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1、简支曲线箱梁桥倾覆倒塌事故分析简支曲线箱梁桥倾覆倒塌事故分析摘要摘要：2022 年 8 月 14 日、9 月 24 日发生了两起在建独柱墩曲线梁桥倾覆倒塌事故，造成了不良的社会影响。在建独柱墩梁桥施工过程中边界情况为简支，不同于运营中独柱墩梁桥，在施工过程中上部结构容易发生刚体转动导致倾覆破坏。本文以中山市西环高速横栏北互通在建钢箱梁桥整体倾覆倒塌事故为案例，进行事故原因分析，提出一种将通过重心位置与支撑连线的关系作为判断倾覆发生依据的方法，并为同类在建桥梁的事故分析提供参考。关键词：关键词：曲线梁桥，钢箱梁，简支梁桥，独柱墩，事故分析中图分类号：中图分类号：U447文献标识码：文献标识码：A
2、 A0.引言近年来，多座独柱墩梁桥发生倾覆破坏事故，造成严重人员伤亡和经济损失，其存在的安全隐患已经引起中国桥梁领域专家学者的广泛重视。国内桥梁工程相关领域研究者针对独柱墩梁桥倾覆破坏开展了大量研究。最初大部分研究者将箱梁视作刚体，以横向刚体转动理论为基础进行相关倾覆研究1-3。随着深入研究发现，以横向刚体转动计算结果高估了桥梁抗倾覆能力，彭卫兵，李盼到4-9等人提出基于变形体理论的倾覆计算方法并展开研究，但是变形体理论计算结果比较保守。彭卫兵，熊文，石雪飞10-14等人发现要进行准确的倾覆分析需要综合考虑变形体和刚体转动以及相应的几何非线性影响。现有倾覆研究大多以变形体计算理论为基础，而在建
3、独柱墩梁桥多为简支梁桥受横向约束较小，倾覆时上部结构箱梁将发生刚体转动15应使用刚体转动理论作为计算基础。本文以中山市西环高速横栏北互通钢箱梁桥整体倾覆倒塌事故为案例，基于现场事故残骸分析，结合 ABAQUS 有限元计算，进行案例桥倒塌原因调查，通过重心位置与支撑连线的关系作为判断简支梁桥倾覆发生依据的方法，为在建小曲率半径独柱墩桥梁的事故分析提供参考。1 1中山市西环高速横栏北互通倒塌事故中山市西环高速横栏北互通倒塌事故1.11.1 桥梁现场调查桥梁现场调查2022 年 9 月 24 日上午 9 时 13 分许，中山市横栏镇在建的西环高速横栏北互通 C 匝道作业现场，发生简支曲线钢箱梁掉落事
4、故。根据网上公开资料和图像识别技术显示事故桥钢箱梁横向尺寸（含翼缘板）约为 4.8m，桥跨约为 35m，曲线半径约为 95m。基于此尺寸信息并结合现场残骸，从而推得倒塌部分曲线梁各处尺寸信息如图 4、图 5 所示。为便于叙述，将箱梁左侧标注为 I 端，右侧标注为II 端。箱梁截面尺寸采用平时工程中应用的与实际工程相似的人行桥钢箱梁图纸，如图 1、2。图图 1 1 桥梁跨径尺寸示意图（桥梁跨径尺寸示意图（m m）图图 5 5 箱梁截面图（箱梁截面图（mmmm）1.21.2 事故残骸分析事故残骸分析事故发生时，匝道上钢箱梁已完成吊装工作，并未拆除桥跨下的临时支撑，上部的两箱室钢箱梁仍处于独立状态，
5、尚未焊接成一个整体。通过现场视频和照片并结合施工经验可知，钢箱梁的施工顺序为工厂预先完成两个单箱室钢箱梁的制作，运输到现场吊装至已搭建好的临时支撑上，待两个独立箱室完成焊接并形成一个完整的钢箱梁后再将支架拆除。通过以上信息总结得出该事故桥在事故发生的事故状态为简支梁桥。箱梁两侧临时支撑破坏痕迹表明，箱梁 I 端下垫钢梁呈现侧向受拉，反映出箱梁存在转动和滑动，倒塌过程中箱梁通过摩擦力将其下垫钢梁侧向拉倒；另一侧（II 端）箱梁与下垫钢梁接触空间不足，表现出落梁的痕迹，但箱梁与钢垫梁之间摩擦力不足以将钢垫梁拉倒，如图 3 所示。结合现场视频分析可知，倒塌过程中 II 端落梁先于 I 端。此外，通过
6、该项目其他段的施工照片可知，钢箱梁施工时在梁底架设防护棚，防护棚由拉杆悬吊在梁体与翼缘板连接处。图图 3 3 现场倒塌痕迹现场倒塌痕迹1.31.3 事故桥重心位置分析事故桥重心位置分析由于事故桥在事故发生前为简支梁桥，因此横向倾覆方面可以视作静定结构，可以通过重心位置与支撑连线的关系确定结构是否为转动的可变体系，当结构重心在底板 4 个端点连线外侧时，结构将发生横向转动，在转动方向成为机构发生倾覆破坏，反之箱梁不会发生倾覆。计算所得的重心如图 4 所示，重心在梯形区域外，钢箱梁会发生倾覆。另外，事故桥倒塌时横隔板还未与另一箱室的腹板连接，因此该事故桥属于开口截面，开口截面抗扭刚度较小，可能存在
7、扭转变形，将进一步加大倾覆风险。但由于箱梁内横梁的存在，简支曲线梁的扭转变形应该不大。现场实际若存在事故桥重心在支点联系内部的情况，应进一步分析扭转变形的不利影响。图图 4 4 截面重心位置截面重心位置2 2基于基于 AbaqusAbaqus 的桥梁倒塌过程模拟的桥梁倒塌过程模拟采用有限元软件 Abaqus 对案例桥进行建模分析，通过动力分析模拟事故倾覆过程，验证基于现场残骸照片得出的倾覆破坏过程。根据案例桥事故现场调研，箱梁在倾覆事故发生后仍保持较好的整体性，因此上部结构可简化为采用弹性模型进行模拟分析。采用 Abaqus 实体单元建立有限元模型，选择动力分析步中几何非线性分析。2.12.1
8、 Abaqus Abaqus 模型模型箱梁、桥墩根据施工图纸分别建立相应壳单元和实体单元，临时支架采用实体单元。临时支架和箱梁建模时取弹性模量为 E=206GPa，同时考虑模拟箱梁自重对抗倾覆的影响，取其容重为 7850 kg/m3；桥墩采用 C40 混凝土，建模时取弹性模量为 E=35Gpa，容重值为 2500kg/m3。通过对卫星图上桥梁的估计，该曲线桥半径较小，约为 95m，桥跨中心线偏离了支座连线区域；据网上残骸照片和视频推断，钢梁掉落前可能正在承受防护棚的荷载，需在有限元模型中施加，根据公路桥涵施工技术规范（JTGT3650-2020）以及路桥施工计算手册，钢箱梁下临时施工平台荷载取
9、 3kPa，施工平台宽约 8m，长约 35m，总重 840kN，掉落的钢梁翼缘与梁体连接部分承受均布荷载且折半，为 12kN/m；钢箱梁端放置在钢支架的位置较少，架设位置不利。2.12.1基于基于 AbaqusAbaqus 有限元模型的倾覆过程分析有限元模型的倾覆过程分析本节基于 Abaqus 有限元模型进行动力分析，倾覆模拟结果如图 5 所示。桥梁倾覆倒塌过程主要分为三个阶段：第一阶段，端发生刚体转动并发生滑动，随后端首先跌落；第二阶段，端的跌落带动了端桥体转动；第三阶段，最终桥面整体掉落。、两侧先后倒塌时间很短，可认为同时侧翻转动。模拟结果表明本文倾覆推测符合实际倾覆情况。图图 5 5 桥
10、梁倒塌过程桥梁倒塌过程3 3结论结论本文针对中山市西环高速横栏北互通整体倾覆倒塌事故进行事故残骸分析，并结合有限元数值模拟开展了一系列倾覆分析，由于目前尚未掌握详细的结构材料和确凿的施工过程信息，因此本文仅根据倒塌过程视频、现场照片和相似的工程图纸，对案例桥开展了事故可能原因调查，预期从中吸取经验，避免类似事故的发生，事故可能的原因如下：（1）钢箱梁属于简支曲线桥，自重和施工平台荷载导致其重心处于 4 个支撑角点连线外侧，可能是导致箱梁倾覆的主要原因；（2）钢箱梁倒塌前，如果防护棚吊装在梁体和翼缘板之间，对钢箱梁施加了一定的扭矩，加剧了曲线箱梁的倾覆风险；参考文献1姜爱国,杨志.独柱墩曲线梁桥
11、倾覆轴线研究J.世界桥梁,2013,41(4):58-61.2袁摄桢,戴公连,吴建武.单柱宽幅连续梁桥横向倾覆稳定性探讨J.中外建筑,2008(07):154-1573曹景,刘志才,冯希训.箱形截面直线桥及曲线桥抗倾覆稳定性分析J.桥梁建设,4彭卫兵,徐文涛,陈光军.独柱墩梁桥抗倾覆承载力计算方法J.中国公路学报,2015,28(3):66-725彭卫兵,潘若丹,马俊,焦斌.独柱墩梁桥倾覆破坏模式与计算方法研究J.桥梁建设,2016,46(02):25-30.6王兵见,赵航,张豪,彭卫兵,卢成原.独柱墩梁桥横向稳定计算理论与验证J.中国公路学报,2017,30(09):93-100.7李盼到,
12、马利君.独柱支撑匝道桥抗倾覆验算汽车荷载研究J.桥梁建设,2012,42(03):14-18.8 Weibing Peng,Hang Zhao,Fei Dai,Ertugrul Taciroglu.Analytical Method for Overturning Limit Analysis of Single-Column PierBridgesJ.Journal of Performance of ConstructedFacilities,2017,31(4).9 彭卫兵,程波,史贤豪,谢波.独柱墩梁桥倾覆破坏机理研究J.自然灾害学报,2014,23(05):98-106.10彭卫兵,
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14、84.1213 Xuefei Shi,Zijie Zhou,Xin Ruan.Failure Analysis of aGirder Bridge Collapse under Eccentric Heavy VehiclesJ.Journal ofBridge Engineering,2016,21(12).14 Xuefei Shi,Zhen Cao,Haiying Ma,Xin Ruan.FailureAnalysis on a Curved Girder Bridge Collapse under Eccentric HeavyVehicles Using Explicit Finite Element Method:Case StudyJ.Journalof Bridge Engineering,2018,23(3).15彭卫兵,朱志翔,陈光军,朱鸿焕.梁桥倾覆机理、破坏模式与计算方法研究J.土木工程学报,2019,52(12):104-113.收稿日期：作者简介：唐翔，高级工程师，研究方向：桥梁工程研究