倾覆事故再次发生,独柱墩桥应该弃用吗?
来源:科学辟谣 时间:2022-01-24

流言:独柱墩桥本身有缺陷,容易导致倾覆,不应当再用了。

真相:独柱墩桥有诸多优点,适用于很多场景,保障安全的根本是不要超载。

在刚刚过去的2021年,一起桥梁侧翻事故引起多方关注:12月18日下午,位于湖北鄂州市的沪渝高速沪渝向转大广高速匝道桥发生侧翻,造成4人死亡8人受伤。据当时的现场照片,桥面和桥墩都完整,也没有出现断面;桥面向一侧倾倒,再结合单柱墩,可以判断是典型的倾覆事故。

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事故现场。据鄂东大桥公司负责人对媒体透露,在随桥坠落的4辆车中有3辆大货车,其中一辆是重达198吨的大货车,拉着变电设备,后面两辆货车在推,三辆车是连接杆相连。桥面侧翻之后,这辆严重超重的货车断成了两截。|中新网

 倾覆事故是由于桥面受力不均衡(单侧受到极大力)导致。之前无锡312国道跨线桥倾覆事故和哈尔滨阳明滩大桥倾覆事故,也是同一原因。近十几年来,桥梁垮塌事故中独柱墩桥频频出现,这也让网友们纷纷争论:这种桥为什么还要存在?真的不是设计上的问题吗?

其实,这个问题桥梁设计专家也有考虑过。简单来说,桥梁建筑有多种考虑因素,很多时候独柱墩桥确实是更合理的选择。而我们平时在城市中行走,也会经常在高架桥上发现独柱墩的身影。了解一些桥梁设计的基础知识,或许可以让我们免除对独柱墩桥的误解。 

独柱墩桥就像它的名字一样,是一种只在中间采用单柱式桥墩的桥梁。它上方承载的桥面尺寸往往远超桥墩面积,所以在桥面两侧特别是边缘位置,容易产生非常大的力矩,由此发生倾覆事故也就非常好理解。 这次事件中,三辆重型卡车加上其运输的特大型变电设备,总重达到惊人的482吨,是该桥梁车辆通过限重(197吨)的2.45倍。而且由于当时桥面养护,车辆并未按照大件运输的标准走匝道中间,而是靠边走到了桥梁外侧。悲剧就这样发生了。 

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一架波音747飞机重量在170吨左右,超载货车已达198吨,而我国高速路限重为49吨。这种程度的超载并不多见。|图虫创意

那么如此“危险”的设计,为什么还会被广泛使用呢?其中主要考虑到桥梁建造设计中的两个最关键因素:用途和造价。而这两者实际上是无法完全分离的。

实际操作中,必然优先选择在满足用途的前提下,最大程度地降低造价。 从用途上说,独柱墩桥最常见的应用场景,一个是城市高架道路,另一个是高速公路的跨线部分。前者要求尽量减少占用宝贵的城市路面,后者要求尽量减少征用农地。

 在城市高架下,独柱墩桥对路面的侵占仅有桥墩面积,并且正好形成中央隔离带,两侧都可以布设普通的城市道路,至多各牺牲半条车道。而若使用对称的双桥墩,不仅桥墩中央的空间难以利用,两侧也会各损失一条车道。除非上面的路面宽度极大(可以跨过下面的公路),一般都不会选择双桥墩。

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城市高架常使用单柱墩,它占地面积较小。|图虫创意 

而在高速公路的跨线处,几个桥墩就可以支撑起高速间的路线交互和衔接,下方占用的农地每亩不过几十平方米。

有了这个好处,再考虑到上百吨的超大件运输几年都遇不到一次,即便遇到也可以绕道,或者提供专门的路政服务(如封路、走匝道中间等),独柱墩桥被广泛使用也就不奇怪了。 而且,这种结构相对简单的独柱墩桥,还具有建设周期短、施工难度低,以及后期养护容易等特点,性价比可以说非常高。 另外,还有研究表明,相比双柱来说,独柱墩更加防撞:一条直径4.0米的圆独柱与两条 2.83 米直径的圆柱体积相等,但刚度却是一条直径2.83米圆柱的4倍。这在许多匝道、河海上的引桥和城市中的立交中尤为重要。

并且,对于一些比较复杂的立交,受空间限制,不用独柱基本就不可能。

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如果这座桥使用独柱,把三条柱的材料合成一条独柱,它的刚度会增加到9倍,大概这部车也撞不坏。|尹德兰《桥梁设计的冗余度》(2013)

由此看来,独柱墩桥非但不是落后设计,相反还是很多道路建设场景中的最好、甚至是唯一选择。 

虽然独柱墩桥梁有种种优越之处,但是受到自身结构制约,这种桥在强烈地震以及严重超载等极端情况下,确实更容易发生灾难性失稳和倾覆。 比如在地形复杂且人口密度极高的日本,其道路建设中就大量采用了独柱墩桥梁。而日本又是一个地震高发的国家,1995年的阪神大地震,直接导致附近高速路网瘫痪,12座大桥发生桥面跌落或倾覆,其中4座独柱墩桥,无一例外都发生了大范围倾覆。

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1995年,日本阪神发生7.2级大地震,6400多人死亡,神户线600多米的独柱墩桥整体倾覆。|网络图片 

不过高强度地震毕竟是小概率事件,在那种烈度下,各种桥梁结构的耐震能力都非常有限。但超载引发的倾覆,却是完全可以避免的祸患。

一般来说,桥梁规定的车辆载重上限与桥梁实际能够负载的重量之间,本身都有不小的差距,称为安全冗余。如果只是小范围超载,但仍在桥梁的实际承载范围之内,可以认为桥梁的结构不会受到实质性损坏,寿命也不会受影响。

如果大幅超载或者长期中等超载,就有可能导致桥梁真的受损。严限超载的意义也正在于此。目前仍然有不少司机和运输企业罔顾红线,最终导致桥梁寿命损失甚至发生严重事故。

鉴于独柱墩的特点,2018年颁布的新版桥梁设计规范中已经对独柱墩抗倾覆问题进行了相关规定与要求,相关桥梁管理单位也开展了大范围的既有独柱墩桥梁的抗倾覆加固工作。 但目前使用的各种加固方式,并不能对桥梁承重能力带来数量级的提升,维修后也很少提高过往车辆的载重限额。总的来说,以行政手段规范运输行为,禁止超限车辆通过,才是避免悲剧的根本途径。

关于鄂东大桥倾覆事件,目前还没有进一步消息。不过据已有信息,虽然事故系超载引起,但路政方面也有一些疑问:该车辆在陕西上的高速,办的198吨的超限许可证,但之后一直没下高速,连续跨越几个省份来到湖北境内,才发生事故。

而在湖北境内,他们仅办了99吨的超限许可证。但货车老板表示,协调办证的人已在事故中丧生,细节未知。 而撇去这次事故的具体疑点不谈,很多网友也很好奇,正常这种超大件的运输,都是怎么操作的呢? 知乎网友“夜窗听雨”介绍,一般来说:一是尽量不大件运输,把能拆的都拆成部件分开运送;二是尽量不走高速,避免影响正常行车;三是尽量不走桥涵(桥梁和涵洞)——因为桥涵一旦损毁,修复起来比路面困难得多。

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大件运输对车辆要求很高,半路爆胎是常事,因此行驶要很慢,低速+体积庞大+随时停车,对高速交通影响非常大。|图虫创意

 如果遇到像预制桥梁构件、超大型变压器这样无法现场制造的大件,就要非常慎重处理了。首先要选定可能路线,并勘测沿线所有桥涵;再确定桥涵承载能力,对不符合承重的实施加固;最后在运输过程中,路政全程保障——前面路政车开路、后面路政车隔离、必要时直接封路等,运输单位全程监测,尤其是对桥涵要实时监控应力,一有异常立刻停止。 

不得不说,大件运输是一件极其费钱费心思的事,不到万不得已,一般都不会实施。一旦大件上路,对整个沿线交通都是一次考验。而独柱墩桥在其中也并无任何特殊,严格执行过桥规则,该走的流程一个都不要省,才能真正保障桥梁和货运人员的安全。

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辟谣

郭阳 东北大学结构力学博士后

复核

潘可明 道路交通一院副总工,教授级高级工程师

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