某獨柱墩橋梁仿真計算及倒塌過程推演分析

張建華 陳 瑤 陳露曄

(1.浙江省交通規劃設計研究院，浙江杭州 310006;2.杭州市交通工程質量安全監督局，浙江杭州 310014)

通過仿真計算及倒塌過程推演模擬，揭示了獨柱墩橋梁傾覆倒塌破壞過程，了解橋梁結構在超限荷載下的破壞模式和特點。對評價新建、已建橋梁抗傾覆穩定性并建立相應指標體系，以及如何對抗傾覆穩定性不足的已建橋梁進行加固設計等方面均有十分重要的現實意義。

1 工程案例介紹

某互通立交位于兩條國道相交處，互通采用圓環形互通立交形式，中央圓環直徑150 m，環形匝道寬13 m，全橋共分8個匝道，全長2 540 m。垮塌橋梁為E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箱梁橋，橋寬8 m，箱梁高1.3 m，箱梁底寬4 m。聯端一側為雙柱式橋臺(0號)，一側為雙柱式橋墩(6號)，雙支座設置，四氟滑板橡膠支座，支座中心間距為2.8 m。中間墩(1號～5號)均為獨柱墩單支座設置，板式橡膠支座。鋼筋混凝土連續箱梁采用C40混凝土，橋墩采用C30，承臺及樁基采用C25混凝土，普通鋼筋采用Ⅰ級、Ⅱ級鋼。

2 模型介紹

采用Midas/FEA實體單元建立上部箱梁和下部墩柱結構的三維有限元模型。橋墩采用橫向為雙排樁基礎，具有較大的剛度，故結構模型邊界條件采用墩底固結。混凝土箱梁具有足夠的剛度和強度，板式橡膠支座抗滑移能力也遠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 事故發生時刻結構內力分析

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，還原事故發生時刻梁體各構件的內力狀態，分析橋梁垮塌原因。

縱向位置采用倒塌后的車輛實際縱向位置。事故現場除運棉籽車所運物品有部分散落在橋面上，其他3輛重車所運物品均散落在橋下。根據現場車輛橫向滑移痕跡，推斷重車1，3，4事故時刻均已靠近路幅右側行駛。按照規范重車1，3，4橫橋向與護欄內側凈距按照50 cm考慮。車輛平面布設見圖1。

3.2 主要計算結果

1)第五跨跨中底板下緣拉應力已達28.1 MPa，遠超40號混凝土抗拉強度設計值2.15 MPa。2)0號 ～6號墩處梁體轉角12.5°～12.7°，在單側偏載車輛作用下，梁體扭轉角變化范圍有限。左側支座脫空高度62 cm，最大轉角的正切值(0.225)超過了連續墩支點板式橡膠支座摩阻系數(0.2)。3)各支撐點支反力(支反力負表示受壓，0表示支座脫空)。由表1揭示:0號臺左，1號墩，6號墩左支反力為0，支座脫空。5號墩支反力相對較小，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

根據超限荷載作用下梁體受力狀態還原分析可知，梁體扭轉角正切值為0.225超過板式橡膠支座摩擦系數規范值0.2以上12.5%。從圖2可知，實際破壞截面彎矩效應超過抗彎極限承載能力已達120%(截面18∶20 000/8 923=2.24倍)。現場照片顯示，梁體腹板側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。梁體第五跨為重車1、重車2停留位置，跨中有嚴重斷裂，與計算結果吻合。

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

根據事故現場車輛輪胎橫向滑移痕跡，按照側向凈距100 cm模擬以下四個工況，左側重車2始終不動，分析各工況梁體扭轉角、梁體瞬間彎矩圖。

工況一:超車前時刻，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 工況一時刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

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

圖4 工況二時刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

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

圖5 工況三時刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

工況四:重車4前進5 m，重車1，3工況三位置。梁體彎矩圖見圖6。

圖6 工況四時刻梁體彎矩圖（單位：kN·m）

四個工況梁體支點處扭轉角一覽表見表2。

由表2可知，四個工況下梁體扭轉角介于8°～8.1°，此時梁體扭轉角正切值(0.14)小于板式橡膠支座摩擦系數(0.2)，理論上梁體不會出現滑動，而四個工況下的抗傾覆穩定系數為6.6左右，理論上梁體也不會剛體傾覆。

由圖3～圖6可知，在嚴重超載車輛作用下，三輛重車順橋向的相對位置改變，結構的彎矩圖變化不大。上述四個工況結構彎矩，均已經超過了極限抗彎承載能力。由此可知，結構在出現破壞前，重車1，3，4為能從故障車輛側向通過，有過明顯的橫向位置移動過程，此過程中梁體的扭轉角應小于表2計算數值，說明結構承載能力破壞前不會出現滑動或剛體傾覆。

表2 四個工況梁體支點處扭轉角一覽表

4.2 橋梁破壞過程推演

1)事故發生前，為躲避前進方向靠路幅左側拋錨的運棉籽車，三輛重車逐步調整方向，逐次修正方向靠右側行駛。在重車偏載作用下，前進方向6號墩左側支座已經脫空。2)重1，重3與重4相對位置不斷變化，重3，重4行駛過程中不斷修正車頭行駛方向，準備路幅右側超越故障車輛。第五跨跨中因故障拋錨車占據一個車道，此處為受力薄弱截面，底板裂縫逐漸增大，超過規范限值，梁體部分鋼筋出現屈服，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)梁體塑性鉸出現后，開裂截面抗扭能力嚴重降低，在嚴重超載車輛作用下結構抗傾覆穩定能力不足。梁段1在車輛偏載作用下首先傾覆失穩破壞，梁段2通過梁體間連接鋼筋約束梁段1向小墩號方向墜落。梁段1下落過程，連接鋼筋牽拉梁段2同樣出現傾覆失穩破壞。梁體在原位剛性轉動過程中，底板與墩頂的接觸面由面接觸轉變成線接觸，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，受拉區域(立柱右側)主筋迅速屈服并斷裂，受壓區域(立柱左側)混凝土受壓達到極限強度產生承載能力喪失倒塌破壞。重車因其重心較高，當梁體扭轉角度達到足夠大時，三輛重車側翻。橋梁徹底垮塌破壞。

5 結語

按上述計算分析，得到了事故發生時刻梁體各構件的內力狀態，以及針對不同工況下橋梁結構的各種效應，基本摸清了破壞模式的先后次序，推演了橋梁的倒塌過程。主要結論如下:1)通過仿真計算可以定量判斷出事故橋梁在嚴重超載車輛作用下，首先出現了承載能力嚴重喪失，然后橋梁整體傾覆倒塌的現象。在承載能力喪失之前不會出現橫向滑移失穩和剛體傾覆失穩。三輛嚴重超載重車且偏于路幅右側位置行駛，大大超過結構自身承載能力是導致獨柱墩匝道橋坍塌的直接原因，運送棉籽車拋錨是誘發原因。2)對于獨柱墩橋梁如果僅進行平面單梁設計不足以保證結構物安全，必須首先采用空間三維有限元分析技術進行承載能力和正常使用分析，然后對結構物進行必要的橫向滑移和剛體傾覆失穩兩方面的驗算。3)雙支座設置的橋梁不僅抗傾覆穩定的能力較強而且抗彎扭承載能力也較高。4)超載車輛易引發嚴重交通事故的同時，也嚴重危害公路橋梁安全、道路使用壽命。不僅給社會造成巨大的損失，同時嚴重危害社會公共安全。希望有關各方能夠采取有效措施從源頭上治超。

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

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

［3］GB 50153-2008，工程結構可靠性設計統一標準［S］.