湖北高速大桥事故反思：独柱墩桥屡屡倾覆，一条“腿”是原罪吗？
混凝土 瞭望智库 2021-12-22
加强桥梁的监控与维护、治理超载才是根本。
12月18日，位于湖北省鄂州市境内的沪渝高速沪渝向转大广高速匝道桥发生桥梁侧翻，截至当日已造成4人死亡、8人受伤。事发大桥路权方称，引发此次事故的货车从陕西临潼入站上高速，载重198吨，超载400%。
▲2021年12月19日，航拍G50沪渝高速湖北鄂州段引桥桥面侧翻事故现场来源/中新社
据了解，事发桥梁为独柱墩桥，而这并不是独柱墩桥首次发生事故。
▲2019年10月10日，江苏无锡，312国道上海方向锡港路上跨桥路段出现桥面垮塌来源/人民视觉
独柱墩桥为什么会屡次垮塌？它安全吗？
1、倾覆频发
1995年，日本大阪神户都市圈发生7.2级地震。因日本建筑物抗震设计较好，地震中倒塌的房屋数量不是很多，但阪神高速公路神户线独柱墩桥却发生整体倾覆——600多米的独柱墩桥整体向一侧倒塌，桥墩根部混凝土完全压溃，钢筋屈服。
▲1995年1月17日，日本阪神大地震震后航拍图。
不仅在日本，近十年来，我国也发生多起独柱墩桥倾覆事故。
2009年7月15日，津晋高速公路港塘收费站800米外匝道桥坍塌，5辆载货车坠落，造成6人死亡、4人受伤。后经初步查明，5辆载重货车逆行进入桥体，遇车右拐使桥体重心偏移，导致该桥坍塌。
2012年8月24日,哈尔滨机场高速由江南往江北方向、即将进入阳明滩大桥主桥的最后一段倾覆，4辆货车冲下桥体。后经调查，事故直接原因是4辆超载货车在121.96米的长梁体范围内同时集中靠右侧行驶，匝道钢混连续叠合梁一侧偏载受力严重超载荷，导致匝道倾覆。
在这次事故中，超载的确是大桥倾覆的原因——4辆货车过秤总重量达482吨，远超桥梁承载能力（197吨）。但也有专家认为，不应规避桥梁的其他问题，其中最主要的是设计上的问题。独柱墩的设计结构导致桥梁平衡性差，事发时4辆车的重量压在一侧，桥梁失去平衡进而垮塌。
2015年6月19日，粤赣高速广东河源城南出口匝道桥突然倾覆，事故造成1人死亡、4人受伤。事故直接诱因是：3辆大货车在进入收费站时，缓慢行驶在一跨桥梁的同一侧，导致梁体发生扭转，进而发生落梁事故。
【注：落梁即梁从原来的墩柱支座上方脱离并滚落到地面，从当时视频和照片来看，梁的整体性完好。】
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。
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。
最终，事故造成3人死亡，2人受伤。
【注：从无锡各大钢贸市场出发的运输车，必经过312国道，将钢贸生意做向全国；而对于无锡锡山区东湖塘居民来说，国道跨桥下方的锡港路是他们进入城区的最便利线路。无锡高架桥侧翻事故涉事路段，是他们的“必经之路”。】
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。
2、一条“腿”，是原罪吗？
独柱墩桥屡屡倾覆，独柱墩是原罪吗？
33年前，一张照片曾轰动广州，乃至全国。
▲2021年8月19日，广州人民路高架桥
1987年9月20日，国内第一座城市高架桥——广州人民路高架桥正式落成。开通那天15万人涌上高架桥参观，时任《羊城晚报》摄影记者朱穗风从新亚酒店天台往下拍摄，捕捉了这一历史瞬间。
在那个年代，城市高架路便是现代化城市标志。广州人民路高架路改善了通车情况，加大了可通行车辆的数量，当时通车数量超过5万辆。
它正是用一个桥墩来支撑整个高架桥的。
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。】
实际上，面对以上问题，全国各省市都开始了对独柱墩桥的自查，独柱墩桥应用逐渐减少，多使用双柱墩或者多柱墩。
3、历史遗留问题如何解决？
我们首先来看看国外经验：
美国自1971年开始，逐渐在公路桥梁建设中使用限位器，以防止相邻桥梁之间产生过大的相对位移，以及防止地震时桥跨发生落梁；
日本在1972年的《道路桥耐震设计指针解说》中便引入了防落梁的规定；2002年3月，日本发布《道路桥示方书同解说·耐震设计篇》，要求特别考虑桥梁系统整体的抗震性能,把支座、连梁装置作为主要结构构件来设计。
为解决独柱墩桥的问题，中国也做出了诸多努力：
我国旧版桥梁设计规范明确要求，“公路桥涵的持久状态设计应按承载能力极限状态的要求，对构建进行承载力及稳定计算，必要时应进行结构的倾覆和滑移的验算……”2018年，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》实施，明确要求进行横向抗倾覆设计。
旧版规范对桥梁抗倾覆亦有设计要求，2018年行业规范修订后，行业规范做了更细致的规定，冗余设计量、对超载的承载能力大大提高。
还有一些城市颇具先见之明，对已有独柱墩桥梁进行抗倾覆性能加固。
【注：抗倾覆性能加固主要是对独柱墩桥梁下部结构进行改造加固，增加横桥向支撑点的数量，以提高独柱墩桥梁整体抗倾覆稳定性。】
以武汉为例。武汉有16座独柱墩桥梁，共有277根独柱墩。从2013年起，武汉决定对独柱墩桥梁进行加固。经过前期论证，最终拿出了加钢盖梁和辅助支座的方案，实施加固。随后，加固工程陆续铺开，给独柱墩装上“蝴蝶”托翼。目前，武汉已完成16座独柱墩桥梁加固改造，给桥梁安全上了一道保险。
此外，武汉在每块梁下安装传感器，及时掌握桥梁的“身体状况”，防患于未然。今年11月，传感器发回的数据显示，三环线琴断口桥两块并排的梁，承受力一大一小。这说明存在安全隐患，要及时排除隐患。
数据分析发现，这可能是超限超载车辆造成的。两块桥梁需要重新加强横向联系，达到平均受力，才能消除隐患。按照这一思路处置后，琴断口桥很快恢复健康。
2019年，南京市交通运输局亦对城市桥梁独柱墩桥梁进行摸底，开展城市桥梁独柱墩抗倾覆专题研究。经摸排和抗倾覆验算，城市桥梁29座独柱墩桥梁合计308联跨中，165联跨抗倾覆性能满足最新规范要求。
针对囿于各种因素而不能满足安全要求的桥梁联跨，南京计划通过减小基础负荷、增设抗拉拔装置或支座、增设钢牛腿、增大桥墩截面等加固手段提高桥梁抗倾覆性能。
4、不能承受之重，压出“内伤”
当前，部分货车司机出于运输成本考虑，仍然会超载运输，一些货车甚至超载至其最大总质量的2倍甚至3倍。
▲2018年7月30日，江苏镇江交警在夜查重型货车。图｜ICphoto
在我国过去发生的独柱墩桥倾覆事故中，多少都有超载的身影。
中国工程院外籍院士、美国工程院院士邓文中曾指出，车辆超载对桥梁安全有明显危害。
如果超载过度，使得桥梁的应力或者倾覆系数超过设计的安全系数，桥梁可能立即倒塌；如果超载尚未大到能把桥梁压倒，引起的应力仍会对结构的使用寿命产生很大的影响。长此以往，一座符合标准的桥梁服役十多年后，可能就会被压出“内伤”。
例如，钢结构的疲劳寿命一般可以假设与应力幅的3次方成反比。如果车辆超载100%，应力幅就大了1倍，那么原本100年的桥梁使用寿命就减少为12.5年。此外，据测算，车辆每超限超载30%，公路养护费用就要增加200%。
无锡事故中的312国道，是无锡市区最主要的一条干线公路，承担了往来于上海、苏州、常州、南京的大量过境交通和货运交通，事故路段周边聚集大量物流货运停车场。截至高架倾覆，其通车已有14年左右。
附近群众表示，超载运输在这里是常态。“大型货车实在太多，而且许多都严重超载，睡在床上连床都是摇晃的。”当地一位市民说：“超载的大货车真是马路杀手。晚上很多大货车呼啸而过，大家一直议论迟早出大事。”
本次湖北事发大桥路权方称，引发此次事故的货车从陕西临潼入站上高速，载重198吨，超载400%，不排除进站口收费站有失职的可能。
对此，陕西高速临潼站方面表示，涉事超载货车有道路运输部门的超限审批手续，经检测入站，已将数据报湖北交管部门，但不排除货车有假报审批数据违规进站的可能，具体情况正由两地高速交管部门调查。
既然是超载车辆导致桥梁破坏，那能否提高桥梁设计等级，使得桥梁即便在超载车辆的重压下依然不坍塌呢？
对此，专家表示，提高设计标准意味着工程造价的大幅提高，再坚固的桥梁也无法承受无限制的超载。因此，加强桥梁的监控与维护、治理超载才是根本。
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