独立基础柱墩（独柱墩设计专题）

10月10日傍晚发生在无锡的高架桥侧翻事故，迅速成为全国焦点。如此重大的突发安全事故，也引发了社会各界对事故原因的分析探讨。《桥梁》杂志微信公众号也随即在第一时间采访并报道了《无锡高架桥坍塌 祸端之源是超载还是独柱墩？》一文，超载、独柱墩设计在此次事故中再次成为人们关注和讨论的焦点，《桥梁》杂志曾经专门就独柱墩设计约请了全国权威专家和设计大师做了系列专题讨论。时隔经年，再次发表出来希望文中的专业性观点能对读者提供参考。

独柱桥的一般情况

1.独柱桥多用于匝道桥，一般采用预应力混凝土连续箱梁或钢与混凝土组合连续箱梁，3～5跨为一联，可以等跨、也可不等跨，跨径25～50m，每联长度80～200m.。

2.独柱匝道桥宽度，一般单车道加一个停车宽度、两个人行道，全宽8～10m。也有双车道的独墩桥。

3.独柱桥的直桥，为了维持整个桥的横向稳定，其分界墩多为桩柱式墩、盖梁上设两个支座，以抗倾覆。中墩为独柱，柱顶设固定铰支座，既承受竖向力（荷载）也约束纵向位移以抵抗制动力。有的也可约束横向位移（如横向固定支座），有的还可约束一些横向弯矩（如盆式橡胶支座）。在维持横向稳定的条件下，一般可以简化成平面结构处理。

4.独柱桥的弯桥，为满足行车要求，桥梁中轴线在平面上呈曲线，实际是空间曲线，它的构造、受力（离心力）和结构分析比直桥复杂一些。为了维持横向稳定，平曲线半径较大的独柱弯桥的分界墩上，横向仍需两个支点；中墩顶上的固定铰支座常横向偏置，以改善独柱弯桥的稳定性和受力。平曲线半径较小的独柱弯桥是比较复杂的空间结构，其整体稳定性问题已退居第二位。

独柱桥维稳机理和倾覆过程

用一座3跨独柱预应力混凝土连续箱梁桥，说明维持“独柱匝道桥”直桥的横向稳定的机理。图中示出了汽车（符合设计规范的最大车辆荷载、车道荷载）行驶方向。

汽车车队未上桥前，桥梁承受其自重（恒载），独柱中墩的压力各580t，分界墩的压力180t、左右两个支座各分担90t。

汽车车队靠最右侧驶入（按规范：车轮中线距人行道边线0.5m），偏离桥梁中线2.1m，它给桥梁施加竖向力153t（包括冲击力），横向倾覆力矩321.3tm。它是造成桥梁侧向倾覆的因素。车队行驶在不同位置时，桥梁支座反力和各部分的内力是变化的。一个合格的设计，都不应超标，而且有一定保证，笼统地说约1.7倍。

汽车车队的重车行驶到中跨的跨中时，车队给中墩施加压力64.4t，给分界墩的压力8.2t，每个支座的压力4.1t。车队横向倾覆力矩321.3tm，分配到两端分界墩上各161tm；使分界墩的左支座产生拉力40.3t，使分界墩的右支座产生压力40.3t；此时分界墩的左支座的总压力降至53.8t，右支座的总压力增加至134.4t。

3跨独柱预应力混凝土连续箱梁桥

汽车车队的重车行驶到接近左分界墩时，车队给中墩施加压力下降为38.4t，给左分界墩的压力63.8t，每个支座的压力31.9t。车队给左分界墩横向倾覆力矩134tm（核算用161tm）；使分界墩上左支座产生拉力40.3t，使分界墩上右支座产生压力40.3t；此时分界墩的左支座的总压力降至81.6t，右支座的总压力增加至162.2t。

只要分界墩的左侧支座算不出负反力，右侧支座不被压坏，桥梁是不会倾覆的。一个合格的设计一定会给左侧支座保留足够的压力，以防支座脱空的，保留抗倾覆的潜力。如果分界墩的左侧支座出现不大的脱空（计算出现不大拉力）时，独柱墩的直桥的各支座的压力会相应的调整，中墩参与抗倾覆，分界墩的右侧支座上的总压力增加。如果设计不合理或超载，右侧支座被增加后的总压力压坏，桥梁还会向右侧倾覆。支座脱空可能是倾覆的预警。在这种条件下，梁体的内力也在变化，如果梁体内出现了薄弱环节，也可能梁体垮塌。

几点看法

1.上述“独柱匝道桥”上，即使偏驶车辆超载一倍，分界墩上左侧支座仍有压力，右侧支座的压力也只增至234t，是设计值162.2t的1.45倍。因此合理使用的、设计合格的“独柱匝道桥”的抗倾覆潜力是足够的，不用担心。我不主张超载，因为它会造成桥梁结构的损伤和降低耐久性。

2.如果活载增加两倍，则右侧支座的压力将增至 306.6t。任何一个精细的设计，都难免出问题。如果大量超载，桥梁（梁体和墩台）哪里相对薄弱则在哪里现形，并从那个薄弱环节首先破坏，甚至整个桥梁垮塌。分界墩盖梁的悬臂端，是“独柱匝道桥”比较薄弱的环节，最大弯矩与最大剪力在一起，是深梁、又有复杂的局部应力；梁体向外侧一滑，盖梁悬臂段的危险截面的弯矩、剪力会骤增；盖梁端的挡块，一般是按约束梁体温度等变形而设计的，梁体只要一动，盖梁端的挡块就会脆断，不可收拾。一个正常设计的“独柱匝道桥”的支座和盖梁，在大量超载时必然损坏，出现上部结构整体滑落。

3.桥跨结构的重量，是防止上部结构倾覆、滑落的潜在力量。桥跨结构的重量，使匝道桥左侧的支座积蓄了压力，不易被倾覆力矩掀起；使匝道桥右侧的支座设计承载的压力提高，相对地降低了倾覆力矩增加的压力的比例。钢和混凝土组合连续箱梁梁桥的自重约为预应力混凝土连续箱梁桥的80%，抗倾覆的潜力比预应力混凝土连续箱梁小。这是钢混组合箱梁比预应力混凝土箱梁容易被掀翻的原因。

钢材强度大，给钢结构带来很多优势，但它要求我们关注钢结构疲劳、稳定、屈曲、振动等很多复杂问题，现在又发现它的抗倾覆的潜力小了，只要注意就是了。甚至可以说，设计越精细的结构，意外超载损伤的可能性越大。

4.滑落和倾覆是“独柱匝道桥”过度超载损坏的主要形式。各种桥型的超载损伤形式，可能不同。比如：北京怀柔县的“宝山寺桥”是4孔净跨50m的钢筋混凝土刚架拱，矢跨比1/10，下部结构为实体墩台，嵌岩桩基础，超载使它1孔压垮，其他3孔连续倒塌；“武夷山公馆大桥”是三跨的中承式钢肋拱桥，超载致使锈蚀的吊杆破断，使该跨的桥面完全垮塌，其他两跨完好。我们既要科学总结“连续拱桥垮塌”“吊杆破断、桥面垮塌”现象，更要大力杜绝过度超载。独柱匝道桥合理利用桥下空间，又造型挺拔，有其独有的优点，不要扼杀它。我们要杜绝的是超载，特别是过度超载。

5.防止“独柱匝道桥”桥梁滑落和倾覆，既要核算整体“抗倾覆稳定性”，更要核算抗稳定性设施的强度。但不必加大整个桥的设计荷载和安全系数，不能是给“超载车让路，不能设想让”矿山重型车辆”在城市道路上安全行驶，这是关于全局的经济问题。一般判断是否超载造成桥梁倾覆，把桥跨结构简化成刚体计算一下就可以了。在探讨“抗倾覆稳定性”时，在加固有“倾覆危险”的桥梁时，可能需要精确的计算模型。

6.公众关心“垮桥”是件好事，督促桥梁工作者做好工作。桥梁设计工程师关心着他们所设计桥梁的百年寿命，不敢稍有疏忽。发生事故，或听到一些指责，他们也会伤心的，搞不好会妨碍他们中一些人创新、或者加大结构安全度、造成结构浪费。从网上的批评意见看，需要普及桥梁知识。我希望科学地总结经验，“保护桥梁工程师”“教育超载司机”，促进社会和谐。

本文刊载 /《桥梁》杂志 2013年 第2期 总第52期

作者 / 方志禾

作者单位 / 北京市政专业设计院有限公司