城市鋼橋撞損搶險分析與實踐

蔡憲棠

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州510060）

城市鋼橋撞損搶險分析與實踐

蔡憲棠

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州510060）

對于城市橋梁來說，車輛撞擊是一個高概率事件，不僅對橋梁本身安全造成重大威脅，甚至可能影響到橋下的通行安全。目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁撞擊模擬、防撞設(shè)計進(jìn)行了較為全面的研究，但對于重大撞擊事故的技術(shù)處理卻鮮見報道。現(xiàn)結(jié)合某城市鋼箱梁人行天橋撞損事故，從事故應(yīng)急處理措施、結(jié)構(gòu)受損模擬分析、永久修復(fù)設(shè)計等幾個方面作一詳盡的介紹，以期對城市鋼橋搶險設(shè)計提供參考。

鋼橋；撞損；搶險；加固

0　引言

隨著城市交通的快速發(fā)展，大量立交、天橋應(yīng)運而生，但伴之而來的是橋梁撞擊事故的不斷發(fā)生，嚴(yán)重威脅了交通運營，甚至眾多生命財產(chǎn)的安全。據(jù)統(tǒng)計，北京50%的橋梁上部結(jié)構(gòu)曾遭超高車輛撞擊，由此損壞的橋梁占已損壞橋梁總數(shù)的20%以上[1]。即使在發(fā)達(dá)國家，橋梁撞擊事故發(fā)生的概率也相當(dāng)驚人，據(jù)相關(guān)研究資料顯示，在美國，約61%的立交橋主梁結(jié)構(gòu)曾受到過超高車輛撞擊[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁撞擊損傷分析及仿真模擬、防撞設(shè)計等方面進(jìn)行了較為全面的研究[3]～[7]，但對于重大撞擊事故的技術(shù)處理卻鮮見報道。

由于撞擊機理的復(fù)雜性、管理機制不健全等多方面的因素，現(xiàn)階段橋梁遭受撞擊并受損，仍屬于高概率事件。

橋梁遭受撞擊可能造成嚴(yán)重的事故，使橋梁結(jié)構(gòu)損傷破壞、承載力下降，若處置不當(dāng)、不及時，甚至引發(fā)二次事故。因此，積累橋梁遇到撞擊事故后的受損類型和處理經(jīng)驗，進(jìn)而總結(jié)不同情況下事故技術(shù)處理的適用方案，對于提高社會應(yīng)急能力、最大程度地保障眾多生命財產(chǎn)安全具有較大的社會效益和經(jīng)濟效益。

1　工程簡介及險情介紹

本文結(jié)合某城市鋼箱梁人行天橋撞損事故，對相關(guān)技術(shù)問題與處理措施進(jìn)行分析。

該人行天橋位于城市交通繁忙的干道路口，是配合道路改造解決兩條干道之間的汽車與行人、自行車的直道干擾，以保證交通順暢、增加汽車流量，使該路段的緊張交通得到一定程度的緩解；同時確保行人與自行車的安全。該工程建成于1993年。

主梁為封閉式的環(huán)形鋼梁，半徑為26 m（見圖1），橋面寬5 m（含欄桿），單箱雙室截面，箱梁高1.0 m，底板寬2.84 m；下部為D1.2 m圓柱墩，墩梁固結(jié)。

圖1　天橋平面示意圖

樓梯為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面寬3.2m（含欄桿），下部為D0.8 m的圓柱墩。

設(shè)計人群荷載：3.5 kPa，鋼結(jié)構(gòu)采用A3鋼材。

由于一輛超高重型車輛撞擊人行天橋主橋鋼箱梁底部，結(jié)構(gòu)整體及局部均受到較嚴(yán)重的破壞。接到險情后，立即組織檢測單位對該橋進(jìn)行應(yīng)急檢測。根據(jù)檢測報告，撞擊造成的主要破損為鋼箱梁底板及腹板局部缺損、變形，如圖2、圖3所示，局部缺損處呈兩個半橢圓形狀的孔洞，左邊半橢圓高約0.25 m、寬約0.6 m，右半橢圓高約0.2 m、寬約0.4 m，沿底板方向?qū)捈s1.3 m。由于梁體破壞位置在結(jié)構(gòu)跨中處，正彎矩最大，而梁底板、腹板的破壞極大地降低了跨中截面的剛度，使局部截面應(yīng)力增大，若不進(jìn)行處理，在不利工況下可能引起更進(jìn)一步的破壞甚至斷裂事故。

圖2　鋼箱梁破損實景（一）

圖3　鋼箱梁破損實景（二）

同時，還發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的病害有：3#墩、4#墩伸縮縫附近橋面鋪裝開裂、拱起，伸縮縫及兩側(cè)混凝土有一定破損；4#梯道與主梁接縫處梁體破損露筋，并伴有局部裂縫。初步判斷為3#～4#墩跨梁體被車輛撞擊所致。

由于該橋主橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)被車輛撞擊，梁體缺損非常嚴(yán)重，存在重大的安全隱患，根據(jù)規(guī)范相關(guān)條款規(guī)定，對該橋直接被評定為E級（危險）。

2　搶險方案設(shè)計

該項搶險的原則為：（1）在因地制宜的前提下，采取合理的措施，安全快速消除危險；（2）搶險工程在進(jìn)行期間盡量減小對橋下行車、橋上行人交通的影響；（3）充分考慮施工期間的施工人員及橋下行車安全。

該項搶險的目的：（1）減小破損位置主梁內(nèi)力，保證修復(fù)前橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全；（2）對主梁破損部位進(jìn)行局部修復(fù)，保證主梁修復(fù)后的正常運營。

根據(jù)該項搶險的原則及目的，搶險措施分兩個階段。

第一階段，排除險情，減小荷載：

（1）對3#、4#墩跨主橋和兩墩之間的5#梯道進(jìn)行隔離，禁止通行，以減小受損跨梁體活荷載，而對于影響較小的1#、2#梯道保持通行，以盡量減小對橋上交通的影響。

（2）通過設(shè)置臨時墩，減小荷載。若對主梁梁體設(shè)置臨時墩，可減小跨徑，但需在橋下車道上設(shè)置，對橋下交通影響較大，且對主橋進(jìn)行頂升容易對受損部位梁體產(chǎn)生過大的擾動。由于梯道牛腿設(shè)置于該跨1/4跨徑處，通過頂升3#、4#墩之間的梯道，也可卸載梯道對該段主梁結(jié)構(gòu)的豎向局部作用，減小跨中彎矩。

（3）主梁兩側(cè)花槽擱置于箱梁翼板上，通過卸載3#、4#墩跨主橋和兩墩之間的5#梯道花槽，以減小自重。

第二階段，永久修復(fù)：

對破壞的主梁部位進(jìn)行修割、平整，對主梁進(jìn)行修復(fù)設(shè)計。最后拆除臨時墩，恢復(fù)綠化，并對全橋其他病害進(jìn)行處理。

3　橋梁應(yīng)急處理有限元分析

在該項搶險應(yīng)急處理中，采用了多種方法降低橋梁荷載，以保證主梁修復(fù)前結(jié)構(gòu)的安全。

基于MIDAS CIVIL軟件，采用空間梁單元模擬并評估橋梁結(jié)構(gòu)受損狀態(tài)及處理效果[8]。圖4為其有限元模型。

圖4　有限元模型

邊界條件為：主梁在墩頂處與橋墩剛性連接（耦合6方向約束），樁基礎(chǔ)考慮為承臺底三倍樁徑處固結(jié)。考慮的荷載包括：主梁自重、二期恒載（花槽、欄桿、橋面鋪裝、橫隔板等）、梯道作用力、人群荷截、支座沉降、溫度荷載等。

由于箱梁底板、腹板在局部區(qū)域完全破壞，在箱梁破壞模擬階段，該區(qū)域梁段不考慮相應(yīng)底板及腹板的作用，該區(qū)段截面特性存在突變。

在標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)作用下，原設(shè)計狀態(tài)箱梁跨中截面最大組合應(yīng)力為52.6 MPa，墩頂箱梁截面最大組合應(yīng)力為135 MPa。箱梁截面最大剪應(yīng)力為11.3 MPa。均滿足規(guī)范要求。

進(jìn)行跨中局部破壞狀態(tài)驗算，跨中箱梁截面最大組合應(yīng)力為90.7 MPa，墩頂箱梁截面最大組合應(yīng)力為136 MPa。箱梁截面最大剪應(yīng)力為11.3 MPa。可以看出，在該工況下，應(yīng)力滿足規(guī)范要求，但跨中應(yīng)力較原橋狀態(tài)急劇增大，為策安全，防止破壞進(jìn)一步擴大，應(yīng)對該跨主梁進(jìn)行應(yīng)急處理。

在應(yīng)急處理狀態(tài)下（對天橋進(jìn)行限載、卸載花盆、頂升5#梯道處理）進(jìn)行驗算，跨中箱梁截面最大組合應(yīng)力為45.6 MPa，墩頂箱梁截面最大組合應(yīng)力為97.3 MPaa。箱梁截面最大剪應(yīng)力為9.2 MPa。均滿足規(guī)范要求，且跨中應(yīng)力有較大改善，回復(fù)到與原橋設(shè)計值同一水平。

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)跨中部分梁體破損后，對墩頂處組合應(yīng)力、剪應(yīng)力影響不大，但跨中組合應(yīng)力急劇增大。應(yīng)力指標(biāo)都滿足規(guī)范限值，可以不采用在跨中車道處設(shè)置臨時支撐、封閉橋下交通等對區(qū)域交通影響較大的方案。但考慮到跨中應(yīng)力較原設(shè)計值增幅較大（增大72%），且計算很難完全模擬出橋梁的整體受損情況，為防止受損進(jìn)一步擴大后對結(jié)構(gòu)承載力更加不利，通過對天橋進(jìn)行限載、卸載花盆、頂升5#梯道的應(yīng)急處理，使天橋跨中應(yīng)力水平有較大的改善。通過分析，使應(yīng)急方案在盡可能小地影響道路交通的同時，保證了修復(fù)期間結(jié)構(gòu)的安全。

4　永久修復(fù)設(shè)計

4.1鋼箱梁梁體修復(fù)

梁體撞擊受損一般分為整體破壞和局部型破壞。由于該天橋墩梁固結(jié)，且為圓盤型整體布置，橫向剛度較大，因此在受到撞擊后產(chǎn)生了較大的沖剪作用，破壞表現(xiàn)即為區(qū)域鋼材屈服。

對鋼箱梁梁體的修復(fù)一般采用焊接或螺栓連接的方式將加固材料與原截面固定。焊接連接更為美觀，但該橋局部區(qū)域進(jìn)行修復(fù)存在焊縫復(fù)雜且較多交錯點的情況；同時底板焊縫需進(jìn)行仰焊，焊縫質(zhì)量較難控制；且焊接熱應(yīng)力也會影響構(gòu)件應(yīng)力，對于已嚴(yán)重受損且無跨中支撐的情況，風(fēng)險較高。因此，對于梁體內(nèi)橫隔板與橫隔板之間、橫隔板與腹板及底板之間，采用焊接連接，而對于底板與底板、腹板與腹板之間，則采用高強螺栓夾板的方式進(jìn)行修復(fù)，如圖5所示。修復(fù)前應(yīng)把屈曲變形的鋼板進(jìn)行切割修整，鋼材摩擦面進(jìn)行噴砂處理,。箱梁修復(fù)后效果如圖6所示。

處理后，破損處原有底板的彎曲正應(yīng)力，由高強螺栓與加固鋼板共同承受。應(yīng)進(jìn)行高強螺栓抗剪承載力及受螺栓孔削弱截面后的鋼板連接件承載力驗算。

圖5　高強螺栓連接示意圖（梁體側(cè)面）

圖6　修復(fù)后箱梁外觀實景

4.2梯道裂縫及伸縮縫修復(fù)

由于車輛撞擊時，在主梁與梯道連接處產(chǎn)生了較大的瞬時內(nèi)力，使伸縮縫及周邊混凝土產(chǎn)生了一定的破壞，局部產(chǎn)生了一些裂縫。

對于混凝土梁體裂縫，處理方法如下：對于裂縫寬度小于0.15 mm且裂縫深度較淺的細(xì)小裂縫采用裂縫封閉膠進(jìn)行涂刷表面封閉處理；對于裂縫寬度大于等于0.15 mm的，采用壓力灌注法處理。

對于伸縮縫堵塞，以及兩側(cè)混凝土破壞的伸縮縫應(yīng)根據(jù)伸縮縫的使用情況分兩類進(jìn)行處理。

若伸縮縫完好無損壞，僅兩側(cè)混凝土破壞或不平整，則無需更換伸縮縫，應(yīng)小心鑿除兩側(cè)混凝土，避免損壞鋼構(gòu)件，鑿除完畢后檢查錨固預(yù)埋件與鋼筋；若有缺損時應(yīng)補植連接鋼筋或進(jìn)行補焊。均勻涂抹防水材料后，再澆鋼纖維混凝土并與路面抹平。

若橋梁伸縮縫破損，變形嚴(yán)重，功能失效，則需整體更換處理，鑿除兩側(cè)槽口混凝土、鋼筋等錨固件。對于錨固預(yù)埋件或鋼筋有缺損時應(yīng)補植連接鋼筋，伸縮縫連接筋與錨筋采用焊接連接，應(yīng)保證有效搭接長度，不得采用點焊焊接。

4.3修復(fù)效果

橋梁修復(fù)完成后，應(yīng)對橋梁進(jìn)行荷載試驗，以保證修復(fù)效果滿足要求。試驗結(jié)果表明：橋梁進(jìn)行修復(fù)后，結(jié)構(gòu)剛度、承載力均回復(fù)到破壞前的同一水平，且滿足設(shè)計使用要求。橋梁卸載后的應(yīng)力及變形都得到了恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，修復(fù)完成后滿足正常使用要求。

5　結(jié)論

（1）城市橋梁撞擊破壞事故發(fā)生后，應(yīng)第一時間組織檢測單位對橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)急檢測，了解破損情況、部位，并組織專家進(jìn)行初步評估，必要時須封閉橋上、橋下交通，以防止二次災(zāi)害的發(fā)生。

（2）搶險設(shè)計宜分為應(yīng)急處理及永久修復(fù)兩個階段進(jìn)行。

（3）應(yīng)急處理階段可對橋梁破損狀況進(jìn)行必要的模擬計算分析，并采取有針對性的措施減小荷載、排除險情。根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)跨中組合應(yīng)力較破損前急劇增大，但應(yīng)力指標(biāo)滿足規(guī)范限值，可以不采用在跨中車道處設(shè)置臨時支撐、封閉橋下交通的方案，減小了對區(qū)域交通的影響。

在該項目中采取對天橋進(jìn)行限載、卸載花盆、頂升5#梯道處理等措施，經(jīng)有限元計算和實踐結(jié)果表明，應(yīng)急處理措施對橋梁應(yīng)力有較大的改善，保證了修復(fù)期間結(jié)構(gòu)的安全。

（4）對鋼箱梁梁體局部破壞的修復(fù)可采用焊接或螺栓連接的方式將加固材料與原截面固定。該項目根據(jù)各部位受力特點及修補線交錯情況，對于梁體內(nèi)橫隔板與橫隔板之間、橫隔板與腹板及底板之間，采用焊接連接；而對于底板與底板、腹板與腹板之間主要受力構(gòu)件，則采用高強螺栓夾板的方式進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后梁體受力狀況良好。

（5）對于混凝土梁裂縫處理，可根據(jù)裂縫寬度采用裂縫封閉膠進(jìn)行涂刷表面封閉處理，或采用壓力灌注法處理。

（6）橋梁永久修復(fù)作業(yè)完成后，應(yīng)對橋梁進(jìn)行荷載試驗，評估應(yīng)力、剛度等指標(biāo)，以檢驗修復(fù)效果。

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馬尾大橋最大承臺完成澆筑 計劃2017年底通車

馬尾大橋是福州新區(qū)重點配套路橋項目，其最大主墩承臺近日完成澆筑，整個工程計劃2017年底全線通車。

馬尾大橋及南北接線工程南岸起點為在建環(huán)島路，北岸終點與機場二期高速相接。其中，道路全長6.38 km，南岸接線長約1.9 km，北岸接線長約2.8 km，跨江段橋長1.68 km。馬尾大橋橋面寬度為42.5 m，設(shè)雙向8車道。

目前，馬尾大橋跨江段樁基累計完成110根，占比42%。北接線工程中，樁基完成225根，占比36%；承臺完成50個，占比20%；墩身完成17個，占比7.56%。馬尾大橋主跨橋洞達(dá)到240 m，創(chuàng)下國內(nèi)同類橋梁的新紀(jì)錄，可滿足1 000 t級海輪通航標(biāo)準(zhǔn)。其最大主墩承臺混凝土方量達(dá)到5 136 m3。該承臺長40 m、寬21.4 m、高6 m，要插6 117根鋼筋。

目前馬尾與南臺島隔江相望，從馬尾前往火車南站、三江口一帶，要繞行魁浦大橋或者鼓山大橋。待馬尾大橋建成后，上述兩個區(qū)域就可快速連通。

U447

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1009-7716（2016）02-0107-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.028

2015-10-12

蔡憲棠(1985-)，男，福建寧德人，工學(xué)碩士，工程師，從事橋梁工程設(shè)計工作。