環(huán)境因素決定了其破壞往往具有對稱性，不是橫橋向并排的兩根拉索同時斷裂，就是沿縱橋向?qū)ΨQ的兩根拉索同時斷裂，這種現(xiàn)象經(jīng)常能在橋梁斷索事故中看到，應力腐蝕也是目前多數(shù)橋梁拉索斷裂的主要元兇。為此，筆者建議在涉及此類斷索分析中宜考慮至少兩根對稱拉索同時斷裂的不利工況，至于斷索位置的選擇，則建議從拉索的重要程度、易損程度及經(jīng)驗方面考慮，如中、下承式拱橋，在主橋與引橋結(jié)合點處的最短吊桿易發(fā)生斷裂。至于第2種原因(即人為破壞)引起的斷索，其分析工況則可借鑒PTI(2007)[17]或U.Starossek[19]的建議。

3.3 獨柱墩橋梁的魯棒性設(shè)計

3.3.1 垮塌事故

獨柱墩連續(xù)箱梁橋因節(jié)約城市用地、視覺通透、美觀等優(yōu)點在城市立交橋、高架橋等多跨連續(xù)梁橋中被廣泛應用。這種橋梁的上部結(jié)構(gòu)抗扭約束主要由兩端的雙支座提供。由于橋梁的支座多為受壓而不受拉的支座，所以，當結(jié)構(gòu)上雙支座中的某一支座為原點的向外扭矩大于恒載的抗傾覆扭矩時，另一側(cè)的支座將脫空，甚至出現(xiàn)梁體的向外轉(zhuǎn)體剛體運動，導致上部結(jié)構(gòu)的落梁事故發(fā)生。

對于平面彎橋，由于在恒載和汽車荷載等作用下，不僅有鉛垂向下作用力所產(chǎn)生的彎矩與剪力，而且還受到向外扭矩的作用。而在外側(cè)偏載的情況下，扭矩的作用更加明顯。因此，近年來平面彎梁橋梁的倒塌事故時有發(fā)生，造成了重大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。2012年發(fā)生側(cè)翻事故的哈爾濱陽明灘大橋引橋(圖11)是一座直橋，在社會上產(chǎn)生了極大的影響，這也值得設(shè)計者深刻反思。

圖11 陽明灘大橋引橋傾覆Fig.11 Overturning of Yangmingtan approach bridge

事后分析表明，該橋在正常的設(shè)計荷載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)不會發(fā)生傾覆破壞。事故調(diào)查認定該橋的破壞原因是車輛嚴重超載引起的。因此，從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計方面來說，該事故不是安全設(shè)計問題。

我國的現(xiàn)實情況是，車輛不但經(jīng)常超載嚴重，而且還不走“尋常路”(指車輛偏離橋中線行駛，導致橋面荷載偏心嚴重)，于是就會出現(xiàn)“設(shè)計安全的結(jié)構(gòu)+中國特色的超載=不安全”的怪象。

車輛超載是典型的中國式難題，不是一朝一夕所能解決的。因此有人提出橋梁設(shè)計應按實際超載荷載進行設(shè)計，但是多大的超載才是應該考慮的設(shè)計荷載、對既有橋梁的荷載提高而產(chǎn)生的天文數(shù)字的加固費用，對此觀點進行質(zhì)疑。這個問題不是本文討論的問題，不再展開。

3.3.2 魯棒性分析

由前面討論可知，結(jié)構(gòu)安全性與結(jié)構(gòu)的魯棒性有關(guān)，但并不等同。結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計多依重于設(shè)計的規(guī)范與標準進行，是基于設(shè)計荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性能。而結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計，是在結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性的基礎(chǔ)上，考慮超出設(shè)計荷載的意外作用下，結(jié)構(gòu)抵抗發(fā)生災難性事故的能力。

從結(jié)構(gòu)的魯棒性觀點出發(fā)，獨柱墩由于是單支座，使其不能提供抗扭能力，結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力全部依賴于兩端支座的提供。而兩端支座通常不能承受拉力，失去了支座作為抵抗剛體轉(zhuǎn)動的能力。因此，在扭矩的作用下，如果不考慮自重，并不是一個結(jié)構(gòu)而是一個機構(gòu)，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本假定條件并不成立，更談不上冗余的外部約束，也就是說結(jié)構(gòu)缺乏基本的魯棒性。

3.3.3 魯棒性設(shè)計

對于獨柱墩橋梁，結(jié)構(gòu)魯棒性的設(shè)計可考慮以下幾個措施：

1)加大兩端支座的距離，以增加自重的抗傾覆力矩并減小偏載作用下的扭轉(zhuǎn)力矩，通過增大結(jié)構(gòu)安全性，來增加結(jié)構(gòu)魯棒性的常規(guī)措施。

2)在墩頂設(shè)蓋梁以擴大平面尺寸以設(shè)置雙支座，這樣在保持橋墩墩柱獨柱優(yōu)點的同時，增加了多跨結(jié)構(gòu)的約束，對于彎橋還能明顯減小活載產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，從而提高結(jié)構(gòu)的魯棒性[20]。

3)將墩頂支座設(shè)計成固結(jié)支座，以提供抗扭約束，增大外部約束冗余作用，從而增大結(jié)構(gòu)魯棒性。

4)在兩端的墩帽上設(shè)置抗拉支座，以提供支座的抗扭力矩。

某高速公路互通B匝道橋第1聯(lián)處于R=200 m圓曲線上，為17.89 m+3×20 m+17.8 m等截面連續(xù)空心板結(jié)構(gòu)，聯(lián)端采用雙柱墩，中間采用獨柱墩(圖12)。施工時在澆筑第1聯(lián)內(nèi)側(cè)半幅橋面鋪裝層期間(兩側(cè)護欄、外側(cè)半幅橋面鋪裝層已施工完畢)，當混凝土攪拌車行駛至外側(cè)橋面某一位置時，發(fā)生聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象(約2 cm)，后隨著混凝土攪拌車退出外側(cè)橋面，內(nèi)側(cè)橋面鋪裝混凝土施工的完成，匝道內(nèi)側(cè)支座也逐漸恢復正常。在隨后進行的動載測試時，在外側(cè)4部車輛就位過程中發(fā)現(xiàn)0#墩內(nèi)側(cè)支座上翹22.5 mm的現(xiàn)象。

圖12 某橋B匝道橋第1聯(lián)Fig.12 First unit for B-ramp bridge

該橋第1聯(lián)連續(xù)出現(xiàn)的支座脫空狀況表明，其抗傾覆能力較差，應采取必要的加固措施。從結(jié)構(gòu)受力分析、施工難易程度、工期等因素綜合考慮，并經(jīng)過專家論證，推薦了以下加固處理方案：在0#墩和5 # 墩的內(nèi)、外側(cè)都增加一根Φj15.24-3無黏結(jié)預應力鋼絞線，將主梁與橋墩拉緊，在預應力鋼絞線外加套管，使主梁在縱橋向可以移動。該預應力鋼絞線上端為錨固端，下端為張拉端，張拉端距承臺頂1.5 m。經(jīng)加固處理后的第1聯(lián)在外側(cè)超載的跑車試驗下,0 # 墩內(nèi)側(cè)支座未出現(xiàn)脫空。

4 結(jié) 語

結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計是人們在吸取血的教訓基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，反映了當今結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計理念的重大變化與世界潮流，已引起世界各國的普遍重視。然而，我國在這方面的研究與實踐還不盡人意，橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計還未被大部分的工程師所認識與實踐：一方面成為我國近年來不斷發(fā)生橋梁惡性事故的一個來源；另一方面也產(chǎn)生了不是針對局部構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的魯棒性不足解決問題而帶來的不必要的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。

今天的科學技術(shù)與管理水平已完全具備了防止橋梁災難性垮塌事故發(fā)生的能力，只要認真負責，橋梁的橋梁垮塌事故是完全可以避免的。橋梁人應該具有足夠的信心， 相信一定能建好橋，建好安全的橋，建好安全經(jīng)濟、適用美觀、環(huán)保低碳的橋。

對于橋梁設(shè)計來說，結(jié)構(gòu)的魯棒性是防止惡性事故最重要的一個方面，需要加強這方面的研究與實踐。

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