蔡憲棠

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州510060）

城市鋼橋撞損搶險分析與實踐

蔡憲棠

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州510060）

對于城市橋梁來說，車輛撞擊是一個高概率事件，不僅對橋梁本身安全造成重大威脅，甚至可能影響到橋下的通行安全。目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁撞擊模擬、防撞設(shè)計進(jìn)行了較為全面的研究，但對于重大撞擊事故的技術(shù)處理卻鮮見報道?，F(xiàn)結(jié)合某城市鋼箱梁人行天橋撞損事故，從事故應(yīng)急處理措施、結(jié)構(gòu)受損模擬分析、永久修復(fù)設(shè)計等幾個方面作一詳盡的介紹，以期對城市鋼橋搶險設(shè)計提供參考。

鋼橋；撞損；搶險；加固

0　引言

隨著城市交通的快速發(fā)展，大量立交、天橋應(yīng)運而生，但伴之而來的是橋梁撞擊事故的不斷發(fā)生，嚴(yán)重威脅了交通運營，甚至眾多生命財產(chǎn)的安全。據(jù)統(tǒng)計，北京50%的橋梁上部結(jié)構(gòu)曾遭超高車輛撞擊，由此損壞的橋梁占已損壞橋梁總數(shù)的20%以上[1]。即使在發(fā)達(dá)國家，橋梁撞擊事故發(fā)生的概率也相當(dāng)驚人，據(jù)相關(guān)研究資料顯示，在美國，約61%的立交橋主梁結(jié)構(gòu)曾受到過超高車輛撞擊[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁撞擊損傷分析及仿真模擬、防撞設(shè)計等方面進(jìn)行了較為全面的研究[3]～[7]，但對于重大撞擊事故的技術(shù)處理卻鮮見報道。

由于撞擊機(jī)理的復(fù)雜性、管理機(jī)制不健全等多方面的因素，現(xiàn)階段橋梁遭受撞擊并受損，仍屬于高概率事件。

橋梁遭受撞擊可能造成嚴(yán)重的事故，使橋梁結(jié)構(gòu)損傷破壞、承載力下降，若處置不當(dāng)、不及時，甚至引發(fā)二次事故。因此，積累橋梁遇到撞擊事故后的受損類型和處理經(jīng)驗，進(jìn)而總結(jié)不同情況下事故技術(shù)處理的適用方案，對于提高社會應(yīng)急能力、最大程度地保障眾多生命財產(chǎn)安全具有較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1　工程簡介及險情介紹

本文結(jié)合某城市鋼箱梁人行天橋撞損事故，對相關(guān)技術(shù)問題與處理措施進(jìn)行分析。

該人行天橋位于城市交通繁忙的干道路口，是配合道路改造解決兩條干道之間的汽車與行人、自行車的直道干擾，以保證交通順暢、增加汽車流量，使該路段的緊張交通得到一定程度的緩解；同時確保行人與自行車的安全。該工程建成于1993年。

主梁為封閉式的環(huán)形鋼梁，半徑為26 m（見圖1），橋面寬5 m（含欄桿），單箱雙室截面，箱梁高1.0 m，底板寬2.84 m；下部為D1.2 m圓柱墩，墩梁固結(jié)。

圖1　天橋平面示意圖

樓梯為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面寬3.2m（含欄桿），下部為D0.8 m的圓柱墩。

設(shè)計人群荷載：3.5 kPa，鋼結(jié)構(gòu)采用A3鋼材。

由于一輛超高重型車輛撞擊人行天橋主橋鋼箱梁底部，結(jié)構(gòu)整體及局部均受到較嚴(yán)重的破壞。接到險情后，立即組織檢測單位對該橋進(jìn)行應(yīng)急檢測。根據(jù)檢測報告，撞擊造成的主要破損為鋼箱梁底板及腹板局部缺損、變形，如圖2、圖3所示，局部缺損處呈兩個半橢圓形狀的孔洞，左邊半橢圓高約0.25 m、寬約0.6 m，右半橢圓高約0.2 m、寬約0.4 m，沿底板方向?qū)捈s1.3 m。由于梁體破壞位置在結(jié)構(gòu)跨中處，正彎矩最大，而梁底板、腹板的破壞極大地降低了跨中截面的剛度，使局部截面應(yīng)力增大，若不進(jìn)行處理，在不利工況下可能引起更進(jìn)一步的破壞甚至斷裂事故。

圖2　鋼箱梁破損實景（一）

圖3　鋼箱梁破損實景（二）

同時，還發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的病害有：3#墩、4#墩伸縮縫附近橋面鋪裝開裂、拱起，伸縮縫及兩側(cè)混凝土有一定破損；4#梯道與主梁接縫處梁體破損露筋，并伴有局部裂縫。初步判斷為3#～4#墩跨梁體被車輛撞擊所致。

由于該橋主橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)被車輛撞擊，梁體缺損非常嚴(yán)重，存在重大的安全隱患，根據(jù)規(guī)范相關(guān)條款規(guī)定，對該橋直接被評定為E級（危險）。

2　搶險方案設(shè)計

該項搶險的原則為：（1）在因地制宜的前提下，采取合理的措施，安全快速消除危險；（2）搶險工程在進(jìn)行期間盡量減小對橋下行車、橋上行人交通的影響；（3）充分考慮施工期間的施工人員及橋下行車安全。

該項搶險的目的：（1）減小破損位置主梁內(nèi)力，保證修復(fù)前橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全；（2）對主梁破損部位進(jìn)行局部修復(fù)，保證主梁修復(fù)后的正常運營。

根據(jù)該項搶險的原則及目的，搶險措施分兩個階段。

第一階段，排除險情，減小荷載：

（1）對3#、4#墩跨主橋和兩墩之間的5#梯道進(jìn)行隔離，禁止通行，以減小受損跨梁體活荷載，而對于影響較小的1#、2#梯道保持通行，以盡量減小對橋上交通的影響。

（2）通過設(shè)置臨時墩，減小荷載。若對主梁梁體設(shè)置臨時墩，可減小跨徑，但需在橋下車道上設(shè)置，對橋下交通影響較大，且對主橋進(jìn)行頂升容易對受損部位梁體產(chǎn)生過大的擾動。由于梯道牛腿設(shè)置于該跨1/4跨徑處，通過頂升3#、4#墩之間的梯道，也可卸載梯道對該段主梁結(jié)構(gòu)的豎向局部作用，減小跨中彎矩。

（3）主梁兩側(cè)花槽擱置于箱梁翼板上，通過卸載3#、4#墩跨主橋和兩墩之間的5#梯道花槽，以減小自重。

第二階段，永久修復(fù)：

對破壞的主梁部位進(jìn)行修割、平整，對主梁進(jìn)行修復(fù)設(shè)計。最后拆除臨時墩，恢復(fù)綠化，并對全橋其他病害進(jìn)行處理。

3　橋梁應(yīng)急處理有限元分析

在該項搶險應(yīng)急處理中，采用了多種方法降低橋梁荷載，以保證主梁修復(fù)前結(jié)構(gòu)的安全。

基于MIDAS CIVIL軟件，采用空間梁單元模擬并評估橋梁結(jié)構(gòu)受損狀態(tài)及處理效果[8]。圖4為其有限元模型。

圖4　有限元模型

邊界條件為：主梁在墩頂處與橋墩剛性連接（耦合6方向約束），樁基礎(chǔ)考慮為承臺底三倍樁徑處固結(jié)。考慮的荷載包括：主梁自重、二期恒載（花槽、欄桿、橋面鋪裝、橫隔板等）、梯道作用力、人群荷截、支座沉降、溫度荷載等。

由于箱梁底板、腹板在局部區(qū)域完全破壞，在箱梁破壞模擬階段，該區(qū)域梁段不考慮相應(yīng)底板及腹板的作用，該區(qū)段截面特性存在突變。

在標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)作用下，原設(shè)計狀態(tài)箱梁跨中截面最大組合應(yīng)力為52.6 MPa，墩頂箱梁截面最大組合應(yīng)力為135 MPa。箱梁截面最大剪應(yīng)力為11.3 MPa。均滿足規(guī)范要求。

進(jìn)行跨中局部破壞狀態(tài)驗算，跨中箱梁截面最大組合應(yīng)力為90.7 MPa，墩頂箱梁截面最大組合應(yīng)力為136 MPa。箱梁截面最大剪應(yīng)力為11.3 MPa?？梢钥闯觯谠摴r下，應(yīng)力滿足規(guī)范要求，但跨中應(yīng)力較原橋狀態(tài)急劇增大，為策安全，防止破壞進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)對該跨主梁進(jìn)行應(yīng)急處理。

在應(yīng)急處理狀態(tài)下（對天橋進(jìn)行限載、卸載花盆、頂升5#梯道處理）進(jìn)行驗算，跨中箱梁截面最大組合應(yīng)力為45.6 MPa，墩頂箱梁截面最大組合應(yīng)力為97.3 MPaa。箱梁截面最大剪應(yīng)力為9.2 MPa。均滿足規(guī)范要求，且跨中應(yīng)力有較大改善，回復(fù)到與原橋設(shè)計值同一水平。

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)跨中部分梁體破損后，對墩頂處組合應(yīng)力、剪應(yīng)力影響不大，但跨中組合應(yīng)力急劇增大。應(yīng)力指標(biāo)都滿足規(guī)范限值，可以不采用在跨中車道處設(shè)置臨時支撐、封閉橋下交通等對區(qū)域交通影響較大的方案。但考慮到跨中應(yīng)力較原設(shè)計值增幅較大（增大72%），且計算很難完全模擬出橋梁的整體受損情況，為防止受損進(jìn)一步擴(kuò)大后對結(jié)構(gòu)承載力更加不利，通過對天橋進(jìn)行限載、卸載花盆、頂升5#梯道的應(yīng)急處理，使天橋跨中應(yīng)力水平有較大的改善。通過分析，使應(yīng)急方案在盡可能小地影響道路交通的同時，保證了修復(fù)期間結(jié)構(gòu)的安全。

4　永久修復(fù)設(shè)計

4.1鋼箱梁梁體修復(fù)

梁體撞擊受損一般分為整體破壞和局部型破壞。由于該天橋墩梁固結(jié)，且為圓盤型整體布置，橫向剛度較大，因此在受到撞擊后產(chǎn)生了較大的沖剪作用，破壞表現(xiàn)即為區(qū)域鋼材屈服。

對鋼箱梁梁體的修復(fù)一般采用焊接或螺栓連接的方式將加固材料與原截面固定。焊接連接更為美觀，但該橋局部區(qū)域進(jìn)行修復(fù)存在焊縫復(fù)雜且較多交錯點的情況；同時底板焊縫需進(jìn)行仰焊，焊縫質(zhì)量較難控制；且焊接熱應(yīng)力也會影響構(gòu)件應(yīng)力，對于已嚴(yán)重受損且無跨中支撐的情況，風(fēng)險較高。因此，對于梁體內(nèi)橫隔板與橫隔板之間、橫隔板與腹板及底板之間，采用焊接連接，而對于底板與底板、腹板與腹板之間，則采用高強(qiáng)螺栓夾板的方式進(jìn)行修復(fù)，如圖5所示。修復(fù)前應(yīng)把屈曲變形的鋼板進(jìn)行切割修整，鋼材摩擦面進(jìn)行噴砂處理,。箱梁修復(fù)后效果如圖6所示。

處理后，破損處原有底板的彎曲正應(yīng)力，由高強(qiáng)螺栓與加固鋼板共同承受。應(yīng)進(jìn)行高強(qiáng)螺栓抗剪承載力及受螺栓孔削弱截面后的鋼板連接件承載力驗算。

圖5　高強(qiáng)螺栓連接示意圖（梁體側(cè)面）

圖6　修復(fù)后箱梁外觀實景

4.2梯道裂縫及伸縮縫修復(fù)

由于車輛撞擊時，在主梁與梯道連接處產(chǎn)生了較大的瞬時內(nèi)力，使伸縮縫及周邊混凝土產(chǎn)生了一定的破壞，局部產(chǎn)生了一些裂縫。

對于混凝土梁體裂縫，處理方法如下：對于裂縫寬度小于0.15 mm且裂縫深度較淺的細(xì)小裂縫采用裂縫封閉膠進(jìn)行涂刷表面封閉處理；對于裂縫寬度大于等于0.15 mm的，采用壓力灌注法處理。

對于伸縮縫堵塞，以及兩側(cè)混凝土破壞的伸縮縫應(yīng)根據(jù)伸縮縫的使用情況分兩類進(jìn)行處理。

若伸縮縫完好無損壞，僅兩側(cè)混凝土破壞或不平整，則無需更換伸縮縫，應(yīng)小心鑿除兩側(cè)混凝土，避免損壞鋼構(gòu)件，鑿除完畢后檢查錨固預(yù)埋件與鋼筋；若有缺損時應(yīng)補(bǔ)植連接鋼筋或進(jìn)行補(bǔ)焊。均勻涂抹防水材料后，再澆鋼纖維混凝土并與路面抹平。

若橋梁伸縮縫破損，變形嚴(yán)重，功能失效，則需整體更換處理，鑿除兩側(cè)槽口混凝土、鋼筋等錨固件。對于錨固預(yù)埋件或鋼筋有缺損時應(yīng)補(bǔ)植連接鋼筋，伸縮縫連接筋與錨筋采用焊接連接，應(yīng)保證有效搭接長度，不得采用點焊焊接。

4.3修復(fù)效果

橋梁修復(fù)完成后，應(yīng)對橋梁進(jìn)行荷載試驗，以保證修復(fù)效果滿足要求。試驗結(jié)果表明：橋梁進(jìn)行修復(fù)后，結(jié)構(gòu)剛度、承載力均回復(fù)到破壞前的同一水平，且滿足設(shè)計使用要求。橋梁卸載后的應(yīng)力及變形都得到了恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，修復(fù)完成后滿足正常使用要求。

5　結(jié)論

（1）城市橋梁撞擊破壞事故發(fā)生后，應(yīng)第一時間組織檢測單位對橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)急檢測，了解破損情況、部位，并組織專家進(jìn)行初步評估，必要時須封閉橋上、橋下交通，以防止二次災(zāi)害的發(fā)生。

（2）搶險設(shè)計宜分為應(yīng)急處理及永久修復(fù)兩個階段進(jìn)行。

（3）應(yīng)急處理階段可對橋梁破損狀況進(jìn)行必要的模擬計算分析，并采取有針對性的措施減小荷載、排除險情。根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)跨中組合應(yīng)力較破損前急劇增大，但應(yīng)力指標(biāo)滿足規(guī)范限值，可以不采用在跨中車道處設(shè)置臨時支撐、封閉橋下交通的方案，減小了對區(qū)域交通的影響。

在該項目中采取對天橋進(jìn)行限載、卸載花盆、頂升5#梯道處理等措施，經(jīng)有限元計算和實踐結(jié)果表明，應(yīng)急處理措施對橋梁應(yīng)力有較大的改善，保證了修復(fù)期間結(jié)構(gòu)的安全。

（4）對鋼箱梁梁體局部破壞的修復(fù)可采用焊接或螺栓連接的方式將加固材料與原截面固定。該項目根據(jù)各部位受力特點及修補(bǔ)線交錯情況，對于梁體內(nèi)橫隔板與橫隔板之間、橫隔板與腹板及底板之間，采用焊接連接；而對于底板與底板、腹板與腹板之間主要受力構(gòu)件，則采用高強(qiáng)螺栓夾板的方式進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后梁體受力狀況良好。

（5）對于混凝土梁裂縫處理，可根據(jù)裂縫寬度采用裂縫封閉膠進(jìn)行涂刷表面封閉處理，或采用壓力灌注法處理。

（6）橋梁永久修復(fù)作業(yè)完成后，應(yīng)對橋梁進(jìn)行荷載試驗，評估應(yīng)力、剛度等指標(biāo)，以檢驗修復(fù)效果。

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馬尾大橋最大承臺完成澆筑 計劃2017年底通車

馬尾大橋是福州新區(qū)重點配套路橋項目，其最大主墩承臺近日完成澆筑，整個工程計劃2017年底全線通車。

馬尾大橋及南北接線工程南岸起點為在建環(huán)島路，北岸終點與機(jī)場二期高速相接。其中，道路全長6.38 km，南岸接線長約1.9 km，北岸接線長約2.8 km，跨江段橋長1.68 km。馬尾大橋橋面寬度為42.5 m，設(shè)雙向8車道。

目前，馬尾大橋跨江段樁基累計完成110根，占比42%。北接線工程中，樁基完成225根，占比36%；承臺完成50個，占比20%；墩身完成17個，占比7.56%。馬尾大橋主跨橋洞達(dá)到240 m，創(chuàng)下國內(nèi)同類橋梁的新紀(jì)錄，可滿足1 000 t級海輪通航標(biāo)準(zhǔn)。其最大主墩承臺混凝土方量達(dá)到5 136 m3。該承臺長40 m、寬21.4 m、高6 m，要插6 117根鋼筋。

目前馬尾與南臺島隔江相望，從馬尾前往火車南站、三江口一帶，要繞行魁浦大橋或者鼓山大橋。待馬尾大橋建成后，上述兩個區(qū)域就可快速連通。

U447

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1009-7716（2016）02-0107-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.028

2015-10-12

蔡憲棠(1985-)，男，福建寧德人，工學(xué)碩士，工程師，從事橋梁工程設(shè)計工作。