2020一級建筑師預測熱門考點——無錫高架橋側(cè)翻事故

有三臺車子，眼睜睜看著被壓在了高架橋下面，我們?yōu)樯拇嗳醺械綗o比惋惜。

有的人在等紅燈的時候躲過一劫，有的人在大橋底下逃生后嚇得崩潰大哭…… 明天和意外不知道哪個會先來臨，世事總是如此的無常和無情。

事故共造成3人死亡，2人受傷。據(jù)悉，事發(fā)時側(cè)翻橋面上共有5輛車，其中3輛小車、2輛卡車。

11日凌晨5時，無錫市事故救援指揮部發(fā)布事故通報。

事故初步原因：超載

交通運輸部與江蘇省交通運輸廳視頻連線了解，事故發(fā)生時，一嚴重超載貨車在橋上行駛，車輛經(jīng)過時候由于超載產(chǎn)生共振，可能為橋梁垮塌的直接原因。

也有部分網(wǎng)友提供消息說，本次事故橋梁為單柱支撐，這也是事故發(fā)生的另外一方面原因。據(jù)《財新網(wǎng)》對現(xiàn)場橋梁老師采訪，事故或并非單一車輛超載所致。事發(fā)當時有多輛超載大貨車，導致該路段橋面立柱的蓋梁被破壞，橋面發(fā)生側(cè)翻傾覆。

而據(jù)事故救援指揮部發(fā)布的最新信息，交通運輸部老師組已趕赴現(xiàn)場指導事故調(diào)查，無錫市也已成立事故調(diào)查組。經(jīng)初步分析，上跨橋側(cè)翻系運輸車輛超載所致。

有網(wǎng)友說該貨車應載65噸實載187噸，但該說法目前未得到官方確認。

事故發(fā)生后，跨橋的設計、施工問題，引發(fā)網(wǎng)友的質(zhì)疑。

兩家公司作出回應

11日，蘇交科(300284.SZ)、中設集團(603018.SH)分別發(fā)布澄清公告，10日發(fā)生的無錫高架橋側(cè)翻事故中事故橋梁的設計與兩家公司無關。

10月12日， 江蘇中設集團股份有限公司(中設股份，002883)在回答投資者“無錫側(cè)翻高架橋的設計單位是你們嗎?蘇交科和中設設計都發(fā)了澄清公告，你們怎么還沒發(fā)呢?”的提問時表示，312國道錫港路上跨橋傾覆的事情發(fā)生以來，作為設計單位，我們第一時間趕往事發(fā)地點，一方面關注現(xiàn)場遇難人員的援救情況，一方面迅速進行橋梁復算。經(jīng)過多人多軟件連夜認真復算，確認設計符合各項規(guī)范要求。中設股份稱，10月11日上午，無錫市事故救援指揮部發(fā)布了事故責任的初步認定，為“經(jīng)初步分析，上跨橋側(cè)翻系運輸車輛超載所致”。

事發(fā)高架橋?qū)儆趩沃綐蚨樟菏綐?，獨立墩柱橋因結(jié)構(gòu)簡單，占地面積少，視野開闊等特點，廣泛的應用于城市立交系統(tǒng)，但橋面在偏載和超載的情況下易發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

橋梁設計時都會考慮傾覆的情況，一般會有個傾覆軸，即圖中的L1，當行駛的車輛超過這傾覆軸，既可以理解為偏行，雖然L1越大，橋面的傾覆力越大，但一般不會出現(xiàn)問題，但如果車輛超載較多，而且是偏行，即P*L2會遠遠大于橋梁的抗傾覆力，此時橋梁就會發(fā)生傾覆。

橋梁老師分析

根據(jù)網(wǎng)上公開資料和相關新聞報道，對事故進行初步判斷，可認為橋梁垮塌最直接原因，是貨車的超載和偏載行駛。他說，在貨車超載、偏載作用下，橋梁受力失衡，從而造成側(cè)翻。

根據(jù)事故照片和視頻呈現(xiàn)的破壞形態(tài)，可推斷箱梁為三跨連續(xù)預應力混凝土箱梁，為直線橋，箱梁兩端設置有雙支座，中間兩個橋墩的墩頂僅在箱梁中心線上設置了一個單支座，屬于獨柱墩橋梁范疇。

老師表示，由于獨柱墩在橫橋向采用單支點支撐，在汽車偏載作用下，對結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定非常不利。

據(jù)另一位不愿具名的資深建筑科學工程師也介紹，這種設計本身是可行的，單橋墩可節(jié)省橋下空間。不超載的情況下這種橋是安全的，只是由于車輛都是靠右行，當雙向車流量不均衡時，偏心荷載會產(chǎn)生傾覆力矩，在橋梁超載時可能導致橋梁側(cè)翻。如果單次超載嚴重，比如達到數(shù)百噸且車輛行駛靠外側(cè)，在杠桿效應下，有可能超過橋梁自身抗傾覆的能力，就會導致側(cè)翻。

其實近年國內(nèi)發(fā)生過獨柱墩橋梁傾覆事故：

事故的最終原因大多歸結(jié)于車輛超載、超限所致，此類事故的接連發(fā)生也引起橋梁專業(yè)人士的討論和深思。發(fā)生上述事故的橋梁大多有以下共同點：

(1)整體式箱形梁橋;

(2)直線橋或平曲線半徑較大;

(3)重載車靠行進方向右側(cè)邊緣行駛或停留;(4)倒塌橋梁大多是長橋，采用了獨柱墩單支點設計，端橫梁處雙支座間距較小;

(5)破壞形式表現(xiàn)為整體傾斜倒塌。

目前國內(nèi)研究和事故分析中將此類問題歸結(jié)為抗傾覆穩(wěn)定問題，將破壞形式簡單地描述為繞傾覆軸旋轉(zhuǎn)倒塌,而沒有對彈性體問題簡化為剛體處理方法的適用范圍，以及破壞過程中橡膠支座的受力狀態(tài)、支座與箱梁間的相互作用進行深入研究。

現(xiàn)行公路橋梁設計規(guī)范中對于該問題的要求處于空白。鐵路橋梁規(guī)范中要求結(jié)構(gòu)的側(cè)向傾覆穩(wěn)定系數(shù)不應小于1.3。由于鐵路橋梁與公路橋梁(或城市橋梁)在車道數(shù)、行車軌跡、結(jié)構(gòu)抗扭剛度、結(jié)構(gòu)自重等方面存在諸多差異，因此采用鐵路規(guī)范中的條文和系數(shù)，在公路橋梁(或城市橋梁)設計中能否適用值得探討。

國內(nèi)橋梁設計過程中往往重視結(jié)構(gòu)縱向的強度設計，而忽視偏載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向抗傾覆穩(wěn)定問題。從最近的幾次事故中也可以看出。橋梁結(jié)構(gòu)強度的安全系數(shù)明顯高于側(cè)向傾覆穩(wěn)定的安全系數(shù)此外采用相同的設計活載對橋梁結(jié)構(gòu)進行強度驗算和抗傾覆穩(wěn)定驗算，能否保證結(jié)構(gòu)安全，同樣值得探討。

國內(nèi)外相應設計規(guī)范

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的要求均有表述，但不盡相同，如下表所示。

從上表可知，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)范意見稿中考慮密集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)范中在計算支座負反力時活載效應取用2倍的系數(shù)。上述規(guī)范的要求各有千秋，本文通過下面的實例進行比較。

實例分析與對比

某直線匝道橋其平面布置和上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置如圖1所示，端橫梁設置雙支座，中橫梁處為單支座，橋型結(jié)構(gòu)為六跨等截面鋼筋混凝土連續(xù)梁橋，設計荷載等級為公路-I級。該橋在三輛重型貨車偏載作用下發(fā)生倒塌事故，經(jīng)實測三輛貨車重量分別為125t、125t和110t，總重為360t。

圖1 某橋平面及上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置示意圖(單位：m)

在公路-I級、密集55t車列和事故車列三種荷載工況作用下，該橋按照剛體進行計算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果詳見下表。從表中可知，設計活載作用下，該橋的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達到18以上，即使在密集55t車列或事故車列的作用下此系數(shù)也均在6以上，并且事故車列的總重量小于密集55t車列的重量(412.5t)。

采用彈性體計算模型，從端橫梁處支座反力計算結(jié)果下表中可以看出：雖然設計活載作用下，“恒載+活載”組合支座不脫空，但密集55t車列或事故車列的作用下，支座負反力達到1000kN左右。由此可見，對于連續(xù)梁橋受偏載作用下扭轉(zhuǎn)變形的影響，即使在剛體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達到6，也不能避免支座的脫空。

從對稱荷載作用下截面最大彎矩的計算結(jié)果(下表)可以看出，在單列密集55t車列和事故車列的作用下，截面的最大正彎矩值和最大負彎矩值均與設計活載作用下的結(jié)果相當，并且組合值均小于截面抗力。

將本例橋梁端橫梁支座間距調(diào)整為5m，此時汽車活載作用線位于兩支座間，按照剛體進行計算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為+∞，偏載作用下支座反力計算結(jié)果如下表所示。可見支座活載負反力大幅減小，即使在密集55t車列作用下，該支座也不脫空。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知：

(1)按照剛體計算的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)將傾覆失穩(wěn)破壞形式描述為剛體繞轉(zhuǎn)動軸的旋轉(zhuǎn)，忽視了實際橋梁結(jié)構(gòu)為彈性體的客觀因素;梁體過大的扭轉(zhuǎn)角不僅導致一側(cè)支座脫空，而且增大了另一側(cè)支座的切向力，直至梁體滑落;因此即使設計汽車活載作用下其按照剛體計算的穩(wěn)定系數(shù)大于10，也不能保證在密集55t車列作用下發(fā)生支座脫空現(xiàn)象，甚至在事故車列作用下發(fā)生倒塌;

(2)事故橋梁為小跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，在單列密集55t車列或事故車列活載工況作用下，最大彎矩組合值也沒能超過截面的抗彎承載力;

(3)增大支座間距，可以大幅提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性能。

有待進一步研究的問題與建議

以往的箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定方面主要存在如下問題：

(1)將彈性體問題采用剛體問題的計算方法，忽略了梁體的彈性扭轉(zhuǎn)變形;

(2)偏載作用下，梁體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，橡膠支座處于偏壓狀態(tài)，設計標準中沒有對梁體扭轉(zhuǎn)角進行控制;

(3)一些橋梁缺少避免橫向滑落的構(gòu)造措施或該措施過于薄弱。

由此說明：傾覆失穩(wěn)不是第一類穩(wěn)定問題，而是第二類穩(wěn)定問題。筆者認為有如下方面可進一步地深入研究：

(1)汽車活載設計標準、實際車輛荷載以及橋梁限載標準間存在諸多差異，三者間的關系也較為復雜;而橋梁結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定問題不同于結(jié)構(gòu)強度問題，有其自身的特點，因此應針對橋梁不同的限載標準制定合理的車列模型，用于抗傾覆穩(wěn)定性的驗算;

(2)側(cè)向傾覆失穩(wěn)屬于“脆性破壞”，其可靠指標應高于縱向強度驗算時采用的可靠指標，應根據(jù)設計荷載標準研究確定合理的橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定設計方法及其規(guī)范限值;

(3)橋梁橡膠支座采用的橡膠為超彈性體材料，研究箱梁橋傾覆過程中支座的受力性能、支座與箱梁間的反向支撐作用和切向摩擦作用，對于確定平衡點的極限狀態(tài)方程具有重要的意義。

對于現(xiàn)階段箱梁橋側(cè)向抗傾覆穩(wěn)定的設計建議如下：

(1)在多跨一聯(lián)的直線連續(xù)梁橋中，盡量避免采用單點支撐的結(jié)構(gòu)體系;

(2)抗傾覆穩(wěn)定計算應采用彈性體空間計算模型，計算支座恒載反力與活載最大豎向負反力的比值作為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，該方法概念更加明確;

(3)在偏載作用下，應限制梁體的扭轉(zhuǎn)角不超過支座容許的最大轉(zhuǎn)動角度;

(4)橋墩支座處應采取可靠的橫向限位措施，避免梁體的傾斜滑落。

偏載作用下箱梁橋側(cè)向傾覆失穩(wěn)屬于脆性破壞，是瞬間發(fā)生的，所造成的損失是慘重的?，F(xiàn)行設計規(guī)范存在不足，在確定抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)時，應考慮結(jié)構(gòu)彈性體扭轉(zhuǎn)變形的影響。確定合理的抗傾覆穩(wěn)定性可靠指標，以及箱梁橋傾覆過程中支座的受力性能和支座與箱梁間的相互作用，值得深入研究。

超載是現(xiàn)階段無法避免的。設計人員能做的，是應該承認事實，并把橋梁標準提高，以提高安全性。對老橋，超載的破壞更大。對于新建橋梁，應該提高設計荷載的標準。對于規(guī)范，要有使用的要求，要使橋梁符合設計荷載的要求，而不是簡單的套規(guī)范，要保證橋能夠承受荷載。

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