中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
10月10日18時10分許，江蘇省無錫市312國道K135處、錫港路上跨橋發(fā)生橋面?zhèn)确鹿?。?cè)翻橋面上共有5輛車（其中3輛小車、2輛卡車），橋下共有3輛小車被壓。事故造成3人死亡，2人受傷。這種因獨柱墩發(fā)生橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆的事故，已不是第一次，2007.10.23包頭市民族東路高架橋坍塌、2009.07.15津晉高速公路匝道橋坍塌、2011.02.21上虞春暉立交橋坍塌、2012.08.24哈爾濱陽明灘大橋引橋坍塌、2015.06.19廣東河源粵贛高速匝道坍塌、2017.04.14杭州蕭山高架橋坍塌，此類事故的接連發(fā)生，給我們橋梁從業(yè)者敲響了警鐘，也讓對其原因做了討論和深思。
對于我國近年出現(xiàn)的一些因獨柱墩發(fā)生橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆的事故的原因，各種聲音均有，超載、設(shè)計、施工、管理等等，作為橋梁養(yǎng)護(hù)工作者，我們想從橋梁檢查、監(jiān)測、加固措施等技術(shù)手段，來思考如何進(jìn)行獨柱墩抗傾覆評估，降低這類事件的發(fā)生概率。
獨柱墩抗傾覆評估總體思路及工作內(nèi)容
目前國內(nèi)外的橋梁規(guī)范中，就偏載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向傾覆失穩(wěn)問題均沒有明確的定義和要求，雖然與此類問題相關(guān)的要求均有表述，但不盡相同。
中國公路橋梁規(guī)范和鐵路橋梁規(guī)范均引入了按照剛體計算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，公路橋梁規(guī)范中考慮密集55t車列的工況，將安全系數(shù)定為2.5；美國橋梁規(guī)范明確了多向活動支座的最小豎向力不應(yīng)小于其承載能力的20％，這與中國鐵路橋梁規(guī)范中板式橡膠支座的要求基本相同，但前者更為全面；日本橋梁規(guī)范中在計算支座負(fù)反力時活載效應(yīng)取用2倍的系數(shù)。本文結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)計、養(yǎng)護(hù)等相關(guān)規(guī)范及獨柱墩橋梁受力特點，提出以下工作思路及內(nèi)容。
首先通過資料搜集對獨柱墩橋梁進(jìn)行排查，對獨柱墩橋梁進(jìn)行確認(rèn)；其次對獨柱墩橋梁進(jìn)行特殊檢查及橋梁監(jiān)測，對影響橋梁抗傾覆的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行重點檢查，同時設(shè)置橋梁過橋稱重系統(tǒng)和橋梁傾覆監(jiān)測系統(tǒng)；然后結(jié)合現(xiàn)場檢查資料對獨柱墩橋梁進(jìn)行安全評估，評估的手段主要有抗傾覆驗算以及荷載試驗；最后，對通過評估的橋梁進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，對評估不通過的橋梁應(yīng)進(jìn)行加固處置，同時對加固后的橋梁進(jìn)行再次評估。
具體評估流程如下圖。
獨柱墩抗傾覆評估總體思路及工作內(nèi)容
特殊檢查
- 交 通 量 調(diào) 查 分 析 -
由于導(dǎo)致獨柱墩傾覆的原因大部分為車輛超載，那么對掌握超載車輛軸載等信息尤為重要。主要可通過對稱重系統(tǒng)、現(xiàn)場實地調(diào)查等方式獲得。主要方式有：
1.采用隨機(jī)抽樣方法調(diào)查該路段典型重載、軸載車輛的有關(guān)技術(shù)參數(shù)，如：軸數(shù)、軸矩、輪胎尺寸(接地面積)、輪壓、軸重等。
2.按不同車輛類型分類，采用人工統(tǒng)計日交通量情況，特別是重載車輛的流量。
3.采用動態(tài)稱重設(shè)備（WIM）調(diào)查雙向行車道上實際通過的軸次和軸重，特別是重載軸載。
- 防 落 梁 裝 置 現(xiàn) 狀 調(diào) 查 -
防落梁裝置可以防止在橋梁偏載時橋梁上部結(jié)構(gòu)的下落，避免偏載對橋梁結(jié)構(gòu)帶來的損害。落梁破損是獨柱墩橋梁傾覆的主要表現(xiàn)形式，所以對獨柱墩橋梁防落梁裝置的調(diào)查非常有必要。防落梁裝置的主要形式有抗拉支座、抗拉力裝置、限制主梁徑向位移裝置、橋梁擋塊等。防落梁裝置現(xiàn)狀調(diào)查的方式主要有查閱施工圖設(shè)計文件、竣工文件并結(jié)合現(xiàn)場人工檢查來進(jìn)行。
橋梁擋塊 橋梁防落梁裝置
- 橋 墩：垂 直 度 檢 查 、裂 縫 檢 查 等 -
墩身在竣工初一般垂直度均能得到保證，但當(dāng)梁體有發(fā)生傾覆或扭轉(zhuǎn)跡象時，墩身也將傾斜，尤其是在墩身剛度較小的情況下。墩柱的傾斜往往會伴隨著并發(fā)癥，例如支座偏壓及滑移、主梁滑移、墩柱根部有規(guī)律的環(huán)向裂縫等。墩身垂直度的調(diào)查，以墩頂相對與墩底的傾斜量為準(zhǔn)。偏移方向即墩頂傾斜方向，對于彎橋墩身偏向以曲線內(nèi)、外側(cè)為準(zhǔn)。對于直橋墩身偏向以左、右側(cè)為準(zhǔn)。通過全站儀測量進(jìn)行實際測量。墩身水平限值根據(jù)規(guī)范為小于（L/3000）mm且小于30mm（L即墩身高度）。
垂直度的測量方法主要有：垂線法、坐標(biāo)法、平距法、形心法等。
形心法示意圖
-支座檢查：支座數(shù)量與間距、組件與功能、脫空、滑移、轉(zhuǎn)角等檢查-
對上部結(jié)構(gòu)較輕，橋面較寬且懸臂較長的箱梁，支點處設(shè)小間距雙支座獨柱墩（花瓶墩）。連續(xù)梁在支點處橫橋向采用兩個或多個支座，這種支承方式雖可以提高主梁的抗扭性能和橫向穩(wěn)定性，但由于上部結(jié)構(gòu)自重輕，支座間距小，結(jié)構(gòu)在橋面汽車偏載作用下，支座仍然可能出現(xiàn)負(fù)反力。從交通現(xiàn)狀來看，目前國內(nèi)部分地區(qū)的重車輛普遍存在超載現(xiàn)象，個別車輛超載甚至達(dá)到200％～300％，若遇上堵車情況，大量重車停留在外側(cè)車道時，上部主梁便易發(fā)生“倒扣式”整體傾覆。
支座的偏移量檢查作為梁與墩的結(jié)合點，支座的性能對結(jié)構(gòu)受力起著重要的作用，尤其適用于獨柱墩橋梁的單支座結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場在對支座組件的缺損、銹蝕情況的調(diào)查的基礎(chǔ)上，著重觀測支座的橫橋向與縱橋向的偏移量以及轉(zhuǎn)角。檢查結(jié)構(gòu)與支座偏移、轉(zhuǎn)角設(shè)計限值作比較。支座橫、縱向偏移值以及轉(zhuǎn)角的設(shè)計值以實際采用支座型號參數(shù)為準(zhǔn)。
對多跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，中支點設(shè)多個單支座獨柱墩。由于獨柱墩中間支點抗扭能力弱，當(dāng)橋面汽車荷載按橫向最不利偏載位置布置時，主梁的扭矩和扭轉(zhuǎn)變形是不容忽視的。由于扭矩傳遞到梁端時，會造成端部各支座受力分布嚴(yán)重不均，甚至?xí)?dǎo)致支座出現(xiàn)負(fù)反力，發(fā)生支座脫空或梁體傾覆。
支座的檢查主要采用人工目測結(jié)合游標(biāo)卡尺、水平尺等工具進(jìn)行檢測。
游標(biāo)卡尺檢查支座線位移 水平尺檢查支座角位移
-梁體檢查：橫向線形、滑移、裂縫等檢查-
梁體的橫向滑移在彎橋、獨柱墩橋中表現(xiàn)的尤其明顯。梁體以一聯(lián)為整體，在偏載、離心力等作用下向一側(cè)“爬移”?？⒐こ?，梁端的左右兩側(cè)擋塊相距梁體的空隙距離無較大偏差。實際檢查中，以此偏差值作為梁體“爬移”梁的依據(jù)。梁端的偏移值，以梁端距離兩側(cè)擋塊的空隙寬度的差值為準(zhǔn)；偏移方向即梁體橫向偏移方向，對于匝道彎橋梁體偏向以曲線內(nèi)、外側(cè)為準(zhǔn)。對于直橋梁體偏向以左、右側(cè)為準(zhǔn)。
對于墩梁固結(jié)獨柱墩。采用獨柱墩與梁固結(jié)的方式，墩柱可承擔(dān)一部分主梁扭矩，對主梁的扭轉(zhuǎn)變形有一定約束。但因墩梁固結(jié)，橋墩參與上部結(jié)構(gòu)彎矩和扭矩分配，特別是在墩柱較矮的情況下，墩柱剛度較大而分配較大的內(nèi)力，其截面承載力難于滿足要求，若設(shè)計時忽略此影響，在超載車輛、結(jié)構(gòu)收縮徐變和溫度荷載作用下，結(jié)構(gòu)通常會在墩梁固結(jié)處出現(xiàn)寬度超過規(guī)范限制的裂縫，影響結(jié)構(gòu)耐久性。
大曲率、較大跨徑的曲線梁橋中，主梁組合最大扭矩值有時可達(dá)縱向最大彎矩值的50％以上，若結(jié)構(gòu)設(shè)計時未考慮此扭矩的影響，后期營運時會導(dǎo)致主梁開裂的病害，裂縫走向與通?？古ち芽p一致。
梁體的橫向線形、滑移、裂縫等檢查可采用人工目測結(jié)合水準(zhǔn)儀、游標(biāo)卡尺、鋼尺、裂縫寬度儀等進(jìn)行檢查。
梁體滑移檢查
- 橋 梁 過 橋 稱 重 系 統(tǒng) -
橋梁過橋稱重系統(tǒng)一般可采用車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)，即WIM（Weigh-In-Motion）是指在不停車情況下測量出車輛重量的過程。車輛動態(tài)稱重技術(shù)主要被用于收集交通數(shù)據(jù)、高速公路收費和提高對超限超載車輛的監(jiān)督執(zhí)法等。動態(tài)稱重系統(tǒng)是由一組傳感器和相應(yīng)的硬件測量設(shè)備組成。車輛的動態(tài)稱重就是使用這些傳感器和測量設(shè)備一起工作，根據(jù)運行中車輛的輪胎對傳感器的壓力來測量通過車輛的重量、軸數(shù)、速度等信息，并且存儲、處理和顯示這個數(shù)據(jù)的過程。動態(tài)稱重主要是通過測量運動中車輛的輪胎對地面的動態(tài)壓力來計算出車輛靜態(tài)權(quán)重的過程。車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)主要使用在高速公路的集中收費，治理超限超載和路橋保護(hù)等應(yīng)用中。
車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的組成及工作原理圖
- 橋 梁 傾 覆 監(jiān) 測 系 統(tǒng) -
利用智能傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)通過在獨立墩橋的梁底兩側(cè)安裝沉降監(jiān)控傳感器，通過兩側(cè)傳感器之間的高度差對梁體的傾斜進(jìn)行預(yù)警，對傾覆的發(fā)生進(jìn)行警示，減少因橋梁傾覆造成的人民生命財產(chǎn)的重大損失。
- 抗 傾 覆 荷 載 試 驗 -
荷載試驗是評估橋梁承載能力最直觀的方法，獨柱墩橋梁在進(jìn)行荷載試驗時除按常規(guī)荷載試驗工況進(jìn)行加載外，還應(yīng)增加偏載作用下的傾覆工況，分級測試梁體傾斜情況，評估橋梁抗傾覆能力。
- 抗 傾 覆 驗 算 -
采用空間分析模型，對主梁、蓋梁、橋墩和支座等結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗算，并對橋梁抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析，常用的方法主要有穩(wěn)定系數(shù)法、支座反力法。
獨柱墩橋梁抗傾覆評估驗算流程圖
加固措施
對抗傾覆評估不通過的獨柱墩進(jìn)行加固?？刹捎枚喾N加固方法，包括增設(shè)蓋梁法、增設(shè)墩柱法、增大墩柱截面增設(shè)支座法、增設(shè)拉力裝置法、限制主梁徑向位移法、采用抗拉支座技術(shù)、拉大支座間距等。
增設(shè)蓋梁法 增設(shè)墩柱法
增大墩柱截面增設(shè)支座法 增設(shè)拉力裝置法
其他方面
以上從安全評估及加固處治方面對既有獨柱墩橋梁傾覆危害的解決方案進(jìn)行了探討，但僅僅從后期技術(shù)角度進(jìn)行“后天補(bǔ)救”無法根治這種危害，應(yīng)還要從以下幾個方面進(jìn)行治理：
- 對 超 載 問 題 的 治 理 -
對超載車輛從生產(chǎn)源頭進(jìn)行控制其裝載能力；橋梁管理養(yǎng)護(hù)部門提出明確的限載標(biāo)準(zhǔn)；治超管理執(zhí)法部門嚴(yán)格執(zhí)法確保超限車輛的通行。同時從國家制度層面來考慮對于治超問題進(jìn)行多部門聯(lián)動，采取多種管理措施并舉實施組合拳才能有效治理超載問題。
- 注 重 橋 梁 的 科 學(xué) 管 養(yǎng) -
橋梁的安全運營需要對橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的評價，并及時根據(jù)技術(shù)狀況等級對橋梁實施科學(xué)的管理養(yǎng)護(hù)。對橋梁進(jìn)行科學(xué)的管理養(yǎng)護(hù)，需要加強(qiáng)橋梁科學(xué)化管理養(yǎng)護(hù)的制度建設(shè)、提升橋梁管理養(yǎng)護(hù)管理人員的管理水平、提升一線管理養(yǎng)護(hù)人員的技術(shù)水平。
-加強(qiáng)橋梁設(shè)計、施工以及檢測等方面技術(shù)研究-
橋梁結(jié)構(gòu)的安全涉及橋梁設(shè)計、施工、檢測等方面的技術(shù)，因此建議相關(guān)科研、從業(yè)人員根據(jù)行業(yè)的發(fā)展不斷進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，并不斷完善其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
- 加大橋梁安全運營相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)的研究 -
橋梁監(jiān)測技術(shù)也是保證橋梁安全運營的重要技術(shù)手段，同時對于橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測有正確的認(rèn)識，其不能“包治百病”，檢測和監(jiān)測都是橋梁健康狀況評價的不同技術(shù)手段，兩者應(yīng)該相輔相成，相互補(bǔ)充。
