公路橋梁傾覆風險分析及監測技術研究

李小龍，劉志強，張福儉

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引 言

單柱寬幅圓弧形截面連續梁橋由于其截面形式的流暢、獨柱墩占用橋下空間小、整體結構美觀而受到青睞，廣泛應用于城市高架橋梁建設中[1]。隨著獨柱墩連續梁橋的廣泛應用，暴露出諸多問題，其中橋梁整體傾覆問題最為引人注目。獨柱墩墩頂橫橋向寬度有限，導致設置雙支座時，橫向間距較小，甚至僅能采用單個支座支撐，因此橋梁的抗傾覆穩定性較差[2]。無論是在施工還是在使用中，各地均出現過獨柱墩連續箱梁橋側翻甚至傾覆的重大事故，造成了巨大的經濟損失和不良的社會影響。據不完全統計，近十年國內倒塌的獨柱墩橋梁有4座，見表1所列[3]。

表1 近十年倒塌的獨柱墩橋梁表

彭衛兵等[3,4]以浙江上虞春暉立交橋為背景，研究了獨柱墩橋梁在超載及偏載作用下的傾覆破壞機理，并通過有限元模擬了傾覆過程，將傾覆破壞分成3個階段。任偉新等[2]研究了支座間距、雙支座個數及曲線半徑三個因素對獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性的影響。

本文選取了某座獨柱墩彎橋作為研究對象，計算分析了其抗傾覆穩定性，并以此為基礎，通過設置不同的邊界條件（支座個數及間距）、直橋或彎橋、是否考慮橋墩剛度等進行對比計算分析，研究了不同因素對獨柱墩橋梁抗傾覆穩定性的影響，可對正在運營的獨柱墩橋梁抗傾覆分析提供指導。據此考察了針對獨柱墩橋梁進行傾覆監測的可行性，并針對提出的若干可行監測方法，分析了其優缺點。

1 考慮橋墩、邊界條件影響的主梁扭轉分析

本文以某地區一座實橋為研究對象。該橋為5×55 m連續梁、平面彎橋，曲率半徑R=1 100 m。采用MIDAS/Civil建立該彎橋模型，為方便對比，建立了對應的直橋模型，該模型除主梁為直梁外，其余結構無差別。在有限元模型中，車輛荷載模型按公路一級標準設計荷載。

主梁在偏載作用下會發生扭轉，下部結構（橋墩）剛度與上下部之間的連接形式（邊界條件）可能會對主梁轉角產生影響。考慮到這種影響，分別建立不同邊界條件下橋梁的有限元模型。不同的邊界條件形式如下。

（1）支座形式。包含雙支座形式（每個橋墩頂橫向均有2個支座）和單支座形式（中墩墩頂僅有1個支座，邊墩墩頂有2個支座）。實際工程中常采用的兩種支座形式如圖1所示。

圖1 支座形式

（2）是否考慮橋墩。在橋梁上部結構設計中，常常忽略橋墩影響，墩頂直接用固定或活動支座模擬邊界約束，即認為橋墩彎曲剛度無限大。但當橋梁承受偏心荷載時，橋墩偏心受壓會發生側向彎曲，進而引起主梁扭轉加劇，不利于橋梁抗傾覆。因此在有限元模型中，分別建立考慮橋墩（以下簡稱“有墩”）和不考慮橋墩的模型（以下簡稱“無墩”）。兩種模型如圖2所示。

圖2 是否考慮橋墩

在有限元模型中，支座采用彈性連接模擬，主梁采用單梁模型，單支座、雙支座在模型中分別在梁根部采用1個、2個彈性連接進行模擬；有墩模型橋墩采用梁單元模擬，無墩模型則無需模擬橋墩，墩頂節點固結。

本文荷載模式采用規范標準荷載，單車道布置，偏心距離為6.35 m。加載工況見表2所列。考慮到單支座情況下支座對中墩無橫向約束作用，因此無需考慮單支座無墩的工況。

表2 工況匯總表

在上述各工況下針對對應的有限元模型進行計算，得到主梁扭轉計算結果。不同邊界條件下主梁轉角如圖3所示，主梁最大轉角統計見表3所列。

圖3 不同邊界條件下主梁轉角

對于雙支座橋梁在有墩情況下，主梁最大轉角比無墩情況約大22%。說明橋墩剛度對主梁扭轉的貢獻較大，計算橋梁傾覆時，不可忽略橋墩的影響，尤其是橋墩剛度較小的橋梁。

彎橋情況與直橋類似。在同等條件下，彎橋主梁轉角比直橋略小，彎橋由于其自身幾何構造具有一定的抗扭轉剛度，因此彎橋比直橋轉角略小。

表3 主梁最大轉角

考慮到橋墩影響，各種情況下的墩頂偏角對比如圖4所示。

圖4 有墩工況下的墩頂轉角

由圖4可知，在同等邊界條件下，直橋和彎橋橋墩在偏載作用下的墩頂轉角基本相同。在單支座情況下，橋墩轉角接近0，說明由于單支座對橋墩沒有扭轉自由度的約束，橋墩幾乎不發生偏轉，偏載引起的扭轉均由主梁承擔，表明在單支座情況下主梁轉角遠遠大于雙支座；而在雙支座情況下，橋墩承擔了部分偏載，發生了一定偏轉，根據以上計算結果，雙支座橋墩發生的偏轉角約為主梁轉角的25%～30%。

2 傾覆臨界條件下主梁轉角、荷載及傾覆安全系數對比

本節將臨界條件定義為某一個邊支座反力為0。當某一個支座反力為0時，尚未達到傾覆臨界，實際傾覆過程如下：

（1）某一個邊支座反力為0，該支座失效；

（2）大部分支座失效，只剩下傾覆軸線上最后2個支座還在工作；

（3）主梁開始繞傾覆軸發生剛體轉動；

（4）最后工作的2個支座被“擠出”、主梁側滑+轉動，傾覆發生或主梁沿傾覆軸剛體轉動直至傾覆發生。

參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62- 2004）[5]及新版《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（討論稿）中的相關條文選擇了以上臨界條件。

2.1 臨界條件下車載系數對比

當某一個邊支座反力為0時，表明發生了支座脫空，此舉既不符合規范，也是發生傾覆的先兆，因此要杜絕這種情況的發生。得到不同計算模型達到臨界條件時的車輛荷載組合系數（即采用相同車載模型時，調整車輛荷載組合系數，直至臨界條件發生時對應的組合系數），車輛荷載組合系數越大，說明達到臨界條件越難，傾覆風險越小，據此可判斷哪種情況發生傾覆的風險更大。計算結果見表4所列。

表4 臨界條件下車輛荷載組合系數

根據表4計算結果可以得到如下結論：

（1）無論直橋或彎橋，單支座情況下車載組合系數均最小，說明單支座的傾覆風險遠大于雙支座情況；

（2）有墩情況下的車載系數均大于無墩情況，說明有墩情況下的傾覆風險大于無墩情況，橋墩柔度越大（即剛度越小），達到臨界條件對應車輛荷載組合系數越小，傾覆風險越大；

（3）彎橋相比直橋，達到臨界條件時所對應的車輛荷載組合系數更大。

根據以上臨界條件分析，橋墩剛度小、單支座為橋梁更易傾覆的2個主要因素。由圖5可知，臨界轉角范圍為0.25°～ 0.33°。

圖5 臨界條件下主梁轉角（彎橋）

2.2 抗傾覆安全系數計算

現有橋梁規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62- 2004） 中關于支座規定“不得有支座脫空”，但并無橋梁整體傾覆驗算相關條文。故依據新版《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（討論稿）中的相關條文進行計算，引用如下：

采用整體式斷面的中小跨徑梁橋應進行上部結構抗傾覆驗算。上部結構的抗傾覆穩定系數應滿足下式要求：

式中： γqf為抗傾覆穩定系數；ssk為使上部結構傾覆的汽車荷載（含沖擊作用）標準值效應；sbk為使上部結構穩定的作用效應標準組合。

在作用標準值組合（汽車荷載考慮沖擊作用）下，單向受壓支座不應處于脫空狀態。據此，計算得出在臨界條件下各種情況的傾覆安全系數，見表5所列。

表5 臨界條件下抗傾覆穩定系數

抗傾覆穩定系數越大越安全。由表5可知，當支座脫空時，彎橋的抗傾覆能力遠高于直橋；但彎橋由于恒載分布不均勻，支座反力不均勻，易發生個別支座脫空的現象，因此對彎橋應采用高于直橋的傾覆安全系數來評價其抗傾覆穩定性。當發生支座脫空時，應立即采取措施防止主梁繼續轉動，否則會有更多支座失效直至發生傾覆。

2.3 不同車輛模型下橋梁傾覆安全系數

以上只考慮了以規范給定的車載模式進行加載，但橋梁在實際運營中會遇到多種不同的車載情況。將規范中的標準車載模型和3輛150 t重車連排模型進行對比。兩種荷載圖示如圖6所示。

圖6 兩種荷載圖示對比

同時計算以上兩種工況下對應的傾覆安全系數，見表6所列。

表6 不同車輛荷載下傾覆安全系數和主梁轉角

由表6可見，標準車輛工況的傾覆安全系數比3輛重車工況小，即從抗傾覆安全系數的角度評價，標準車工況更易傾覆。但根據主梁轉角的情況可知，標準車工況小于3輛重車工況，說明3輛重車連排的荷載模式比規范標準車輛的荷載模式更危險（因同樣的結構模型，該工況主梁轉角更大，更接近傾覆），且無法在傾覆安全系數中體現出來。在實際監測中，如發現幾輛超載車連排上橋，應特別注意。

3 案例分析

以文獻[3]中浙江上虞春暉立交橋的倒坍為例，探討獨柱墩橋梁傾覆的過程和機理，并對上文的研究結果進行驗證。

文獻[3]認為，箱梁在偏載作用下發生轉動，當轉動到一定角度時，箱梁底部與墩頂接觸，會對橋墩產生過大的局部壓力。在箱梁發生臨界傾覆前，橋墩未被破壞。文獻[3]將箱梁傾覆過程劃分為三個階段，即穩定階段、過渡階段和傾覆階段。在荷載無偏心時，轉動軸在支座中線；隨著偏心荷載逐漸加大，直至某個端支座脫空；偏心荷載進一步加大，箱梁達到傾覆穩定極限，此時轉角最大且即將發生滑移。春暉立交橋實際傾覆過程為：倒塌發生前，一輛大貨車熄火停在左側，其后的3輛大貨車從右邊繞行，3輛車重量接近，每輛車重約120 t，當3輛超載車輛的整體重心處于5號橋墩附近時橋梁發生傾覆。3輛偏載車輛重心運行軌跡如圖7所示。

依據以上傾覆過程描述，建立有限元模型，模擬傾覆過程并驗證文獻中的結論。依據式（1）計算傾覆過程中的抗傾覆安全系數，并結合文獻[3]中的箱梁豎向位移計算結果（在轉角較小時，豎向位移與主梁轉角存在近似正比關系），可得到圖8所示結果。

圖7 傾覆臨界荷載判定示意圖

圖8 抗傾覆安全系數及主梁豎向位移/轉角與偏心荷載關系

根據圖8計算結果可知，從無偏心到偏心距約0.5 m時，隨著車載偏心的增大，抗傾覆安全系數迅速減小，但此時尚未達到臨界條件 （一側端支座脫空），因此主梁豎向位移不明顯，這一階段為穩定階段。偏心距為0.5～1.0 m時，抗傾覆安全系數持續減小；0.8 m時抗傾覆安全系數已減小到1.0，同時梁豎向位移迅速增大；當傾覆安全系數為1.0時，是理論上主梁將傾未傾的臨界，實際上由于支座有橫向寬度，而非理論上的一個支點，在主梁轉動過程中，轉動軸線由支座中心逐步外移，直到支座邊緣時才最終到達傾覆臨界，這一階段為過渡階段。這一階段支座脫空后，位移增加迅速，且重車行駛中變換車道較快，基本會在幾秒鐘內完成。偏心距為1.0～1.35 m時，抗傾覆安全系數繼續減小，梁豎向位移繼續增大，直至傾覆發生，這一階段為傾覆階段。

根據上述分析，傾覆過程與文獻[3]提出的過程基本一致，驗證了分析的正確性。同時也驗證了上文中提出的支座脫空作為傾覆全過程中第一個標志性臨界點的觀點，應引起重視。采取措施密切監測支座是否脫空，一旦發生支座脫空應采取措施，否則主梁將會在極短的時間內傾覆。此外，這一案例也表明了幾輛超重車連排上橋的危險性，在實際監測中 （如攝像頭、動態稱重系統），如發現幾輛超載車連排上橋，應特別注意。

4 監測可行性及方法

伴隨著數字化和信息化橋梁理念的不斷深入，建設橋梁的健康監測系統，能夠實時掌握結構安全狀態，確保橋梁安全運營，減少災難性事故發生的概率和頻率。目前國內外多座橋梁已安裝了健康監測系統，但大多為大跨徑橋梁[6]。我國中小橋梁量大面廣，與大型橋梁相比出現問題的頻次更高，但受限于成本等因素，大都沒有安裝健康監測系統[7]。針對中小跨徑橋梁，應對某一類問題進行專題監測，做到“小而準”，針對性強。獨柱墩橋梁的傾覆問題便是這樣一項亟需解決的問題，本文將根據以上計算結果對其監測的可行性進行研究。

4.1 主梁轉角監測

目前部分傾角儀設備實際精度約為0.01°，量程可定制，一般為±5°以內。根據上文計算結果，主梁跨中轉角可以達到0.25°～0.35°，目前傾角儀的量程和精度能夠滿足該數量級的轉角，因此通過測量主梁（橫向）轉角進行傾覆監測完全可行。由于每座橋梁的跨度、偏載距離、超載情況等各不相同，需要針對每座橋梁的自身特性，仔細研究后確定監測預警值的設定。

4.2 支座處主梁轉角、支座兩側相對位移監測

由上文計算結果可知，不考慮橋墩時，支座處轉角較小，在本文工況下，最大約為0.02°，當前儀器尚無法有效測量該量級的轉角。

考慮橋墩影響時，中間支座處轉角較大，達0.15°以上，測量支座處的主梁轉角可行；若采用位移計監測支座兩側相對位移，根據傾角和相對位移之間的關系，當位移計距離1 m時，0.15°轉角對應2.6 mm相對位移。雙車道橋寬一般在8 m以上，因此可測量的相對位移達20 mm以上，故將位移計布置相對較遠距離時即可有效測量。

4.3 車輛荷載監測

獨柱墩橋梁傾覆與車輛荷載密切相關，偏心荷載增加是導致傾覆的直接原因，因此加強對超載車輛的監測是控制橋梁傾覆的重要手段之一。目前，動態稱重系統可以做到精確監測通行車輛的車重、車型、車速、車道等信息，通過這些信息，可及時判斷是否存在有導致橋梁傾覆風險的車輛上橋，進而及時采取相關措施。高清攝像機是監測上橋車輛的另一種手段，對車輛荷載監測更直接、有效，但價格較高，對于中小橋而言，投資較大，是妨礙其推廣的較大阻力。

5 結 語

根據上文分析結果可得以下結論：

（1）邊支點采用雙支座，中支點采用單支座的邊界形式和全部橋墩采用雙支座相比，主梁最大轉角較大，若采用這種支座形式的橋梁，其傾覆風險將遠大于全部采用雙支座的橋梁。

（2）在同等邊界條件下，直橋和彎橋橋墩在偏載作用下的墩頂轉角基本相同。在單支座情況下，橋墩轉角接近0，說明由于單支座對橋墩沒有扭轉自由度的約束，橋墩幾乎不發生偏轉，偏載引起的扭轉全部由主梁承擔；而在雙支座情況下，橋墩承擔了部分偏載，發生一定偏轉，本文工況下，雙支座橋墩發生的偏轉角約為主梁轉角的25%～30%。

（3）達到臨界條件（一個支座脫空）時，橋墩剛度小、單支座的情況下主梁轉角更大，因此橋梁更易傾覆。

（4）標準車輛工況下傾覆安全系數比3輛重車工況小，但其主梁轉角小于3輛重車工況。說明3輛重車連排的荷載模式比規范標準車輛的荷載模式更危險，且規范中傾覆安全系數這一參數無法體現出其危險性。在實際監測中，如發現幾輛超載車連排上橋，應引起特別注意。

根據以上結論，提出以下幾點建議：

（1）增強對現有獨柱墩中小橋梁的檢查，特別針對單支座、橋墩剛度較小及超載嚴重等傾覆風險較大的橋梁。

（2）對檢查的橋梁進行詳細分析和評估，針對不滿足規范要求或經評估需要加固的，立即加固。

（3）建議對獨柱墩類型橋梁進行實時監測，密切關注其狀態，防止災難性事故發生。

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