橋梁抗倒塌能力魯棒性設(shè)計(jì)研究

陳寶春，黃冀卓，余印根

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

橋梁是跨越障礙的人工構(gòu)造物，是道路的重要組成部分。力學(xué)與計(jì)算科學(xué)、材料科學(xué)與工程、機(jī)械設(shè)備等科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，不斷推進(jìn)了橋梁技術(shù)的發(fā)展，橋梁的類型越來越多、工程規(guī)模越來越大、跨度也在不斷地增長(zhǎng)，投入使用的橋梁也越來越多。但在這個(gè)過程中，也伴隨著數(shù)不清的事故發(fā)生，乃至倒塌。在橋梁技術(shù)的發(fā)展過程中，人們經(jīng)受了太多的失敗，橋梁事故并不僅僅限于過去，在力學(xué)理論、解析方法相當(dāng)成熟完善、建設(shè)技術(shù)水平很高的今天，橋梁事故仍時(shí)有發(fā)生。

2007年以來，世界各地都相繼發(fā)生了多起程度不一的橋梁倒塌事故。以中國(guó)為例，近5年全國(guó)各地至少有20座橋梁發(fā)生垮塌事故，事故造成了上百人傷亡和失蹤。在倒塌的橋梁中，有近6成橋梁的使用年限不到20年。

對(duì)橋梁垮塌事故進(jìn)行記錄和分析，以積累教訓(xùn)、警示后人、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，這是一項(xiàng)非常重要的工作[1-2]。

造成橋梁垮塌的原因很多，但大致可分為兩類，即自然因素和人為因素。自然因素包括地震、火災(zāi)、洪水、滑坡、冰塊等自然災(zāi)害，以及長(zhǎng)期疲勞、裂縫、材料劣化、截面損傷和其他不可預(yù)見的因素；人為因素包括施工問題(施工過程中的事故、施工質(zhì)量不足引起使用中的問題)，設(shè)計(jì)缺陷(理論認(rèn)識(shí)不足、設(shè)計(jì)責(zé)任等)，超載超限，船只、火車或汽車的意外撞擊，缺乏檢查與養(yǎng)護(hù)等。

事實(shí)上，橋梁事故往往是上述幾種因素的多重作用結(jié)果。為了使內(nèi)容有所側(cè)重點(diǎn)，筆者僅從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，首先分析橋梁事故中存在的設(shè)計(jì)因素，然后針對(duì)如何提高橋梁的抗倒塌能力提出若干設(shè)計(jì)建議。

1 橋梁事故設(shè)計(jì)方面的主要原因

1.1 認(rèn)識(shí)不足

一代橋梁工程師創(chuàng)造和發(fā)展了一種橋梁設(shè)計(jì)建造理論，但對(duì)于一些特定的現(xiàn)象及材料性質(zhì)并沒有完全理解。當(dāng)這種橋型因?yàn)槟撤N原因倒塌時(shí)，下一代的工程師們就會(huì)引入一種新的理念，起初大家對(duì)于這種新的理念都非常謹(jǐn)慎，因?yàn)樗麄冎?jǐn)記著曾經(jīng)的事故，但很快，這種新的理論就被延伸到了極限，所以一切又都繼續(xù)了。

眾所周知的美國(guó)塔科馬海峽大橋倒塌事故就是一個(gè)由于當(dāng)時(shí)人們認(rèn)識(shí)水平不足而導(dǎo)致的非常經(jīng)典的災(zāi)難性案例。1940年11月7日，塔科馬海峽大橋(主跨853 m)于建成后僅4個(gè)月，在19 m/s風(fēng)速的作用下突然倒塌(圖1)。塔科馬海峽大橋的倒塌使人們意識(shí)到風(fēng)載對(duì)橋梁的危害性，進(jìn)而引起了世人對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)問題的研究。

圖1 塔科馬海峽大橋倒塌Fig.1 Collapse of Tacoma narrows bridge

1.2 設(shè)計(jì)責(zé)任

結(jié)構(gòu)安全涉及到生命安全和財(cái)產(chǎn)安全等重大問題，因此結(jié)構(gòu)工程師的責(zé)任不應(yīng)僅局限于設(shè)計(jì)出滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)，還應(yīng)能充分預(yù)估可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)出具有足夠風(fēng)險(xiǎn)防范能力的可靠結(jié)構(gòu)。

以1983年美國(guó)康乃迪克州的Mianus River Bridge倒塌事件為例[1]。該橋倒塌部分為中部的一個(gè)懸掛跨(圖2)，在設(shè)計(jì)中懸掛跨的每一角與兩側(cè)的懸臂跨是通過上下兩個(gè)栓銷和兩片吊板進(jìn)行吊掛連接，并通過緊固螺栓防止兩者發(fā)生錯(cuò)動(dòng)(圖3)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)事故的主要原因是：應(yīng)力腐蝕引起了緊固螺栓的脆斷，再加上懸掛跨與懸臂跨之間的連接橫斷面與縱橋向成45°夾角，于是在縱橋向位移作用下導(dǎo)致了橫橋向節(jié)點(diǎn)發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)，從而使吊板從栓銷處脫落，進(jìn)而懸臂跨掉落。此外，緊固螺栓蓋板的遮擋使得連接處已存在的隱患難于在歷次橋檢中被發(fā)現(xiàn)，也是導(dǎo)致事故的一個(gè)原因。

圖2 Mianus River Bridge 倒塌Fig.2 Collapse of Mianus River Bridge

圖3 Mianus River Bridge 連接節(jié)點(diǎn)Fig.3 Connection of Mianus River Bridge

Mianus River Bridge的倒塌看似是一起因鋼材應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的倒塌事故，而實(shí)際上是一起負(fù)有設(shè)計(jì)責(zé)任的事故。從上述的介紹可知，該橋中部懸掛跨為一靜定結(jié)構(gòu)，而且端部連接處的每一個(gè)受力部位都僅靠一個(gè)栓銷和一個(gè)緊固螺栓連接，無多余安全措施，于是“靜定結(jié)構(gòu)”+“節(jié)點(diǎn)無冗余”構(gòu)成了Mianus River Bridge在設(shè)計(jì)方面的缺陷和隱患。類似的缺乏結(jié)構(gòu)冗余度的設(shè)計(jì)缺陷也可在韓國(guó)漢城圣水大橋(Sungsu Bridge)垮塌事故[1]中發(fā)現(xiàn)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

2.1 結(jié)構(gòu)魯棒性簡(jiǎn)介

1968年英國(guó)倫敦的Ronan Point公寓塔樓發(fā)生煤氣爆炸，導(dǎo)致22層的塔樓局部倒塌(圖4)，造成重大人員傷亡，這一倒塌事件拉開了人們對(duì)結(jié)構(gòu)魯棒性研究的序幕。

圖4 Ronan Point公寓倒塌Fig.4 Collapse of Ronan Point apartment

魯棒性，譯自英語Rbustness，健壯和強(qiáng)壯的意思，原為統(tǒng)計(jì)學(xué)術(shù)語，也應(yīng)用于控制理論等，用以表征控制系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)攝動(dòng)的不敏感性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)魯棒性也譯成結(jié)構(gòu)整體牢固性、穩(wěn)固性、強(qiáng)健性，主要指結(jié)構(gòu)在意外作用下結(jié)構(gòu)抵抗整體倒塌的能力。

2001年美國(guó)世貿(mào)中心雙子塔在“9.11”恐怖襲擊事件中的連續(xù)倒塌，震驚了全世界，并由此引發(fā)了世界各國(guó)對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能或結(jié)構(gòu)整體牢固性能的極度重視及研究熱潮。

此后若干年間，多個(gè)國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)都相繼發(fā)布了各自的研究成果。如：美國(guó)公共事務(wù)管理局于2003年編制了《聯(lián)邦政府辦公樓以及大型現(xiàn)代建筑連續(xù)倒塌分析和設(shè)計(jì)指南》[3]、美國(guó)國(guó)防部于2005年編制了《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)》[4]、日本鋼鐵聯(lián)盟(JISF)和美國(guó)高層建筑和城市住宅理事會(huì)(CTBUH)經(jīng)過兩年多的研究，于2005年聯(lián)合發(fā)布了《高冗余度鋼結(jié)構(gòu)倒塌控制設(shè)計(jì)指南》[5]。此外，歐洲的Eurocode 1(2005)[6]中亦有對(duì)如何改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力作出了規(guī)定。

事實(shí)上早在1992年，英國(guó)《建筑規(guī)程》[7]就已將抗連續(xù)倒塌的要求納入了規(guī)范。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2394(1998)《結(jié)構(gòu)可靠性通則》[8]將結(jié)構(gòu)整體牢固性(Structural Integrity)或結(jié)構(gòu)魯棒性(Structural Robustness)定義為：“結(jié)構(gòu)在火災(zāi)、爆炸、沖擊以及各種人為錯(cuò)誤或破壞等突發(fā)事件作用下，不發(fā)生與初始破壞不成比例的大范圍倒塌的能力。”由此可見，結(jié)構(gòu)整體牢固性或魯棒性體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)對(duì)局部破壞的不敏感性。具備良好整體牢固性和魯棒性的結(jié)構(gòu)，不會(huì)由于其局部破壞而引起不成比例的大范圍連續(xù)倒塌破壞。

2.2 我國(guó)結(jié)構(gòu)魯棒性的研究

我國(guó)近30年來處于大規(guī)模的土木工程建設(shè)時(shí)期，建設(shè)了大量的房屋、橋梁等，其中不乏世界級(jí)的超高、大跨結(jié)構(gòu)。令人遺憾的是，與國(guó)外與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念相比，我國(guó)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程均未對(duì)結(jié)構(gòu)的整體牢固性或魯棒性提出具體的設(shè)計(jì)要求。而根據(jù)已有研究成果可知，按照目前我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并不一定具備良好的整體牢固性或魯棒性[9]。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計(jì)，是當(dāng)今結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)理念的重大變化與世界潮流，是人們?cè)谘慕逃?xùn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來，與傳統(tǒng)安全性、適用性、耐久性同樣重要，甚至是第一重要的設(shè)計(jì)原則。它從必須保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下不能出現(xiàn)破壞的安全性原則發(fā)展為還需在偶然作用下具有足夠的整體牢固性的原則。

建筑結(jié)構(gòu)主要為豎向傳力體系，其內(nèi)部構(gòu)件之間往往具有多重相關(guān)性，因此建筑結(jié)構(gòu)一般具有多條傳力路徑和較高的體系冗余度。與建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體系相比，橋梁的結(jié)構(gòu)體系則相對(duì)簡(jiǎn)單，其多數(shù)為單向的傳力體系，結(jié)構(gòu)冗余度低，不具備多條傳力路徑，因此橋梁的整體牢固性或魯棒性問題顯得更為突出。然而，與建筑結(jié)構(gòu)相比，我國(guó)關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性的研究則更為缺乏[10]。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計(jì)

我國(guó)目前的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范以基于承載能力極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論，已有較為成熟的計(jì)算理論與方法。相比于結(jié)構(gòu)的安全性以大量的計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)魯棒性的設(shè)計(jì)更有賴于設(shè)計(jì)工程師對(duì)魯棒性重要性的認(rèn)識(shí)、對(duì)結(jié)構(gòu)體系受力概念的理解與掌握和對(duì)構(gòu)造措施的把握，在目前規(guī)范中普遍缺乏相關(guān)規(guī)定時(shí)更是如此；同時(shí)也更有賴于設(shè)計(jì)人員的社會(huì)責(zé)任感。

橋梁設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的同時(shí)，對(duì)橋梁魯棒性設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議：①分析橋梁的易損構(gòu)件與部位，這些易損構(gòu)件與部位是否有可靠的構(gòu)造措施，是否有檢查、維修、更換的措施；②確認(rèn)易損構(gòu)件或部位發(fā)生局部破壞時(shí)是否會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連續(xù)倒塌破壞，造成惡性的事故；③分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否具有冗余，是否能構(gòu)成完全封閉的傳力體系；④分析結(jié)構(gòu)約束條件的基本假定是否滿足要求，是否在意外作用下會(huì)產(chǎn)生剛體位移。

3 橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計(jì)實(shí)例分析

結(jié)合實(shí)際工程案例，從結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施兩方面初步探討橋梁魯棒性設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)措施，希望能對(duì)廣大橋梁結(jié)構(gòu)工程師及相關(guān)專業(yè)人士有所啟迪，進(jìn)而達(dá)到拋磚引玉的效果。

3.1 中、下承式拱橋懸吊橋面系的魯棒性設(shè)計(jì)

3.1.1 主要結(jié)構(gòu)形式

在中、下承式拱橋中，梁板式橋面系的布置形式有3種，即縱鋪橋面板式、橫鋪橋面板式和整體肋板式，見圖5?？v鋪橋面板式橋面系中只設(shè)置了橫梁與吊桿連接；若將橫梁改為沿橋軸方向的縱梁，則就是橫鋪橋面板式橋面系；若橋面系中既設(shè)有橫梁又設(shè)有縱梁，而且橫、縱梁之間能形成一個(gè)整體，那就是整體肋板式橋面系。

除拱梁組合體系的橋面系以縱梁為主外，我國(guó)大多數(shù)的中、下承式拱橋的懸吊橋面系采用圖5(a)中的縱鋪橋面板式的橋面系結(jié)構(gòu)。這種形式的橋面系，結(jié)構(gòu)受力明確，施工方便。

圖5 中、下承式拱橋懸吊橋面系布置形式Fig.5 Floor system arrangements of half-through and through arch bridges

3.1.2 垮塌事故與魯棒性分析

縱鋪橋面板式的橋面系類似于搭積木結(jié)構(gòu)，沒有冗余度，整體牢固性較差，抗風(fēng)險(xiǎn)能力薄弱。橫梁的外部支承僅為吊桿，而吊桿為易損性構(gòu)件，一旦吊桿斷裂，橫梁失去外部約束后，在自重和車輛等荷載的作用下產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng)，造成橋面系落入河中，引發(fā)嚴(yán)重的車毀人亡事故。

1990年建成的四川宜賓小南門橋，主橋系中承式鋼筋混凝土肋拱橋，凈跨240 m，凈矢高48 m，矢跨比1/5。2001年11月7日，發(fā)生因部分吊桿斷裂而橫梁脫落、橋面坍塌的事故，見圖6。

類似的拱橋斷索事故還有新疆庫爾勒孔雀河大橋(2011年4月12日發(fā)生倒塌事故，如圖7)和福建武夷山公館大橋(2011年7月14日發(fā)生倒塌，如圖8)。

圖7 孔雀河大橋倒塌Fig.7 Collapse of Kongque river bridge

圖8 公館大橋倒塌Fig.8 Collapse of Gongguan bridge

對(duì)于拱橋的斷索事故，許多技術(shù)或管理人員并沒有進(jìn)行深入的剖析和反思，加上缺乏結(jié)構(gòu)魯棒性的概念與知識(shí)，盲目地質(zhì)疑鋼管混凝土拱橋的可行性與安全性，武斷地將一些橋梁評(píng)為危橋，限載、限制交通、更換不必更換的吊桿，甚至炸毀整座橋梁，帶來了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，造成了不良的社會(huì)影響。這是缺乏結(jié)構(gòu)魯棒性的概念與知識(shí)帶來的另一不良傾向。

3.1.3 魯棒性設(shè)計(jì)

與縱鋪橋面板式的橋面系不同，由于橫鋪橋面板式和整體肋板式的橋面系加強(qiáng)了縱橋向橋面系結(jié)構(gòu)間的相互聯(lián)系(這得益于縱梁的設(shè)置)，因此它們?cè)谕话l(fā)情況下(如某吊桿斷裂)，仍能通過縱向結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布很好地實(shí)現(xiàn)縱向傳力的延續(xù)性，從而保證橋面系不掉落或延遲掉落時(shí)間(為人員及車輛的撤離提供足夠的時(shí)間)，避免傷亡事故的發(fā)生。

由此可見，為了保證中、下承式拱橋的整體牢固性或魯棒性，其橋面系應(yīng)采用橫鋪橋面板式或整體肋板式，其中后者的整體牢固性最好。

鑒于此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50923—2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》[11]第7.5.1條(為強(qiáng)制性條文)規(guī)定：中承式和下承式拱橋的懸吊橋面系應(yīng)采用整體性結(jié)構(gòu)，以橫梁受力為主的懸吊橋面系必須設(shè)置加勁縱梁，并應(yīng)具有一根橫梁兩端相對(duì)應(yīng)的吊索失效后不落梁的能力。

3.1.4 既有橋梁的魯棒性加固設(shè)計(jì)

對(duì)于已建的采用縱鋪橋面板式橋面系的中、下承式拱橋，可通過加設(shè)加勁縱梁進(jìn)行加固改造，以提高橋面系的結(jié)構(gòu)魯棒性。

福州閩清石潭溪大橋?yàn)閮艨?36 m的鋼管混凝土中承式桁拱，矢跨比為1/5，橋面布置為凈-9+2×1.75 m。設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛-100，人群3.0 kN/m2。橋面系為縱鋪橋面板式〔圖9(a)〕，鋼筋混凝土土字型吊桿橫梁，其上架設(shè)鋼筋混凝土小T梁橋面板結(jié)構(gòu)。小T梁之間采用鉸接，與橫梁相交處采用混凝土濕接縫，并將部分主筋縱向相連，使縱橫梁連成整體。通過在橫梁之間加設(shè)鋼管桁架加勁縱梁〔圖9(b)〕，對(duì)橋道系進(jìn)行了改造，提高橋面系的結(jié)構(gòu)魯棒性[12]。

圖9 石潭溪大橋加固Fig.9 Reinforcement of Shitan river bridge

廣州丫髻沙大橋主橋?yàn)?6 m+360 m+76 m三跨飛鳥式鋼管混凝土拱橋。懸吊橋面系為鋼橫梁+混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)，并利用支承檢查車軌道的小型鋼梁增強(qiáng)橋面的整體性。然而，由于小型鋼梁的剛度小，起不了加勁作用，且經(jīng)過近10年的運(yùn)營(yíng)，在與鋼橫梁相接處發(fā)生聯(lián)接破壞，并擴(kuò)展至鋼橫梁。2011年進(jìn)行了采用大縱梁加勁的加固改造，提高了橋面系的結(jié)構(gòu)魯棒性。

3.2 橋梁拉索結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計(jì)

3.2.1 拉索安全性設(shè)計(jì)

橋梁拉索，包括拱橋的吊桿、系桿，懸索橋的吊索和斜拉橋的斜纜等，往往是橋梁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力構(gòu)件?，F(xiàn)代拉索多由高強(qiáng)鋼材制作，截面小、應(yīng)力幅高、疲勞問題突出、耐腐蝕性能弱，因此其極易在橋梁服役期內(nèi)發(fā)生疲勞脆性斷裂。研究表明，橋梁中拉索的壽命僅為10～40 a，甚至更低[13]。拉索斷裂將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的受力與預(yù)期的設(shè)計(jì)分析結(jié)果完全不同，進(jìn)而可能引發(fā)結(jié)構(gòu)受損甚至整體倒塌破壞。如3.1節(jié)中所述的中、下承式拱的懸吊橋道系，吊桿的破斷可導(dǎo)致局部橋面結(jié)構(gòu)的毀損和掉落；對(duì)于剛架系桿拱，系桿系的破斷將導(dǎo)致拱的水平推力的釋放，引發(fā)橋梁整體結(jié)構(gòu)的垮塌。U.Starossek將該倒塌現(xiàn)象稱之為解扣式倒塌(Zipper-type collapse)[14]。

拉索作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件，提高其安全性設(shè)計(jì)，以避免拉索的破壞，是橋梁索結(jié)構(gòu)提高其總體抗倒塌能力的重要措施，也是橋梁魯棒性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。常見的方法有：

1)設(shè)計(jì)中對(duì)拉索取用較一般構(gòu)件更高的安全系數(shù)。它與橋梁的經(jīng)濟(jì)性有關(guān)，對(duì)于中、下承式拱的吊索或系桿索，因其在整體結(jié)構(gòu)中所占的費(fèi)用不大，因此與經(jīng)濟(jì)性矛盾不大。

2)提高拉索抗腐蝕、抗疲勞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施。此外采用碳纖維索等耐久性好的材料，也是提高拉索安全性的一個(gè)發(fā)展方向，然而目前還未進(jìn)入實(shí)用階段。

3)可檢修、可更換設(shè)計(jì)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50923—2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》[11]中第7.4.1條(為強(qiáng)制性條文)規(guī)定：鋼管混凝土拱橋的吊索與系桿索必須具有可檢查、可更換的構(gòu)造與措施。

3.2.2 拉索魯棒性設(shè)計(jì)

作為橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的拉索，若能夠?yàn)槊扛魈峁┌踩珎溆盟?，以?shí)現(xiàn)拉索中拉力傳遞的多路徑，從而保證結(jié)構(gòu)在局部斷索的情況下仍能具備良好的結(jié)構(gòu)整體性和傳力的延續(xù)性，不出現(xiàn)因斷索而毀橋的事故，是拉索魯棒性設(shè)計(jì)的一個(gè)措施。該方法目前在斜拉橋中已有應(yīng)用的例子[15](圖10)。在中、下承式拱橋懸吊橋面系中的應(yīng)用也開展了研究，但尚無實(shí)際的應(yīng)用[16]。

圖10 A1型破損安全斜纜系統(tǒng)Fig.10 Failure safety cable system of type A1

當(dāng)然，這種設(shè)計(jì)在提高橋梁魯棒性的同時(shí)也將導(dǎo)致工程成本的增加，如何考慮成本與結(jié)構(gòu)魯棒性之間的平衡是一個(gè)值得深入探討的問題。

3.2.3 拉索結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計(jì)

對(duì)于大跨度的懸索橋和斜拉橋，局部某根拉索的斷裂則有可能會(huì)誘發(fā)其他拉索的漸次斷裂，進(jìn)而出現(xiàn)整座橋梁倒塌的嚴(yán)重后果。為此，在拉索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要將斷索作為一種偶然(突發(fā))荷載工況，評(píng)估橋梁的整體傳力性能和安全性。美國(guó)PTI (2007)在《斜拉橋的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和安裝推薦指南(第5版)》[17]中要求在任意一根拉索失效的情況下不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。我國(guó) JTG/T D 65-01—2007《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》[18]規(guī)定：“在斜拉橋結(jié)構(gòu)計(jì)算中，至少應(yīng)確保一根斜拉索脫落斷索后，主梁最大應(yīng)力增加不應(yīng)超過相應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)力的10%”。

對(duì)于拱橋懸吊橋面系采用整體結(jié)構(gòu)時(shí)，拉索破斷工況后，結(jié)構(gòu)受力的計(jì)算規(guī)定目前還缺乏研究。至于縱鋪橋面板無加勁縱梁的懸吊橋面系結(jié)構(gòu)，因拉索破斷將引發(fā)橋面的垮塌，如3.1節(jié)所述，結(jié)構(gòu)缺乏基本的魯棒性，不應(yīng)該允許在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)。

對(duì)于斷索工況涉及斷索位置和斷索數(shù)量的確定，美國(guó)PTI(2007)[17]在斷索工況中只考慮了任意位置處單根拉索斷裂的情況，而U.Starossek[19]則認(rèn)為只考慮單根拉索斷裂是不夠的，從突發(fā)事故(如交通事故)引起的破壞影響范圍出發(fā)，建議考慮任意10 m范圍內(nèi)所有拉索斷裂的情況。

在明確斷索工況前，有必要首先弄清斷索的原因。引起橋梁拉索發(fā)生斷裂的原因不外乎兩種：一種為應(yīng)力腐蝕引起；另一種為外在人為破壞(如車輛爆炸、撞擊、故意破壞等)引起。對(duì)于第1種原因(即應(yīng)力腐蝕)引起的斷索，由受力和環(huán)境因素決定了其破壞往往具有對(duì)稱性，不是橫橋向并排的兩根拉索同時(shí)斷裂，就是沿縱橋向?qū)ΨQ的兩根拉索同時(shí)斷裂，這種現(xiàn)象經(jīng)常能在橋梁斷索事故中看到，應(yīng)力腐蝕也是目前多數(shù)橋梁拉索斷裂的主要元兇。為此，筆者建議在涉及此類斷索分析中宜考慮至少兩根對(duì)稱拉索同時(shí)斷裂的不利工況，至于斷索位置的選擇，則建議從拉索的重要程度、易損程度及經(jīng)驗(yàn)方面考慮，如中、下承式拱橋，在主橋與引橋結(jié)合點(diǎn)處的最短吊桿易發(fā)生斷裂。至于第2種原因(即人為破壞)引起的斷索，其分析工況則可借鑒PTI(2007)[17]或U.Starossek[19]的建議。

3.3 獨(dú)柱墩橋梁的魯棒性設(shè)計(jì)

3.3.1 垮塌事故

獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋因節(jié)約城市用地、視覺通透、美觀等優(yōu)點(diǎn)在城市立交橋、高架橋等多跨連續(xù)梁橋中被廣泛應(yīng)用。這種橋梁的上部結(jié)構(gòu)抗扭約束主要由兩端的雙支座提供。由于橋梁的支座多為受壓而不受拉的支座，所以，當(dāng)結(jié)構(gòu)上雙支座中的某一支座為原點(diǎn)的向外扭矩大于恒載的抗傾覆扭矩時(shí)，另一側(cè)的支座將脫空，甚至出現(xiàn)梁體的向外轉(zhuǎn)體剛體運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的落梁事故發(fā)生。

對(duì)于平面彎橋，由于在恒載和汽車荷載等作用下，不僅有鉛垂向下作用力所產(chǎn)生的彎矩與剪力，而且還受到向外扭矩的作用。而在外側(cè)偏載的情況下，扭矩的作用更加明顯。因此，近年來平面彎梁橋梁的倒塌事故時(shí)有發(fā)生，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。2012年發(fā)生側(cè)翻事故的哈爾濱陽明灘大橋引橋(圖11)是一座直橋，在社會(huì)上產(chǎn)生了極大的影響，這也值得設(shè)計(jì)者深刻反思。

圖11 陽明灘大橋引橋傾覆Fig.11 Overturning of Yangmingtan approach bridge

事后分析表明，該橋在正常的設(shè)計(jì)荷載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生傾覆破壞。事故調(diào)查認(rèn)定該橋的破壞原因是車輛嚴(yán)重超載引起的。因此，從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)方面來說，該事故不是安全設(shè)計(jì)問題。

我國(guó)的現(xiàn)實(shí)情況是，車輛不但經(jīng)常超載嚴(yán)重，而且還不走“尋常路”(指車輛偏離橋中線行駛，導(dǎo)致橋面荷載偏心嚴(yán)重)，于是就會(huì)出現(xiàn)“設(shè)計(jì)安全的結(jié)構(gòu)+中國(guó)特色的超載=不安全”的怪象。

車輛超載是典型的中國(guó)式難題，不是一朝一夕所能解決的。因此有人提出橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)按實(shí)際超載荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是多大的超載才是應(yīng)該考慮的設(shè)計(jì)荷載、對(duì)既有橋梁的荷載提高而產(chǎn)生的天文數(shù)字的加固費(fèi)用，對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑。這個(gè)問題不是本文討論的問題，不再展開。

3.3.2 魯棒性分析

由前面討論可知，結(jié)構(gòu)安全性與結(jié)構(gòu)的魯棒性有關(guān)，但并不等同。結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)多依重于設(shè)計(jì)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，是基于設(shè)計(jì)荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性能。而結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計(jì)，是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的基礎(chǔ)上，考慮超出設(shè)計(jì)荷載的意外作用下，結(jié)構(gòu)抵抗發(fā)生災(zāi)難性事故的能力。

從結(jié)構(gòu)的魯棒性觀點(diǎn)出發(fā)，獨(dú)柱墩由于是單支座，使其不能提供抗扭能力，結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力全部依賴于兩端支座的提供。而兩端支座通常不能承受拉力，失去了支座作為抵抗剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的能力。因此，在扭矩的作用下，如果不考慮自重，并不是一個(gè)結(jié)構(gòu)而是一個(gè)機(jī)構(gòu)，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本假定條件并不成立，更談不上冗余的外部約束，也就是說結(jié)構(gòu)缺乏基本的魯棒性。

3.3.3 魯棒性設(shè)計(jì)

對(duì)于獨(dú)柱墩橋梁，結(jié)構(gòu)魯棒性的設(shè)計(jì)可考慮以下幾個(gè)措施：

1)加大兩端支座的距離，以增加自重的抗傾覆力矩并減小偏載作用下的扭轉(zhuǎn)力矩，通過增大結(jié)構(gòu)安全性，來增加結(jié)構(gòu)魯棒性的常規(guī)措施。

2)在墩頂設(shè)蓋梁以擴(kuò)大平面尺寸以設(shè)置雙支座，這樣在保持橋墩墩柱獨(dú)柱優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增加了多跨結(jié)構(gòu)的約束，對(duì)于彎橋還能明顯減小活載產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，從而提高結(jié)構(gòu)的魯棒性[20]。

3)將墩頂支座設(shè)計(jì)成固結(jié)支座，以提供抗扭約束，增大外部約束冗余作用，從而增大結(jié)構(gòu)魯棒性。

4)在兩端的墩帽上設(shè)置抗拉支座，以提供支座的抗扭力矩。

某高速公路互通B匝道橋第1聯(lián)處于R=200 m圓曲線上，為17.89 m+3×20 m+17.8 m等截面連續(xù)空心板結(jié)構(gòu)，聯(lián)端采用雙柱墩，中間采用獨(dú)柱墩(圖12)。施工時(shí)在澆筑第1聯(lián)內(nèi)側(cè)半幅橋面鋪裝層期間(兩側(cè)護(hù)欄、外側(cè)半幅橋面鋪裝層已施工完畢)，當(dāng)混凝土攪拌車行駛至外側(cè)橋面某一位置時(shí)，發(fā)生聯(lián)端內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象(約2 cm)，后隨著混凝土攪拌車退出外側(cè)橋面，內(nèi)側(cè)橋面鋪裝混凝土施工的完成，匝道內(nèi)側(cè)支座也逐漸恢復(fù)正常。在隨后進(jìn)行的動(dòng)載測(cè)試時(shí)，在外側(cè)4部車輛就位過程中發(fā)現(xiàn)0#墩內(nèi)側(cè)支座上翹22.5 mm的現(xiàn)象。

圖12 某橋B匝道橋第1聯(lián)Fig.12 First unit for B-ramp bridge

該橋第1聯(lián)連續(xù)出現(xiàn)的支座脫空狀況表明，其抗傾覆能力較差，應(yīng)采取必要的加固措施。從結(jié)構(gòu)受力分析、施工難易程度、工期等因素綜合考慮，并經(jīng)過專家論證，推薦了以下加固處理方案：在0#墩和5 # 墩的內(nèi)、外側(cè)都增加一根Φj15.24-3無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，將主梁與橋墩拉緊，在預(yù)應(yīng)力鋼絞線外加套管，使主梁在縱橋向可以移動(dòng)。該預(yù)應(yīng)力鋼絞線上端為錨固端，下端為張拉端，張拉端距承臺(tái)頂1.5 m。經(jīng)加固處理后的第1聯(lián)在外側(cè)超載的跑車試驗(yàn)下,0 # 墩內(nèi)側(cè)支座未出現(xiàn)脫空。

4 結(jié) 語

結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計(jì)是人們?cè)谖⊙慕逃?xùn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，反映了當(dāng)今結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)理念的重大變化與世界潮流，已引起世界各國(guó)的普遍重視。然而，我國(guó)在這方面的研究與實(shí)踐還不盡人意，橋梁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計(jì)還未被大部分的工程師所認(rèn)識(shí)與實(shí)踐：一方面成為我國(guó)近年來不斷發(fā)生橋梁惡性事故的一個(gè)來源；另一方面也產(chǎn)生了不是針對(duì)局部構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的魯棒性不足解決問題而帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

今天的科學(xué)技術(shù)與管理水平已完全具備了防止橋梁災(zāi)難性垮塌事故發(fā)生的能力，只要認(rèn)真負(fù)責(zé)，橋梁的橋梁垮塌事故是完全可以避免的。橋梁人應(yīng)該具有足夠的信心， 相信一定能建好橋，建好安全的橋，建好安全經(jīng)濟(jì)、適用美觀、環(huán)保低碳的橋。

對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)來說，結(jié)構(gòu)的魯棒性是防止惡性事故最重要的一個(gè)方面，需要加強(qiáng)這方面的研究與實(shí)踐。

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