張建華 陳 瑤 陳露曄

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310006;2.杭州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，浙江杭州 310014)

通過仿真計(jì)算及倒塌過程推演模擬，揭示了獨(dú)柱墩橋梁傾覆倒塌破壞過程，了解橋梁結(jié)構(gòu)在超限荷載下的破壞模式和特點(diǎn)。對(duì)評(píng)價(jià)新建、已建橋梁抗傾覆穩(wěn)定性并建立相應(yīng)指標(biāo)體系，以及如何對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性不足的已建橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)等方面均有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程案例介紹

某互通立交位于兩條國(guó)道相交處，互通采用圓環(huán)形互通立交形式，中央圓環(huán)直徑150 m，環(huán)形匝道寬13 m，全橋共分8個(gè)匝道，全長(zhǎng)2 540 m?？逅鷺蛄簽镋匝道橋，位于直線段，橋跨布置為6×20 m，等截面鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，橋?qū)? m，箱梁高1.3 m，箱梁底寬4 m。聯(lián)端一側(cè)為雙柱式橋臺(tái)(0號(hào))，一側(cè)為雙柱式橋墩(6號(hào))，雙支座設(shè)置，四氟滑板橡膠支座，支座中心間距為2.8 m。中間墩(1號(hào)～5號(hào))均為獨(dú)柱墩單支座設(shè)置，板式橡膠支座。鋼筋混凝土連續(xù)箱梁采用C40混凝土，橋墩采用C30，承臺(tái)及樁基采用C25混凝土，普通鋼筋采用Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)鋼。

2 模型介紹

采用Midas/FEA實(shí)體單元建立上部箱梁和下部墩柱結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。橋墩采用橫向?yàn)殡p排樁基礎(chǔ)，具有較大的剛度，故結(jié)構(gòu)模型邊界條件采用墩底固結(jié)?；炷料淞壕哂凶銐虻膭偠群蛷?qiáng)度，板式橡膠支座抗滑移能力也遠(yuǎn)大于四氟滑板橡膠支座。按最不利考慮，伸縮縫處四氟滑板支座采用僅單向受壓彈性連接，不考慮其水平向摩擦約束影響;中間連續(xù)墩頂處板式橡膠支座采用具有豎向、水平向剛度的彈性連接。

3 事故發(fā)生時(shí)刻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.1 分析說明

事故橋梁在超載車輛作用下，假定梁體始終處于彈性工作狀態(tài)，還原事故發(fā)生時(shí)刻梁體各構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)，分析橋梁垮塌原因。

縱向位置采用倒塌后的車輛實(shí)際縱向位置。事故現(xiàn)場(chǎng)除運(yùn)棉籽車所運(yùn)物品有部分散落在橋面上，其他3輛重車所運(yùn)物品均散落在橋下。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車輛橫向滑移痕跡，推斷重車1，3，4事故時(shí)刻均已靠近路幅右側(cè)行駛。按照規(guī)范重車1，3，4橫橋向與護(hù)欄內(nèi)側(cè)凈距按照50 cm考慮。車輛平面布設(shè)見圖1。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

1)第五跨跨中底板下緣拉應(yīng)力已達(dá)28.1 MPa，遠(yuǎn)超40號(hào)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.15 MPa。2)0號(hào) ～6號(hào)墩處梁體轉(zhuǎn)角12.5°～12.7°，在單側(cè)偏載車輛作用下，梁體扭轉(zhuǎn)角變化范圍有限。左側(cè)支座脫空高度62 cm，最大轉(zhuǎn)角的正切值(0.225)超過了連續(xù)墩支點(diǎn)板式橡膠支座摩阻系數(shù)(0.2)。3)各支撐點(diǎn)支反力(支反力負(fù)表示受壓，0表示支座脫空)。由表1揭示:0號(hào)臺(tái)左，1號(hào)墩，6號(hào)墩左支反力為0，支座脫空。5號(hào)墩支反力相對(duì)較小，但水平力也較小。4)梁體組合彎矩圖詳見圖2。

圖1 超載車輛縱向、橫向平面布置示意圖

表1 超載車輛作用下支反力計(jì)算匯總表 kN

圖2 超載車輛作用下梁體組合彎矩（單位：kN·m）

3.3 推斷

根據(jù)超限荷載作用下梁體受力狀態(tài)還原分析可知，梁體扭轉(zhuǎn)角正切值為0.225超過板式橡膠支座摩擦系數(shù)規(guī)范值0.2以上12.5%。從圖2可知，實(shí)際破壞截面彎矩效應(yīng)超過抗彎極限承載能力已達(dá)120%(截面18∶20 000/8 923=2.24倍)?，F(xiàn)場(chǎng)照片顯示，梁體腹板側(cè)面從底板延伸至翼緣的豎向裂縫比比皆是，說明梁體在超載車輛通行過程中，承載能力不足已有體現(xiàn)。梁體第五跨為重車1、重車2停留位置，跨中有嚴(yán)重?cái)嗔?，與計(jì)算結(jié)果吻合。

4 橋梁倒塌過程推演

4.1 承載能力不足破壞和滑移傾覆先后次序的判斷

根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)車輛輪胎橫向滑移痕跡，按照側(cè)向凈距100 cm模擬以下四個(gè)工況，左側(cè)重車2始終不動(dòng)，分析各工況梁體扭轉(zhuǎn)角、梁體瞬間彎矩圖。

工況一:超車前時(shí)刻，重車4退后5 m，重車3退后11.55 m，重車1退后18.9 m。梁體彎矩圖見圖3。

圖3 工況一時(shí)刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

工況二:重車1啟動(dòng)，前行18.9 m到事故推斷位置，重車3，4不動(dòng)。梁體彎矩圖見圖4。

圖4 工況二時(shí)刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

工況三:重車3接著啟動(dòng)，前行11.55m，重車1工況二位置，重車4仍不動(dòng)。梁體彎矩圖見圖5。

圖5 工況三時(shí)刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

工況四:重車4前進(jìn)5 m，重車1，3工況三位置。梁體彎矩圖見圖6。

圖6 工況四時(shí)刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

四個(gè)工況梁體支點(diǎn)處扭轉(zhuǎn)角一覽表見表2。

由表2可知，四個(gè)工況下梁體扭轉(zhuǎn)角介于8°～8.1°，此時(shí)梁體扭轉(zhuǎn)角正切值(0.14)小于板式橡膠支座摩擦系數(shù)(0.2)，理論上梁體不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)，而四個(gè)工況下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為6.6左右，理論上梁體也不會(huì)剛體傾覆。

由圖3～圖6可知，在嚴(yán)重超載車輛作用下，三輛重車順橋向的相對(duì)位置改變，結(jié)構(gòu)的彎矩圖變化不大。上述四個(gè)工況結(jié)構(gòu)彎矩，均已經(jīng)超過了極限抗彎承載能力。由此可知，結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)破壞前，重車1，3，4為能從故障車輛側(cè)向通過，有過明顯的橫向位置移動(dòng)過程，此過程中梁體的扭轉(zhuǎn)角應(yīng)小于表2計(jì)算數(shù)值，說明結(jié)構(gòu)承載能力破壞前不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)或剛體傾覆。

表2 四個(gè)工況梁體支點(diǎn)處扭轉(zhuǎn)角一覽表

4.2 橋梁破壞過程推演

1)事故發(fā)生前，為躲避前進(jìn)方向靠路幅左側(cè)拋錨的運(yùn)棉籽車，三輛重車逐步調(diào)整方向，逐次修正方向靠右側(cè)行駛。在重車偏載作用下，前進(jìn)方向6號(hào)墩左側(cè)支座已經(jīng)脫空。2)重1，重3與重4相對(duì)位置不斷變化，重3，重4行駛過程中不斷修正車頭行駛方向，準(zhǔn)備路幅右側(cè)超越故障車輛。第五跨跨中因故障拋錨車占據(jù)一個(gè)車道，此處為受力薄弱截面，底板裂縫逐漸增大，超過規(guī)范限值，梁體部分鋼筋出現(xiàn)屈服，開裂截面抗扭能力降低，開裂位置由原本剛性連接逐漸退化為塑性鉸接。3)梁體塑性鉸出現(xiàn)后，開裂截面抗扭能力嚴(yán)重降低，在嚴(yán)重超載車輛作用下結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定能力不足。梁段1在車輛偏載作用下首先傾覆失穩(wěn)破壞，梁段2通過梁體間連接鋼筋約束梁段1向小墩號(hào)方向墜落。梁段1下落過程，連接鋼筋牽拉梁段2同樣出現(xiàn)傾覆失穩(wěn)破壞。梁體在原位剛性轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，底板與墩頂?shù)慕佑|面由面接觸轉(zhuǎn)變成線接觸，墩柱頂局部壓碎，給墩柱頂反向較大水平分力。原來小偏心受壓圓形截面墩柱，在彎剪共同作用下，立柱根部承受很大的彎矩和剪力，受拉區(qū)域(立柱右側(cè))主筋迅速屈服并斷裂，受壓區(qū)域(立柱左側(cè))混凝土受壓達(dá)到極限強(qiáng)度產(chǎn)生承載能力喪失倒塌破壞。重車因其重心較高，當(dāng)梁體扭轉(zhuǎn)角度達(dá)到足夠大時(shí)，三輛重車側(cè)翻。橋梁徹底垮塌破壞。

5 結(jié)語

按上述計(jì)算分析，得到了事故發(fā)生時(shí)刻梁體各構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)，以及針對(duì)不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的各種效應(yīng)，基本摸清了破壞模式的先后次序，推演了橋梁的倒塌過程。主要結(jié)論如下:1)通過仿真計(jì)算可以定量判斷出事故橋梁在嚴(yán)重超載車輛作用下，首先出現(xiàn)了承載能力嚴(yán)重喪失，然后橋梁整體傾覆倒塌的現(xiàn)象。在承載能力喪失之前不會(huì)出現(xiàn)橫向滑移失穩(wěn)和剛體傾覆失穩(wěn)。三輛嚴(yán)重超載重車且偏于路幅右側(cè)位置行駛，大大超過結(jié)構(gòu)自身承載能力是導(dǎo)致獨(dú)柱墩匝道橋坍塌的直接原因，運(yùn)送棉籽車拋錨是誘發(fā)原因。2)對(duì)于獨(dú)柱墩橋梁如果僅進(jìn)行平面單梁設(shè)計(jì)不足以保證結(jié)構(gòu)物安全，必須首先采用空間三維有限元分析技術(shù)進(jìn)行承載能力和正常使用分析，然后對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行必要的橫向滑移和剛體傾覆失穩(wěn)兩方面的驗(yàn)算。3)雙支座設(shè)置的橋梁不僅抗傾覆穩(wěn)定的能力較強(qiáng)而且抗彎扭承載能力也較高。4)超載車輛易引發(fā)嚴(yán)重交通事故的同時(shí)，也嚴(yán)重危害公路橋梁安全、道路使用壽命。不僅給社會(huì)造成巨大的損失，同時(shí)嚴(yán)重危害社會(huì)公共安全。希望有關(guān)各方能夠采取有效措施從源頭上治超。

［1］李盼到，張 京，王 美.獨(dú)柱支承梁式橋傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算方法研究［J］.世界橋梁，2012，40(6):52-56.

［2］李盼到，馬利君.獨(dú)柱支撐匝道橋抗傾覆驗(yàn)算汽車荷載研究［J］.橋梁建設(shè)，2012(3):14-18.

［3］GB 50153-2008，工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.