獨柱墩橋為什麼還要存在?真的不是設計問題嗎?

流言:獨柱墩橋本身有缺陷,容易導致傾覆,不應當再用了。

真相:獨柱墩橋有諸多優點,適用於很多場景,保障安全的根本是不要超載。

在剛剛過去的2021年,一起橋樑側翻事故引起多方關注:12月18日下午,位於湖北鄂州市的滬渝高速滬渝向轉大廣高速交流道橋發生側翻,造成4人死亡8人受傷。據當時的現場照片,橋面和橋墩都完整,也沒有出現斷面;橋面向一側傾倒,再結合單柱墩,可以判斷是典型的傾覆事故。

事故現場。據鄂東大橋公司負責人對媒體透露,在隨橋墜落的4輛車中有3輛大貨車,其中一輛是重達198噸的大貨車,拉著變電設備,後面兩輛貨車在推,三輛車是連線杆相連。橋面側翻之後,這輛嚴重超重的貨車斷成了兩截。|中新網

 傾覆事故是由於橋面受力不均衡(單側受到極大力)導致。之前無錫312國道跨線橋傾覆事故和哈爾濱陽明灘大橋傾覆事故,也是同一原因。近十幾年來,橋樑垮塌事故中獨柱墩橋頻頻出現,這也讓網友們紛紛爭論:這種橋為什麼還要存在?真的不是設計上的問題嗎?

其實,這個問題橋樑設計專家也有考慮過。簡單來說,橋樑建築有多種考慮因素,很多時候獨柱墩橋確實是更合理的選擇。而我們平時在城市中行走,也會經常在高架橋上發現獨柱墩的身影。瞭解一些橋樑設計的基礎知識,或許可以讓我們免除對獨柱墩橋的誤解。 

獨柱墩橋就像它的名字一樣,是一種只在中間採用單柱式橋墩的橋樑。它上方承載的橋面尺寸往往遠超橋墩面積,所以在橋面兩側特別是邊緣位置,容易產生非常大的力矩,由此發生傾覆事故也就非常好理解。 這次事件中,三輛重型卡車加上其運輸的特大型變電設備,總重達到驚人的482噸,是該橋樑車輛透過限重(197噸)的2.45倍。而且由於當時橋面養護,車輛並未按照大件運輸的標準走交流道中間,而是靠邊走到了橋樑外側。悲劇就這樣發生了。 

那麼如此「危險」的設計,為什麼還會被廣泛使用呢?其中主要考慮到橋樑建造設計中的兩個最關鍵因素:用途和造價。而這兩者實際上是無法完全分離的。

實際操作中,必然優先選擇在滿足用途的前提下,最大程度地降低造價。 從用途上說,獨柱墩橋最常見的應用場景,一個是城市高架道路,另一個是高速公路的跨線部分。前者要求儘量減少佔用寶貴的城市路面,後者要求儘量減少徵用農地。

 在城市高架下,獨柱墩橋對路面的侵佔僅有橋墩面積,並且正好形成中央隔離帶,兩側都可以佈設普通的城市道路,至多各犧牲半條車道。而若使用對稱的雙橋墩,不僅橋墩中央的空間難以利用,兩側也會各損失一條車道。除非上面的路面寬度極大(可以跨過下面的公路),一般都不會選擇雙橋墩。

而在高速公路的跨線處,幾個橋墩就可以支撐起高速間的路線互動和銜接,下方佔用的農地每畝不過幾十平方米米。

有了這個好處,再考慮到上百噸的超大件運輸幾年都遇不到一次,即便遇到也可以繞道,或者提供專門的路政服務(如封路、走交流道中間等),獨柱墩橋被廣泛使用也就不奇怪了。 而且,這種結構相對簡單的獨柱墩橋,還具有建設週期短、施工難度低,以及後期養護容易等特點,CP值可以說非常高。 另外,還有研究表明,相比雙柱來說,獨柱墩更加防撞:一條直徑4.0米的圓獨柱與兩條 2.83 米直徑的圓柱體積相等,但剛度卻是一條直徑2.83米圓柱的4倍。這在許多交流道、河海上的引橋和城市中的立交中尤為重要。

並且,對於一些比較複雜的立交,受空間限制,不用獨柱基本就不可能。

如果這座橋使用獨柱,把三條柱的材料合成一條獨柱,它的剛度會增加到9倍,大概這部車也撞不壞。|尹德蘭《橋樑設計的冗餘度》(2013)

由此看來,獨柱墩橋非但不是落後設計,相反還是很多道路建設場景中的最好、甚至是唯一選擇。 

雖然獨柱墩橋樑有種種優越之處,但是受到自身結構制約,這種橋在強烈地震以及嚴重超載等極端情況下,確實更容易發生災難性失穩和傾覆。 比如在地形複雜且人口密度極高的日本,其道路建設中就大量採用了獨柱墩橋樑。而日本又是一個地震高發的國家,1995年的阪神大地震,直接導致附近高速路網癱瘓,12座大橋發生橋面跌落或傾覆,其中4座獨柱墩橋,無一例外都發生了大範圍傾覆。

1995年,日本阪神發生7.2級大地震,6400多人死亡,神戶線600多米的獨柱墩橋整體傾覆。|網路圖片 

不過高強度地震畢竟是小機率事件,在那種震度下,各種橋樑結構的耐震能力都非常有限。但超載引發的傾覆,卻是完全可以避免的禍患。

一般來說,橋樑規定的車輛載重上限與橋樑實際能夠負載的重量之間,本身都有不小的差距,稱為安全冗餘。如果只是小範圍超載,但仍在橋樑的實際承載範圍之內,可以認為橋樑的結構不會受到實質性損壞,壽命也不會受影響。

如果大幅超載或者長期中等超載,就有可能導致橋樑真的受損。嚴限超載的意義也正在於此。目前仍然有不少司機和運輸企業罔顧紅線,最終導致橋樑壽命損失甚至發生嚴重事故。

鑑於獨柱墩的特點,2018年頒佈的新版橋樑設計規範中已經對獨柱墩抗傾覆問題進行了相關規定與要求,相關橋樑管理單位也開展了大範圍的既有獨柱墩橋樑的抗傾覆加固工作。 但目前使用的各種加固方式,並不能對橋樑承重能力帶來數量級的提升,維修後也很少提高過往車輛的載重限額。總的來說,以行政手段規範運輸行為,禁止超限車輛透過,才是避免悲劇的根本途徑。

關於鄂東大橋傾覆事件,目前還沒有進一步訊息。不過據已有資訊,雖然事故系超載引起,但路政方面也有一些疑問:該車輛在陝西上的高速,辦的198噸的超限許可證,但之後一直沒下高速,連續跨越幾個省份來到湖北境內,才發生事故。

而在湖北境內,他們僅辦了99噸的超限許可證。但貨車老闆表示,協調辦證的人已在事故中喪生,細節未知。 而撇去這次事故的具體疑點不談,很多網友也很好奇,正常這種超大件的運輸,都是怎麼操作的呢? 知乎網友「夜窗聽雨」介紹,一般來說:一是儘量不大件運輸,把能拆的都拆成部件分開運送;二是儘量不走高速,避免影響正常行車;三是儘量不走橋涵(橋樑和涵洞)——因為橋涵一旦損毀,修復起來比路面困難得多。

 如果遇到像預製橋樑構件、超大型變壓器這樣無法現場製造的大件,就要非常慎重處理了。首先要選定可能路線,並勘測沿線所有橋涵;再確定橋涵承載能力,對不符合承重的實施加固;最後在運輸過程中,路政全程保障——前面路政車開路、後面路政車隔離、必要時直接封路等,運輸單位全程監測,尤其是對橋涵要實時監控應力,一有異常立刻停止。 

不得不說,大件運輸是一件極其費錢費心思的事,不到萬不得已,一般都不會實施。一旦大件上路,對整個沿線交通都是一次考驗。而獨柱墩橋在其中也並無任何特殊,嚴格執行過橋規則,該走的流程一個都不要省,才能真正保障橋樑和貨運人員的安全。

闢謠:郭陽 東北大學結構力學博士後
複核人:潘可明 道路交通一院副總工,教授級高階工程師

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