独柱墩受车辆撞击应急检测与分析

独柱墩受车辆撞击应急检测与分析

郝天贤

中铁二十局集团第四工程有限公司, 山东青岛, 266000

摘要：在城市立交桥或匝道桥中车辆与桥梁墩柱的碰撞事故时有发生。碰撞事故发生后，在如何检测、评估事故对桥梁结构造成的影响与损伤是当务之急，是判断能否继续使用或是能否开放交通的依据。本文就重型货车碰撞独柱式桥墩事故，对桥梁结构外观破损、支座损伤及滑移、梁端相对位置变化等内容开展检测，结合有限元计算对于隐蔽桩基是否开裂等进行分析，综合对桥梁造成影响与损伤进行判断。对其他车辆撞击桥梁事故有一定的借鉴意义。

关键词：独柱墩；车辆撞击；检测

Emergency Detection and Analysis of Single Column Pier

Impacted by Vehicle

Hao Tianxian

(China Railway twenty Bureau Group Fourth Engineering Co., Ltd, Qingdao, Shandong, 266000)

Abstract: In urban flyover or ramp bridge, the collision accidents between vehicles and bridge pier columns occur very offen. How to detect and evaluate the impact and damage of accident on bridge structure after the collision accident is a pressing matter of the moment. It is a basis for judging whether it can continue to use or open traffic. The heavy truck collision accident damage, single column pier, on the bridge structure and appearance of the bearing damage slip, beam variation of the relative positions of other content to carry out detection, combined with finite element calculation for pile foundation of hidden cracking, comprehensive influence on bridge and damage is judged. It is of certain significance for other vehicles to impact bridge accidents.

Key words: Single column pier; Vehicle impact; Detection

独柱墩式连续梁桥具有占地面积小、整体结构美观、桥下视野广阔、能很好地适应地形限制、对桥下交通影响小以及造价低的优点，被广泛应用于城市高架桥梁和高速公路匝道桥梁[1]。但由于独柱墩通常只设置单支座，在汽车偏载作用下，独柱墩式连续梁桥的主要问题就是这种桥梁的抗倾覆能力较弱，独柱墩桥梁发生倾覆的主要位置在弯桥位置，在转弯部位若发生车辆超载，在超载力矩、桥梁自身偏心力矩及车辆离心力共同作用下极易发生倾覆。其中几个大型的事故也是由于这一原因，如哈尔滨阳明滩大桥事故、浙江上虞立交桥侧翻事故以及津晋高速匝道桥整体倾覆事故[2]，造成了一定的人员伤亡及财产损失。对于城市桥梁或是高架桥匝道桥，受到车辆撞击时有发生[3]，车辆撞击独柱式连续梁根据撞击的部位可以分为上部结构撞击和下部结构撞击两种类型。上部结构受到撞击有可能导致梁体移位、破坏甚至垮塌，下部结构在水平力作用下则可能导致墩顶支座偏移、墩底混凝土开裂等，且墩顶支座的偏移导致主梁等上部结构的中心线与支座中心偏离，在偏载的作用下产生倾覆或是损坏的可能性较大。因此，如何快速检测、确保桥梁安全的情况下尽早保障交通畅通是十分必要的。本文就以某一重卡自卸车撞击独柱曲线连续梁的墩身事故，对其检测目的、内容及结果进行分析说明，并就根据车辆的重量及规范，对车辆撞击桥墩进行受力分析，已确定隐蔽结构是否开裂进行分析。期望通过该重卡自卸车撞击桥墩事故对其他同类型的事故检测及分析进行指导。

0引言

2017年某日凌晨，某重卡自卸车因爆胎导致车辆失去控制，撞上某城市大型交桥H线1#墩后停止，重卡自卸车上装有碎石，现场详见图1和图2。受立交桥管养单位委托对此撞击事故造成桥梁损失进行检测及评估，确定是否及时开放交通。

图1 车辆撞击整体正面照                             图2 车辆撞击局部侧面照

1 应急检测

1.1被撞H1#墩概况

H线上部结构为预应力钢筋混凝土连续箱梁，全长185.935 m，分为2联，其中F2#、F6#为抗扭墩，连接采用牛腿搭接，根据跨径大小的不同，桥梁梁高为1.30 m～1.60 m。下部结构为桩柱式结构，这次被撞的H线H1#墩桩号为K1+236.945，采用桩柱式结构，H1#墩柱直径130 cm，墩柱长1160 cm，H1#桩基直径150 cm，桩基长18.8 m，总计长30.4 m。该桥设计荷载为城市-A级，桥面净宽9.5 m。H1#墩的所在桥梁立面图及横断面见图3和图4，H线平面见图5。

图3 H1#墩所在桥梁立面位置示意图（单位：cm）

图4 H线标准横断面图（单位：cm）                  图5 H1#墩平面位置示意图

1.2应急检测内容及主要结果

对因撞击受损的H线1#墩全面仔细的检查，并对损伤进行量测、记录和拍照。

（1）箱梁外观检测，经对H线上构箱梁进行检测，未发现撞击引起的位移及裂缝等病害，由此可见H1#桥墩受撞未对上构结构产生安全影响。

（2）支座检测，H线1#墩支座未发现支座损坏，未见支座相对箱梁或墩顶产生滑移及滑移痕迹，见图6。

图6 H线1#墩柱未见支座损坏及相对位移现象             图7 H线1#墩柱混凝土表面破损图

（3）H1#墩柱检测，对受撞的立交桥H线1#墩进行全面仔细的检查发现：H线1#墩2处混凝土破损，面积分别为0.46 m×0.15 m、0.19 m×0.08 m，刮痕最大深度为1.5 cm，见图7，主要为车辆撞击刮蹭所致，未见露筋、裂缝等其它病害；墩柱表面新增红色油漆及黑色物质，面积合计0.95 m2，主要为车辆刮蹭所致；墩柱倾斜度，墩柱顶部顺车撞方向偏移为2.0 mm，垂直于车撞方向偏移9.0 mm，具体结果见图8，满足规范要求，由偏移方向及量值可判断，此次撞击未引起墩柱顶端产生偏移。

图8 H1#墩倾斜度示意图

（4）其它检测，车辆在失控撞击H1#墩柱过程中，对路缘石造成了损坏，损坏的路缘石长度为3.10 m。

3 桩基、墩柱有限元模拟分析

(1) 荷载取值

根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015第4.3.2条规定，汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂截面上的冲击系数μ采用0.3。对于车辆撞击的集中力考虑冲击系数的影响。根据实测，肇事车辆的车箱内碎石的堆积容重按 考虑，车辆长宽高分别为7.55 m、2.35 m、1.5 m(实际装货高度)，车重按100 kN考虑，立柱考虑墩上主梁及车道面的重量，取集中力3000 kN。根据对立柱受损情况的现场调查，车辆撞击的主要作用点在车头保险杠处，距行车道大约1 m。则车辆撞击力F取值如下：

                           (1)

(2) 土侧向抗压刚度

根据立交桥工程设计图纸确定，地面至地面以下13.2米为均质土和均质粘土，设其侧向刚度系数为。地面以下13.2米至桩基底部为圆砾，设其侧向刚度系数为。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007中的规定计算桩基的土弹簧刚度：

                                    (2)

其中：—各土层厚度；—桩的计算宽度；—非岩石地基水平向抗力系数的比例系数；—各土层中点距地面的距离。根据设计图纸确定桩基所处土层后计算土侧向刚度为： ， 。

(3) 有限元模型

采用有限元分析软件Midas Civil建立计算模型，共分为34个节点，33个单元，有限元模型见图9和图10。计算时假定：钢筋混凝土圆形截面应变符合平截面假定；受压区混凝土应力图呈三角形分布、受拉区混凝土应力图呈梯形分布；沿圆周的单根钢筋简化为等效薄壁钢环。

图9 H1#墩受撞模型有限元分析模型      图10 H1#墩、桩有限元模型

在车撞集中力以及墩上主梁的压重组合作用下，从Midas计算模型中提取出控制截面的轴力与弯矩分别为 、 。

等效薄壁钢环壁厚为截面纵筋配筋率，为圆形桥墩截面半径，为等效薄壁钢环壁厚中心至截面圆心的距离。

混凝土应力合力对截面中心的弯矩[4]：

           (3)

其中：— C30混凝土轴心抗拉标准值；系数； —截面高度修正系数，；—截面相对受压系数。

等效薄壁钢环应力合力对截面中心的弯矩：

                            (4)

其中：—钢筋抗拉强度标准值；—钢筋弹性模量；C30混凝土弹性模量；均按照规范约定进行取值。

截面达到开裂状态时的抗弯承载力及开裂弯矩：, 荷载作用效应弯矩小于开裂允许弯矩，故截面不会产生裂缝，经现场开挖桩基，确实未发现裂缝，因此，此次撞击不影响下部结构安全。

4 H1#倾斜度对梁体倾覆影响分析

独柱墩曲线梁桥由于主梁的平面弯曲，在运营过程中主梁容易出现“弯扭耦合”效应和产生较大的扭矩。对于独柱墩连续箱梁，中墩柱多为单支座，在车辆超载和偏载的共同作用下，主梁产生很大的横向扭矩，由于独柱墩自身抗扭极弱，随着主梁扭矩的进一步加大，独柱墩墩柱所受的横向弯矩和水平剪力急剧增大，当超过独柱墩墩柱自身承载能力时将会导致主梁倾覆

[5]。针对该桥车辆撞击H1#墩柱后，墩柱顶发生倾斜导致支座中心线与主梁的中心线产生偏离，整体上墩顶支座偏移的路径是偏向曲线外侧。文献[6]对中墩主单支座设置20 cm~60 cm的往曲线外侧的偏心距，结果表明桥梁的横向抗倾覆稳定系数随着独柱墩往曲线外侧设置预偏心的增大而增大。文献[7]对比分析了设置支座往曲线外预偏心50 cm和未设置预偏心两种情况下弯桥的横向倾覆稳定性情况，结果表明预偏心的设置使弯桥的整体重心向曲线内侧偏移，导致内侧支座压力增大，从而有效地平衡汽车偏载对弯桥横向倾覆的不利作用。文献[8]结果表明中墩单支座设置合理的偏心距可以提高桥梁的抗倾覆能力，从而有效的改善联端扭矩的分布。根据文献[9-10]均表明墩顶单支座在一定合理范围内往曲线外侧偏离时，对桥梁的抗倾覆能力和改善联端扭矩的分布起到一定的有利作用。因此，对比本文H1#墩柱顶发生倾斜，在该检测结果满足规范要求的前提下，H1#墩柱单支座偏向曲线外侧，对主梁抗倾覆能力起到一定的有利作用，因而此次撞击不影响上部结构安全。

5 结语

(1) 重卡自卸车对立交桥H线H1#墩撞击，造成H线H1#墩表面油漆污物、混凝土破损及路缘石损坏，根据检测结果及撞击结构有限元模拟计算，此次撞击力不至于引起墩柱及桩基混凝土开裂，因此，未对H1线桥梁结构安全造成影响，但对结构耐久性、表观完整性及整洁有一定的影响。

(2) 由于独柱式桥结构稳定性低及水平刚度较弱，在水平外力作用作用下，易使上构梁体或墩顶与梁底产生较大的相对位移，有必要对伸缩缝位置及状态、梁底支座与梁体及墩顶垫石是否有相对滑动进行观察，以判断是否碰撞过程产生的最大位移及撞击后是否恢复变形等。

(3) 撞击部位是否有裂缝可借助肉眼进行观察，但埋在地下的桩基是否有裂缝，除开挖后进行观察外，桩基反弯点较深无法开挖观测时，采用本文推荐的方法进行计算分析，以判断地面以下墩柱及墩身是否会因撞击产生裂缝。

(4) H1#墩柱顶发生倾斜导致支座中心线与主梁的中心线产生偏离，在该检测结果满足规范要求的前提下，H1#墩柱单支座偏向曲线外侧，对主梁抗倾覆能力起到一定的有利作用，因而此次撞击不影响上部结构安全。

参考文献

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作者简介：郝天贤(1978-)，男，大专学历，工程师，主要从事路桥施工与技术管理工程(273092377@qq.com)。