独柱墩桥事故频发！有限元分析桥梁倾覆机理与加固策略

G50沪渝高速湖北鄂州段引桥桥面侧翻事故现场

2019年10月10日，一辆装载6捆钢卷的货车经过江苏省无锡市锡山区312国道上海方向k135处时，屹立于此达15年之久的跨桥桥面轰然侧翻，锡港路上的3辆汽车被掩埋。最终事故造成3人死亡，2人受伤。

据警方介绍，还有一辆大货车装载7卷，大货车荷载只有30多吨，而一卷钢卷板重量就达28吨多。两辆大货车累计超载300多吨。而记者从附近路面的交通指示牌获悉，该路段的限重只有40吨。

根据流传的现场视频来看，此次事故桥面整体发生侧翻，桥面和桥柱完好，桥面车辆和人员被翻至桥底。这与过往类似案件没有太大差别，均与超载偏载耦合作用下引起梁体转动有关。

二、一条“腿”，是原罪吗？

20世纪80年代开始，独柱墩桥的理论逐渐形成，到90年代开始初步应用，进入到21世纪后开始在国内外城市立交、公路跨线等领域得到普遍应用。

在公路桥梁建设过程中，受地形、地物、占地面积和景观等因素影响，下部墩往往采用独柱支承方式，以减少土地占用、改善下部结构布局、缓解桥梁基础与地下建筑位置冲突、增加视野及桥型美观度。而且独柱墩桥梁工程量相对较小，特别是跨线斜交时可采用较小跨径跨越，较为经济。在基建条件有限的情况下，这类桥梁往往成为唯一选择。

不过，随着我国经济不断发展，交通流量、车辆载重不断增大，特别是大型货车车辆超载现象频发，独柱墩桥梁倾覆事故也渐渐增多。近几年，独柱墩桥的安全问题也受到了学者的广泛关注。在2019年初召开的北京力学会第二十五届学术年会上，中国矿业大学学者彭世魁、罗穿云就提交了《独柱墩桥梁倾覆稳定性分析》论文，明确表示，“独柱墩桥梁横向稳定性较差，容易发生整体倾覆事故。”

横向抗倾覆稳定性不足，是独柱墩桥的先天劣势。

虽然独柱墩桥的上下部结构受力性能可满足桥梁设计规范要求，但其桥墩横向支承体系为单支点支承，在偏载作用下，结构的横向抗倾覆非常不稳定，导致桥梁整体抗倾覆稳定性的安全储备不足。这就好比一个人单腿独立很容易摔倒，双腿站立就没问题。超载车辆偏载通过只有一条“腿”的独柱墩桥时，就存在桥梁整体侧翻和墩柱被破坏的安全隐患。

倾覆无征兆、难以预防，也是独柱墩桥的劣势。

支座对梁体没有拉结作用，一旦桥梁在突发的超限荷载作用后发生扭转，梁体就会发生侧滑。在桥梁设计中，为防止梁体侧滑，一般会在盖梁两端增加2个混凝土挡块。但在梁体硕大的重力作用下，混凝土挡块起的作用非常有限。【注：支座，梁身与桥墩之间起缓冲作用的构造物。】

三、桥梁倾覆有限元分析

随着城市单墩高架桥、立交桥、匝道桥的建设，空间或运营后期存在诸多问题。由于单墩桥中墩主要由单铰支护，且单墩(独柱墩)的墩直径有限，横向布置的支座间距小，梁体自重不大，抗倾覆力矩小，导致桥梁横向抗倾覆稳定性差。因此，在超重车辆和连续多辆重型车辆的偏心荷载作用下，桥梁的横向稳定性降低，如果整座桥梁发生倾覆，事故发生前不会有任何征兆，非常危险。

应用于城市道路高架和互通式立交的连续钢箱梁桥墩柱类型与支座布置(除了墩梁固结外)通常可分为三种情况：双墩双支座、单墩双支座、单墩单支座。虽然独柱墩可以减少墩柱数量，有效利用桥下空间，特别是在匝道曲线梁桥的建设中应用比较广泛。但对于独柱式桥墩，其墩柱的截面刚度比双柱式桥墩要低，不利于桥梁的横向稳定性。

近年来，我国超载货车越来越多，单墩桥梁横向完整性差的问题越来越明显。倾覆的桥梁多为整体式箱形截面连续梁桥，按线形分类，可分为直线桥、平曲线半径较大的曲线桥和小半径曲线桥；按支承方式分类，以中间为独柱墩单支承两端为双支承的桥梁为主。

1、倾覆破坏形态

根据独柱墩桥梁的倾覆破坏形态，可分为其分为三种类型，即单侧支撑系统失效倾覆、直接侧向倾覆失稳和桥墩破坏倒塌。

• 第一类：单侧支撑系统破坏倾覆。在偏压荷载作用下，预应力混凝土箱梁中间的支座产生向上移动的趋势，中间支座的反力产生减小的趋势。由于负反力较大，梁端的一端将会脱空；另一方面，支座另一侧反力急剧增大，梁桥支座反力重新分布，造成接头端或盖梁局部损坏，最终导致独柱墩箱梁桥结构整体倾覆破坏。

• 第二类：直接横桥向倾覆失稳。同样在受到偏心荷载时，其中某一个方向的支座出现空鼓问题(空鼓问题也可能是支座老化产生)，端头转角幅度增加，梁体恒载本身的恢复力矩小于桥梁倾覆轴线外的车辆荷载力矩，促使箱梁出现严重的滚动倾覆问题。以上所述的破坏类型在支座距离较小的宽箱梁桥比较常见。

• 第三类：桥墩破坏坍塌。在偏载作用下，箱梁产生旋转的趋势，使得整个梁体倾斜，盖梁在垂直汽车载荷下产生水平方向上的位移；在这种情况下，受箱梁旋转的影响，横向力度越来越大，进而促使支座在横向方向移动趋势越来越明显。在水平力的共同作用下，箱梁和盖梁表现出水平移动特征。在一定的小角度范围内，桥墩的水平 反作用力随着箱梁角度的增加而增大，当箱梁角度增大到一定值时，桥墩会因弯曲而损坏，箱梁会坍塌。

一般而言，桥梁各墩柱的支座间距相同，结构发生横向侧翻时总是存在一个倾覆轴，随着偏载不断增大，对结构产生的往一个方向翻转的力矩也在增大，当达到并超过桥梁自身重量所能提供的抵抗翻转力矩，整体结构会发生翻转并倾覆。对于具有双支座桥墩的桥梁，同侧支座的连线就是一个翻转轴，当偏转轴外侧的偏载过大，超过主梁的抵抗力矩后，桥梁整体将绕翻转轴向偏载侧翻转。

对于连续砼桥而言，横向的倾覆问题其实并不复杂，可以通过力学和几何方法进行分析。对于正常运营的桥梁，桥宽越大，支座间距越小，桥梁越容易倾覆，反之则更安全，可以认为其抗倾覆能力主要取决于主梁宽与支座间距的比值。

连续砼桥出现倾覆破坏时，可以认为是整体的侧向翻转。在倾覆的临界状态，远离偏载侧支座早已呈现脱空的状态，因此可以认为其翻转轴是靠近偏载侧支座的连线，其抗倾覆力矩为结构自重对旋转轴的力矩，倾覆力矩为桥梁上引起倾覆的偏载对旋转轴的力矩。因此，桥梁横向稳定性系数可以取恒载的抗倾覆力矩及偏载作用下倾覆力矩的比值。现阶段比较统一的评价连续砼桥抗倾覆稳定性的指标采用抗倾覆稳定系数来衡量：

箱梁翻转轴扭转方向异侧结构重力对翻转轴的力矩即抗倾覆力矩；箱梁翻转轴扭转方向同侧结构重力和偏载的活载对翻转轴的力矩即倾覆扭转力矩。通常情况下，只要是K > 1的情况，即认为桥梁结构的横向稳定性良好，可以抵抗偏载引起的倾覆力矩。（实际上为了桥梁的抗倾覆可靠度的提升，通常会取K=2.5）

2、模型案例分析

采用ABAQUS进行动力计算，ABAQUS/Explicit是一个适用于高非线性连续介质结构分析的高级有限元程序。同时，它对高度非线性的暂态动态现象和一些非线性准静态仿真也有很好的适用性。它不仅支持应力/位移分析，而且支持ABAQUS/Explicit和ABAQUS/Standard的结合，使求解更加强大和方便。

采用三维实体有限元分析软件建立倾覆桥梁的实体模型，采用非线性求解器对倾覆过程进行求解。模型中，桥梁墩柱高度为5m，支座采用400×80型版式橡胶支座力学特性，采用只受压模拟。车辆简化为长方体。布置车辆于外侧车道，计算采用非线性静力分析方法，考虑支座脱空的边界非线性和箱梁扭转的几何非线性。通过逐级加载的形式得到结构在恒载及偏载作用下结构的倾覆历程，分析模拟分析得到桥梁倾覆现象，以此来分析桥梁倾覆机理。

3、加固策略讨论

针对既有桥梁的改进可采用增设各种类型的横向支承对桥梁进行加固，其支承原理可理解为通过增大支座间距或抗拔约束来实现设置抗扭支承的效果，可对桥梁抗倾覆能力产生明显提升。

针对既有桥梁的改进措施可采用增设横向支承，即对于含盖梁的桥梁，可直接在盖梁上加设宽度较大的支承，对于独柱墩无盖梁的桥梁可增设盖梁、抗拔约束或单墩。

增设多支撑 

单墩改多墩支撑 

单墩加强支撑

增大支座受拉间距

（完）

参考文章

[2]仿真秀App：桥梁倾覆分析讨论