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12.18湖北G50沪渝高速花湖互通匝道倾覆事故分析

2021-12-19 21:47 | 发布者: 嘻嘻哈哈 | 查看: 12012 | 评论: 0

摘要 自2009年以来,国内外发生多座独柱墩梁桥倾覆事故,它们都有一个共同的特征:脆性破坏,破坏前没有征兆,造成人员伤亡和较大的社会影响。随后交通部门也开展了大规模的独柱墩梁桥风险排查和改造。

2009年以来,国内外发生多座独柱墩梁桥倾覆事故,它们都有一个共同的特征:脆性破坏,破坏前没有征兆,造成人员伤亡和较大的社会影响。随后交通部门也开展了大规模的独柱墩梁桥风险排查和改造。

202112181542分,位于湖北省大广高速与沪渝高速花湖互通枢纽D匝道垮塌,3辆货车侧翻,事故造成4人死亡、8人受伤。从现场拍摄视频可知侧翻匝道桥为典型独柱墩钢箱梁桥,且在两侧桥台位置采用了抗倾覆加固措施。在此我们对这一事故深表痛惜,对事故遇难人员表示沉痛哀悼。

2009年津晋匝道桥

2011年上虞春晖桥

2012年哈尔滨鸿福匝道

1995年日本阪神地震

2015年广东赣粤桥

国内外典型倾覆事故(以上图片部分来源于网络)



交通部门发布整治独柱墩梁桥相关文件






一、事故分析

1.1 桥梁尺寸信息确定

根据事故发生地点于地图中精准定位,并根据地图中相关比例尺信息确定桥跨长度。在全景地图中可以确定两道细线为伸缩缝位置,同为桥跨两端,且下方有两道宽阔绿化带可认定为桥梁独柱墩所处位置,见图5。根据以上位置信息,得出事故匝道桥为37.5m+50m+37.5m三跨连续独柱墩钢箱梁桥,见图6

全景地图相关信息提取(于Google Map截图修改)

匝道桥大致尺寸平面图(单位:mm,课题组成员绘制)

根据网上公开资料显示事故匝道桥横向尺寸约为13m,基于此尺寸信息并结合现场残骸照片,通过图中对应距离关系换算为箱梁截面实际尺寸,可知梁宽13m,高1.8m,两侧悬臂长2.5m,端部高0.2m,根部高0.5m,具体见图7~9

残骸测量尺寸(网络视频截图修改)

换算后残骸实际尺寸(网络视频截图修改)

箱梁横截面尺寸信息图(单位:mm,课题组成员绘制)

1.2 事故残骸分析

从湖北省交通运输厅、湖北省公安厅等部门获悉,死亡人员中有两名为现场施工人员,且事故发生后地面散落锥型警示筒,可知事故发生时该匝道桥正在进行桥梁养护维修等工作,并对超车道进行封道处理。根据货车老板回应,三辆货车装载的货物宽度有4.5m,为避让桥上工作人员车辆必然驶入应急车道并顺序驶入该匝道桥。其中首行的22轮货车(货车一:陕AN0257)装载了184吨换热器油箱,车货总质量198吨,后方还有两辆货车紧跟推进。当三辆货车完全行驶至匝道桥上时发生倾覆事故,事故后现场车辆位置如图10~11所示。

10 事故车辆位置图(网络视频截图修改)

11 事故车辆位置信息(课题组成员绘制)


据悉,花湖互通匝道桥已进行抗倾覆加固,事故现场视频可明显观察到抗倾覆构造,如图12所示。从残骸发现,倾覆侧抗倾覆构造已从盖梁脱落,非倾覆侧与主梁梁底脱离,推测是箱梁与抗倾覆措施连接处发生了焊缝的强度破坏。

从栗勇[1]等关于独柱支承梁式桥抗倾覆构造措施研究中可知,C型抗倾覆构造措施适用于独柱支承梁式桥的边墩、桥台,其对主梁抗倾覆能力贡献的大小取决于抗震构造措施本身的竖向承载力及其横桥向布置间距。C型抗倾覆构造措施一端与预埋在混凝土箱梁的钢板连接或与钢箱梁底板焊接,另一端与桥墩(台)盖梁连接。C型抗倾覆常见构造措施见图13。一般的情况下如果弯桥上述抗倾覆构造可以控制住箱梁刚体位移,是可以提升抗倾覆稳定系数,达到抗倾覆的效果。

12 匝道桥抗倾覆措施(在网络视频截图上标注文字)

13 C型抗震构造措施


二、数值分析

综合上述信息对花湖枢纽D匝道开展数值分析。由于目前尚未掌握详细的结构材料、尺寸信息,结合以往倾覆事故调查经验对结构开展初步的抗倾覆承载能力评估,仅为事故原因调查提供参考。

采用Midas建立倾覆事故案例桥模型,如图14所示。根据事故报道情况,桥梁上部结构为采用钢箱梁,支座采用盆式橡胶支座。根据设计经验,初步推断上部结构线重度在110 kN/m左右,支座按常规三跨梁桥布置,桥梁其他结构信息均采用现场图像调查结果。

14 Midas模型示意图


由于事故桥已进行抗倾覆加固,在支座脱空后抗倾覆措施将作为结构抗倾覆安全储备,为上部结构提供额外的竖向拉力,提升结构的抗倾覆性能。因此,将抗倾覆措施所需提供的最小竖向抗拉力作为依据进行结构验算,计算结果如表1所示。其中规范车道荷载验算采用《公路桥涵设计通用规范》规定的标准车道荷载进行验算,事故荷载偏大考虑,按三辆车质量分别为198吨、30吨、30吨考虑,事故车辆按照车头宽度2.5m考虑,荷载均布置在应急车道。

1 事故桥梁抗倾覆承载力验算

计算工况

失稳效应

所需最小竖向抗拉力(kN

规范车道荷载验算

3299.0

660

事故车辆荷载验算

5964.2

410

结果表明,当满足2.5的抗倾覆稳定系数时,加固采用的抗倾覆构造需至少需要提供竖向抗拉承载力660 kN,而在实际事故荷载下支座竖向力约为410kN,即本桥若满足2018新规范抗倾覆规范条文,加固的抗倾覆构造应能抵抗根据当前搜集到的事故车辆轴重分布和总重产生的作用在抗倾覆构造上的拉力荷载效应,可能存在加固措施并未完全实现倾覆规范条文所需预定功能。根据事故现场痕迹(图12),C型抗倾覆结构与钢箱梁底板采用焊接的形式连接,侧面角焊缝施工难度也大,应确认连接有效性是否存在问题,或是构造的抗拉承载力设计是否满足规范要求,尚需要更详细的事故调查。


三、对于控制倾覆破坏的思考

如何从根源上避免倾覆问题的发生,进行合理的抗倾覆设计与加固是值得思考的问题。课题组在多年桥梁倾覆事故调查的基础上,提出了强倾弱弯梁桥设计准则[2],避免脆性的倾覆破坏发生在延性的强度破坏之前。本次花湖互通枢纽匝道垮塌,上部结构钢箱梁完全没有发生破坏,也进一步说明该桥加固后上部结构的强度和抗倾覆承载力不匹配。

首先,什么是强倾弱弯?

这是基于结构抗弯承载力与抗倾覆相匹配的思路,在同样任意随机不确定的车辆超载作用下,如果发生破坏应使梁桥受弯破坏先于倾覆破坏,即抗倾覆承载力大于抗弯承载力。

对于通用的曲线梁桥,需要计算曲线梁的空间扭转后进行变形体滑动验算,考虑到直线桥一侧支座脱空发生在上部结构滑动之前,且滑动时上部结构横向转角较小。本研究以直线梁桥为例,以远离荷载侧支座脱空为临界倾覆状态,偏安全的按连续梁计算非脱空侧支座反力,进而计算抗倾覆承载力,具体抗倾覆承载力如下:

倾覆的荷载效应计算公式如下:

抗弯承载力:为钢筋超配系数与典型截面弯矩设计值的乘积,对于某些重要桥梁的关键截面可取实际抗弯承载力的标准值,具体计算公式如下:

式中:FGY——弯矩荷载常数;

g0——结构重要性系数;

gG——永久荷载作用分项系数;

gQ——汽车荷载分项系数;

n——车道数;

1.1——钢筋超配系数;

qGk——上部结构自重集度,考虑铺装、栏杆等;

qQk——公路—I级车道荷载均布荷载标准值;

P——公路—I级车道荷载集中荷载标准值。

那么,如何实现强倾弱弯?

1)定义超载系数:桥梁发生破坏时实际所能承受的规范标准车道荷载倍数。倾覆破坏时的超载系数记为k,由计算公式MOMRO得到;发生强度破坏时的超载系数记为χ,由计算公式MCkMRC得到。

2)强倾弱弯设计准则:不确定的车辆超载作用下满足如下关系:χk

具体计算流程如图14所示,在倾覆最不利工况下分别计算超载系数。若满足强度超载系数小于倾覆超载系数,则结构满足强倾弱弯设计准则;不满足时考虑调整桥梁结构,提高结构抗倾覆承载力后重新验算。

14强倾弱弯设计流程图


四、结论和建议

此次花湖互通匝道桥倒塌是首例在采用抗倾覆构造措施之后仍发生倾覆的桥梁倒塌事故,值得系统总结以为后续的抗倾覆加固措施的评判提供依据,由于没有去现场,我们无法对事故的原因给出较为准确的结论,以下几点建议供事故调查组和桥梁管养部门参考。

(1)   倾覆措施与钢梁的连接采用侧面角焊缝连接,加上施工难度大,焊接承载力不易得到保证,建议检查此类抗倾覆加固措施的焊接是否到位,确保连接有效性。

(2)   关注此类抗倾覆加固措施钢结构及其连接焊缝的疲劳性能,在静力荷载作用下满足结构的抗倾覆性能,不意味在钢结构发生疲劳损伤后,强度仍能满足抗倾覆的要求。

(3)   建议加强抗倾覆构造措施采取实时监测,及时发现部分构造措施强度退化后导致抗倾覆的功能不能正常发挥。

(4)   由于钢箱梁结构自重相对于混凝土箱梁更轻,在曲线梁桥中,更容易发生支座脱空和倾覆,需对独柱墩钢箱梁结构加倍关注。

(5)此次事故2个偶然事件叠加的结果,首先是在桥梁养护维修导致车辆进入应急车道,其次进入的是载重量较大的大件车,形成了梁桥抗倾覆最不利的荷载布置,并最终导致桥梁倾覆。

 

 

参考文献:

[1]栗勇,刘一平.独柱支承梁式桥横向抗倾覆构造措施研究[J].世界桥梁,2014,42(01):50-54.

[2]彭卫兵,朱志翔,谭超,李翠华,万华平,袁万城.强倾弱弯梁桥设计准则研究[J].中国公路学报,2021,34(02):155-161.


以上工作由浙江工业大学彭卫兵教授、浙江工业大学青年教师李翠华博士以及9位研究生朱志翔、杨利斌、金瑞雨、章宏辉、徐梦喆、徐猛梁、黄晨露、张明见、李珉合作完成。限于本团队的认知水平,文中可能有很多不当之处,敬请批评指正。

附:彭卫兵团队近年来关于梁桥倾覆研究的相关论文

1 相关论文研究成果

论文题目

刊名、年份、()

成果简介

1. 独柱墩梁桥倾覆破坏机理研究

自然灾害学报, 2014.23(5)

提出独柱墩梁桥倾覆三阶段破坏过程和基于Abaqus计算独柱墩梁桥倾覆。

2. 独柱墩梁桥抗倾覆承载力计算方法

中国公路学报, 2015.28(3)

建立了基于变形体的倾覆计算方法,突破了基于刚体转动计算独梁桥倾覆的不足被评为中国公路学报年度优秀论文和中国科协评选的98篇第四届优秀科技论文之一

3. 独柱墩梁桥倾覆破坏模式与计算方法比较研究

桥梁建设,2016.47(2)

系统归纳总结了独柱墩梁桥倾覆破坏模式,证明了基于刚体转动理论计算倾覆的不足

4. Analytical Method  for Overturning Limit Analysis of Single-Column Pier Bridges

Journal of  performance of constructed facilities (ASCE).2017,31(4)

采用能量法并结合傅立叶多项式展开,构建多点支撑下小挠度曲线箱梁倾覆计算模型,并提出有限度抗扭支座模拟支座尺寸的影响。

5. 独柱墩梁桥横向稳定计算理论与验证

中国公路学报, 2017.30(9)

综合考虑变形体转动、刚体转动及箱梁大转动对桥梁倾覆的影响,提出新的计算方法,可偏安全的计算梁桥的抗倾覆承载力。

6. 梁桥倾覆机理、破坏模式与计算方法研究

土木工程学报, 2019,52(12)

提出倾覆破坏的实质是刚体与变形体转动的耦合,总结梁桥倾覆的3个阶段和4种可能的破坏模式,建立与破坏模式相适应的倾覆计算方法。

7. 强倾弱弯梁桥设计准则研究

中国公路学报, 2021,34(02)

提出了强倾弱弯的设计准则,以三跨连续梁为例确定了抗倾覆最不利的活载布置方案,系统推导了强倾弱弯的计算公式,进一步给出超载系数的快速计算公式。

8. 无锡市312高架桥倾覆事故分析

工程力学,2021,38(09)

基于无锡桥事故现场残骸照片及施工图纸,建立考虑几何非线性的有限元模型,进行倾覆破坏机理研究,提出了基于强度和倾覆稳定效应的超载判定方法



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