中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、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(shí)10分許，江蘇省無錫市312國(guó)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(dú)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(duì)其原因做了討論和深思。
對(duì)于我國(guó)近年出現(xiàn)的一些因獨(dú)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(jì)、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(cè)、加固措施等技術(shù)手段，來思考如何進(jìn)行獨(dú)柱墩抗傾覆評(píng)估，降低這類事件的發(fā)生概率。
獨(dú)柱墩抗傾覆評(píng)估總體思路及工作內(nèi)容
目前國(guó)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(guó)公路橋梁規(guī)范和鐵路橋梁規(guī)范均引入了按照剛體計(jì)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(guó)橋梁規(guī)范明確了多向活動(dòng)支座的最小豎向力不應(yīng)小于其承載能力的20％，這與中國(guó)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(jì)算支座負(fù)反力時(shí)活載效應(yīng)取用2倍的系數(shù)。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)等相關(guān)規(guī)范及獨(dú)柱墩橋梁受力特點(diǎn)，提出以下工作思路及內(nèi)容。
首先通過資料搜集對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行排查，對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行確認(rèn)；其次對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行特殊檢查及橋梁監(jiān)測(cè)，對(duì)影響橋梁抗傾覆的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)檢查，同時(shí)設(shè)置橋梁過橋稱重系統(tǒng)和橋梁傾覆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查資料對(duì)獨(dú)柱墩橋梁進(jìn)行安全評(píng)估，評(píng)估的手段主要有抗傾覆驗(yàn)算以及荷載試驗(yàn)；最后，對(duì)通過評(píng)估的橋梁進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，對(duì)評(píng)估不通過的橋梁應(yīng)進(jìn)行加固處置，同時(shí)對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行再次評(píng)估。
具體評(píng)估流程如下圖。
獨(dú)柱墩抗傾覆評(píng)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(dú)柱墩傾覆的原因大部分為車輛超載，那么對(duì)掌握超載車輛軸載等信息尤為重要。主要可通過對(duì)稱重系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì)日交通量情況，特別是重載車輛的流量。
3.采用動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備（WIM）調(diào)查雙向行車道上實(shí)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(shí)橋梁上部結(jié)構(gòu)的下落，避免偏載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)帶來的損害。落梁破損是獨(dú)柱墩橋梁傾覆的主要表現(xiàn)形式，所以對(duì)獨(dú)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(jì)文件、竣工文件并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(huì)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(duì)與墩底的傾斜量為準(zhǔn)。偏移方向即墩頂傾斜方向，對(duì)于彎橋墩身偏向以曲線內(nèi)、外側(cè)為準(zhǔn)。對(duì)于直橋墩身偏向以左、右側(cè)為準(zhǔn)。通過全站儀測(cè)量進(jìn)行實(shí)際測(cè)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(cè)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(duì)上部結(jié)構(gòu)較輕，橋面較寬且懸臂較長(zhǎng)的箱梁，支點(diǎn)處設(shè)小間距雙支座獨(dú)柱墩（花瓶墩）。連續(xù)梁在支點(diǎn)處橫橋向采用兩個(gè)或多個(gè)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(guó)內(nèi)部分地區(qū)的重車輛普遍存在超載現(xiàn)象，個(gè)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(shí)，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(diǎn)，支座的性能對(duì)結(jié)構(gòu)受力起著重要的作用，尤其適用于獨(dú)柱墩橋梁的單支座結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)在對(duì)支座組件的缺損、銹蝕情況的調(diào)查的基礎(chǔ)上，著重觀測(cè)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(jì)限值作比較。支座橫、縱向偏移值以及轉(zhuǎn)角的設(shè)計(jì)值以實(shí)際采用支座型號(hào)參數(shù)為準(zhǔn)。
對(duì)多跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，中支點(diǎn)設(shè)多個(gè)單支座獨(dú)柱墩。由于獨(dú)柱墩中間支點(diǎn)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(shí)，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(shí)，會(huì)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(cè)結(jié)合游標(biāo)卡尺、水平尺等工具進(jìn)行檢測(cè)。
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(dú)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こ酰憾说淖笥覂蓚?cè)擋塊相距梁體的空隙距離無較大偏差。實(shí)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(duì)于匝道彎橋梁體偏向以曲線內(nèi)、外側(cè)為準(zhǔn)。對(duì)于直橋梁體偏向以左、右側(cè)為準(zhǔn)。
對(duì)于墩梁固結(jié)獨(dú)柱墩。采用獨(dú)柱墩與梁固結(jié)的方式，墩柱可承擔(dān)一部分主梁扭矩，對(duì)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(jì)時(shí)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(huì)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(shí)可達(dá)縱向最大彎矩值的50％以上，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮此扭矩的影響，后期營(yíng)運(yùn)時(shí)會(huì)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(cè)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，即WIM（Weigh-In-Motion）是指在不停車情況下測(cè)量出車輛重量的過程。車輛動(dòng)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(fèi)和提高對(duì)超限超載車輛的監(jiān)督執(zhí)法等。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是由一組傳感器和相應(yīng)的硬件測(cè)量設(shè)備組成。車輛的動(dòng)態(tài)稱重就是使用這些傳感器和測(cè)量設(shè)備一起工作，根據(jù)運(yùn)行中車輛的輪胎對(duì)傳感器的壓力來測(cè)量通過車輛的重量、軸數(shù)、速度等信息，并且存儲(chǔ)、處理和顯示這個(gè)數(shù)據(jù)的過程。動(dòng)態(tài)稱重主要是通過測(cè)量運(yùn)動(dòng)中車輛的輪胎對(duì)地面的動(dòng)態(tài)壓力來計(jì)算出車輛靜態(tài)權(quán)重的過程。車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要使用在高速公路的集中收費(fèi)，治理超限超載和路橋保護(hù)等應(yīng)用中。
車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的組成及工作原理圖
- 橋 梁 傾 覆 監(jiān) 測(cè) 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(dú)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(duì)梁體的傾斜進(jìn)行預(yù)警，對(duì)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(cái)產(chǎn)的重大損失。
- 抗 傾 覆 荷 載 試 驗(yàn) -
荷載試驗(yàn)是評(píng)估橋梁承載能力最直觀的方法，獨(dú)柱墩橋梁在進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)除按常規(guī)荷載試驗(yàn)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(jí)測(cè)試梁體傾斜情況，評(píng)估橋梁抗傾覆能力。
- 抗 傾 覆 驗(yàn) 算 -
采用空間分析模型，對(duì)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(yàn)算，并對(duì)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(dú)柱墩橋梁抗傾覆評(píng)估驗(yàn)算流程圖
加固措施
對(duì)抗傾覆評(píng)估不通過的獨(dú)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(píng)估及加固處治方面對(duì)既有獨(dú)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(gè)方面進(jìn)行治理：
- 對(duì) 超 載 問 題 的 治 理 -
對(duì)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(shí)從國(guó)家制度層面來考慮對(duì)于治超問題進(jìn)行多部門聯(lián)動(dòng)，采取多種管理措施并舉實(shí)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(yùn)營(yíng)需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，并及時(shí)根據(jù)技術(shù)狀況等級(jí)對(duì)橋梁實(shí)施科學(xué)的管理養(yǎng)護(hù)。對(duì)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(jì)、施工以及檢測(cè)等方面技術(shù)研究-
橋梁結(jié)構(gòu)的安全涉及橋梁設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)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(yùn)營(yíng)相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 -
橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)也是保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)手段，同時(shí)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)有正確的認(rèn)識(shí)，其不能“包治百病”，檢測(cè)和監(jiān)測(cè)都是橋梁健康狀況評(píng)價(jià)的不同技術(shù)手段，兩者應(yīng)該相輔相成，相互補(bǔ)充。
