美國(guó)連續(xù)剛構(gòu)橋倒塌事故分析

美國(guó)連續(xù)剛構(gòu)橋倒塌事故分析

1橋梁倒塌事故根據(jù)美國(guó)公路管理局（fhwa）國(guó)家橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2007年末美國(guó)共有橋梁59177座，缺陷橋梁151813座，缺陷橋梁約占25.4%。除缺陷橋梁外,還有一些橋梁因?yàn)楣δ芡嘶蛟庥雠既皇录l(fā)生倒塌,危害出行者的生命安全,這類(lèi)事故一發(fā)生,在社會(huì)上總是引起強(qiáng)烈反響。文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)了1951～1988年在美國(guó)發(fā)生的114起橋梁倒塌事故;文獻(xiàn)對(duì)1989～2000年的橋梁倒塌情況做了統(tǒng)計(jì),由于這期間發(fā)生過(guò)幾次大地震和洪水,倒塌橋梁達(dá)到了503座。2000年以后,美國(guó)的橋梁倒塌事故仍不斷發(fā)生,而且事故的原因各不相同。因此,舊橋的現(xiàn)狀引起了美國(guó)橋梁界的普遍擔(dān)憂(yōu),認(rèn)為服役橋梁亟待進(jìn)行檢測(cè)、維修與加固。本文對(duì)2000～2008年美國(guó)倒塌的16座橋梁進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,以期給我國(guó)橋梁工程的建設(shè)帶來(lái)一些啟示。220規(guī)范橋梁倒塌事故信息數(shù)據(jù)庫(kù)的信息與分類(lèi)1967年,美國(guó)西弗吉尼亞州的錫爾弗(Silver)橋在交通高峰時(shí)段突然倒塌,奪走了46人的生命。這一事故促使FHWA建立了全國(guó)橋梁數(shù)據(jù)庫(kù),記錄全美橋梁的基本信息,但該數(shù)據(jù)庫(kù)并沒(méi)有提供以往發(fā)生的橋梁倒塌事故的詳細(xì)信息。目前,美國(guó)還沒(méi)有一個(gè)對(duì)橋梁倒塌事故進(jìn)行詳細(xì)記錄的數(shù)據(jù)庫(kù)。本文的數(shù)據(jù)來(lái)自于FHWA的網(wǎng)站、各州運(yùn)輸部的網(wǎng)站、美國(guó)國(guó)家交通安全委員會(huì)的通告、事故的官方調(diào)查報(bào)告、期刊雜志、新聞報(bào)道以及相關(guān)的橋梁網(wǎng)站,每座橋的信息都至少有2個(gè)來(lái)源。2000～2008年美國(guó)發(fā)生的橋梁倒塌事故主要有16起,如表1所示。文獻(xiàn)把引發(fā)橋梁倒塌的原因分為6大類(lèi),分別為設(shè)計(jì)失誤、構(gòu)造尺寸不當(dāng)、施工失誤、材料質(zhì)量低下、養(yǎng)護(hù)不足和外部誘因。根據(jù)這些原因,把2000～2008年美國(guó)發(fā)生的16起橋梁倒塌事故進(jìn)行分類(lèi)(見(jiàn)表2)。從表2可以看出,引發(fā)橋梁倒塌的原因涵蓋了設(shè)計(jì)與施工失誤、養(yǎng)護(hù)不足和外部誘因。其中外部誘因(10例,占62.5%)是導(dǎo)致橋梁倒塌的主要原因。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果與文獻(xiàn)給出的1989～2000年美國(guó)橋梁倒塌原因總結(jié)的規(guī)律較為接近,在其統(tǒng)計(jì)結(jié)果中,約83%的倒塌事故都是由外因誘發(fā)的。3典型橋梁坍塌分析3.1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)利羅伊賽爾蒙橋位于佛羅里達(dá)州坦帕市的一個(gè)穿越城區(qū)的快速路上,橋梁上部結(jié)構(gòu)箱梁采用預(yù)制節(jié)段拼裝施工,原計(jì)劃于2005年夏天完工。2004年4月13日,位于第50號(hào)大道出口附近的2跨梁突然坍塌,倒塌示意如圖1所示。事發(fā)時(shí),其中一跨梁還在施工中,用于支撐箱梁節(jié)段的下行式桁架還未拆除。起初分析認(rèn)為,局部地基土不穩(wěn)定和額外的桁架重量導(dǎo)致橋墩下沉了約4.6m,進(jìn)而引發(fā)上部梁體坍塌。但調(diào)查發(fā)現(xiàn),引發(fā)事故的真正原因是設(shè)計(jì)失誤。設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)普遍不夠,在地基土條件原本就很差的情況下,橋墩不能承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載。在事故發(fā)生時(shí),全線(xiàn)的橋墩已基本施工完畢。在這種情況下,再更改設(shè)計(jì)方案已經(jīng)不可能,只能開(kāi)展橋墩加固工作。整個(gè)工程因此推遲了1年才竣工,這給業(yè)主造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。3.2跨徑4.3跨越州際公路I-70的SR1014橋位于賓夕法尼亞州的華盛頓縣,建于1960年,是一座跨線(xiàn)簡(jiǎn)支斜交橋,斜交角51°。該橋跨徑布置為(17+27+27+13)m,主梁由8片小箱梁組成。2005年12月27日傍晚,在沒(méi)有任何征兆的情況下,第3跨的邊梁突然倒塌,倒塌現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。隨后的調(diào)查發(fā)現(xiàn):①由于灌漿不密實(shí),預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕情況嚴(yán)重;②橋面漏水嚴(yán)重;③各片主梁之間的橫向聯(lián)系失效,已不能共同受力;④除冰鹽等造成了混凝土的腐蝕。可見(jiàn),在倒塌之前,橋梁的功能已嚴(yán)重退化。3.3主橋結(jié)構(gòu)尺寸I-35W橋連接明尼阿波利斯和圣保羅2座城市,建成于1967年。全橋共14跨,總長(zhǎng)581m。主橋?yàn)槿邕B續(xù)鋼桁架橋,跨越密西西比河,跨徑分布為(93+139+93)m。橋面寬32m,雙向8車(chē)道,但橫向只采用了2片主桁,主橋立面布置及截面尺寸如圖3所示。2007年8月1日晚6時(shí)05分左右,在沒(méi)有任何征兆的情況下橋梁突然垮塌,導(dǎo)致13人死亡、145人受傷,事故引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。據(jù)錄像顯示,垮塌最先發(fā)生在主橋的中跨,隨后邊跨向河岸方向傾倒。事故后的調(diào)查認(rèn)為,垮塌是從中跨10號(hào)上節(jié)點(diǎn)板[如圖3(a)中圓圈所示位置]斷裂開(kāi)始。資料顯示,本橋在1977年和1998年經(jīng)歷了2次大修,混凝土面板平均厚度增加了5cm,橋面護(hù)欄的尺寸也有所增加。多個(gè)節(jié)點(diǎn)板的尺寸在當(dāng)初設(shè)計(jì)制造中有嚴(yán)重的誤差,厚度只有設(shè)計(jì)要求的一半左右,大大降低了其承載能力。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng),桿件的腐蝕情況較嚴(yán)重。事故發(fā)生時(shí),橋梁正處于一次維修狀態(tài),大型施工機(jī)械設(shè)備都已就位,而下班高峰期的擁擠車(chē)輛將剩余的車(chē)道排滿(mǎn),造成嚴(yán)重偏載。綜合以上的多種因素,最終導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。3.4主體梁體坍落下的鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)事故麥克阿瑟梅茲立交是加利福尼亞州奧克蘭一個(gè)非常大的立交橋群,連接奧克蘭、伯克利和舊金山的5條高速公路在這里交匯,是當(dāng)?shù)刂匾慕煌ü?jié)點(diǎn)。其中南向的I-880州際公路從東向的I-580下穿行。2007年4月29日凌晨4時(shí)左右,一輛行駛在I-880上的汽油運(yùn)輸車(chē)在變道時(shí)翻車(chē),汽油外漏并引發(fā)大火,而事故地點(diǎn)就在I-880與I-580相交處。大火導(dǎo)致I-580高架橋的鋼蓋梁受高溫軟化并垮塌(見(jiàn)圖4),進(jìn)一步導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)2跨倒塌。I-880修建于1998年,主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁;I-580建于1955年,主梁為鋼-混疊合梁,橋墩蓋梁也采用了鋼結(jié)構(gòu)。事故后的調(diào)查表明,I-880雖然是事故發(fā)生地,并且經(jīng)歷上部梁體坍落時(shí)的沖擊,卻損壞不嚴(yán)重。通過(guò)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的修復(fù)和在梁底加支撐(見(jiàn)圖5),約8d后即恢復(fù)了交通。2004年3月25日,在康涅狄格州布里奇波特也發(fā)生了一起因油罐車(chē)起火而引發(fā)橋梁倒塌的事故。在該事故中,橋面板下的鋼主梁在高溫下軟化,導(dǎo)致橋梁嚴(yán)重下?lián)?。從這2個(gè)案例的對(duì)比可看出,混凝土梁的耐火性較鋼梁好。4梁抗震在我國(guó)橋梁運(yùn)營(yíng)中的問(wèn)題從上述美國(guó)橋梁倒塌事故中,可以得到以下幾點(diǎn)啟示:(1)對(duì)意外事故的防范。根據(jù)本文、文獻(xiàn)和文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì),因外部誘因(如船撞、火災(zāi)、颶風(fēng)、地震等)而倒塌的橋梁分別占倒塌橋梁總數(shù)的62.5%、90%和83%。可見(jiàn),這些外部誘因是導(dǎo)致橋梁倒塌的主要原因。目前,各國(guó)對(duì)橋梁抗震的研究相對(duì)較多,并且均有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。在橋墩防撞、颶風(fēng)、火災(zāi)等問(wèn)題上雖有認(rèn)識(shí),但在實(shí)際工程中的考慮還明顯不足。(2)對(duì)耐久性問(wèn)題的重視。美國(guó)的鋼橋數(shù)量相比我國(guó)要多很多,從這些倒塌事故可以看出,雖然鋼橋與混凝土橋的耐久性問(wèn)題側(cè)重點(diǎn)不一樣,但問(wèn)題都很突出。鋼橋存在鋼材腐蝕、疲勞、低溫脆斷和耐火性差等問(wèn)題;混凝土橋則存在鋼筋腐蝕、混凝土劣化等現(xiàn)象。目前在我國(guó)橋梁工程界,提高耐久性的意識(shí)還不強(qiáng),規(guī)范中相應(yīng)措施的可操作性還不夠好,研究與實(shí)踐均需要加強(qiáng)。(3)對(duì)檢測(cè)、評(píng)估工作的要求