独柱墩桥倾覆设计思考——哈尔滨事件也要自修内功

哈尔滨桥梁倾覆，责任分明，第一是车辆超载，直接导致桥梁事故；第二是交警和交管失职，给不合格车辆发了牌照又没有查出或制止超载车辆上路；第三是违规改装车辆，载重超出国家规定。大头落地之后是不是也要自修内功，看看设计思路有没有需要改进的地方。
（1）车辆：按照GB1589——2004规定，最重的一辆汽车列车是49吨（我们姑且用大众都熟悉的吨作计量单位），车长限制20米，宽度2.5米；
（2）排列：除高速公路对行车的纵向间距有法规规定外，其余各种道路尚未查到明确数据。也就是说，在极端情况车辆可以一辆接一辆，没有空隙，事实上也是这样，都见过高架桥上堵车排队。120米桥长可以排下6辆列车，重量近300吨。设计标准中的车队排列对实际车辆行驶管理无效，那只是为了设计方便而归纳出来的、具有一定保证率的抽象模型。



（3）实例：以某实桥为例，4孔30米连续单箱梁，预应力混凝土结构，两端双支座，中间三墩单支座。


（4）结构力学法计算：
（4.1）四跨连续梁均布荷载反力系数：可以计算也可以从设计手册中查得；
（4.2）自重：箱梁自重1533吨，桥面系重为0.6X1533吨，合计2452.8吨；
（4.3）车辆荷载：分解为两个部分，一是中心对称荷载300吨，一是荷载力矩300吨X2.5米=750吨米；
（4.4）中心力各支座反力：（自重+中心对称荷载）X支座反力系数；
（4.5）倾覆矩反力：土（荷载力矩 / 端支座间距）；
得到所有支座反力，一侧端支座反力为+260.2335吨，另一侧为+10.2335吨，10吨的反力太小，稍有波动就会拉开，整个桥梁就处于临界状态。所以设计单位权衡后，在箱内横隔板附近加压素混凝土配重。
设想，改为钢箱混凝土叠合梁，箱梁自重将减少30%，即1533X30%。端支座中心力各支座反力将减少
150.62X30%=45.186吨，两个支座每个支座少22.593吨，端部两个支座的反力就是
260.2335-22.593=+237.6405吨
10.2335-22.593=--12.3595吨，
一个支座是负反力，桥梁超过临界状态，非常危险。
这样计算是把支座当作刚性点支承，只是一个简化计算，为了方便说明问题实质。 实际上橡胶支座是弹性的，而且是一个面，精确设计需要酌量考虑。曾经按弹性地基接触问题计算过，与此处稍有改善，大体趋势一致。


（5）讨论：
（5.1）安全度：桥梁设计规范中对材料强度设置了足够的安全度，所以即使有超过设计标准的车辆行驶也不至于立即损坏桥梁。而对于几何平衡，在设计规范中难以找到踪影，也没有什么安全保证。这就是为什么超重车行驶了成百上千公里，桥梁也没有倒塌，而遇到独柱墩桥就倾覆了。
（5.2）小概率事件：几辆超重车遇到一起、正好通过一根连续梁、都行驶在一个边缘车道上、内侧车道恰好没有平衡倾覆的车辆，如此多的偶然是一个小概率事件。从数学意义上来说，小概率事件等同于几乎不可发生事件，然而在哈尔滨发生了。发生了，对于死者、对于桥梁，它就是100%。对于生命工程，不能有疏忽，设计标准、规范必须要有提示。对于独柱墩的几何平衡只需花费很少的投资，就可以解决他的小概率事故，不需要也不能回避。
（5.3）抽象与真实：抽象的汽车设计标准后面有一个厚厚的材料安全度衬垫，几何平衡却是赤裸裸的硬着陆。当我们的设计标准和规范存在缺陷的时候，设计工程师就应该找到那个撬起地球的支点。负责任的设计标准和规范开天辟地的第一句，就是“本规定只适用于一般（通常、正常）情况，特殊情况需另行处理”之类的话，只有那些妄自尊大的人才会自觉或不自觉地忽略它。
（5.4）建议：建设部和交通部关照全国的桥梁业主，查查自己的独柱墩桥梁，老话一句“谁的孩子，谁抱回去！” 该洗脸的洗脸，该加衣服的加衣服。交通警察也要玩真的，不能再倒啦！不能再车毁人亡啦！
以上只是从哈尔滨事件想到另一些熟悉的桥，闲暇无事反思体会。