桥梁事故分析——西南交大+强士中

桥梁事故贵阳小关桥底板崩裂事故钢梁横向连接细节疲劳问题宁波招宝山桥压溃事故四座钢箱梁施工事故大跨连续刚构桥运营病害第二部分2007年8月，美国《时代周刊》评出了百年世界十大最恶劣塌桥事故，每次事故都是一个血的教训，令人深思。工程事故带来的损失是令人痛心的，也是难以弥补的，但是对工程事故的产生原因进行深入分析，又能使人们受益匪浅，从而促使科技进步。1969.11～1971.11，在欧洲不同地方相继发生了四起大型钢箱梁失稳或破坏事故。1、奥地利维也纳多瑙河4号桥1969年11月6日，奥地利维也纳多瑙河4号桥(TheFourthDanubeBridge）箱梁下翼缘由于施工时的恒载效应和温度效应叠加，所受压应力过大，局部失稳，使梁损坏。一、四座大型钢箱梁事故2、奥地利维也纳多瑙河4号桥1970年6月2日，英国米尔福德港桥（MilfordHavenBridge）连续箱梁的边跨（跨度为75.8m）在采用全伸臂安装过程中，当伸臂长度为59.6m、用小车将前方梁段运往臂的前端时，突然间，由于伸臂根部位置处的支承横隔板失稳，发出响声，伸臂立即转动、下落，臂端撞击地面，臂的根则抵住桥墩顶端，使墩身因受弯而开裂。英国MilfordHavenBridge该桥的箱梁截面呈梯形，上口宽12.5m，下口宽6.72m，高5.48m，在恒载作用之下，斜腹板对横隔板也有水平压力，这是当时工程界所不熟悉的。横隔板在压力下失稳，这就引发了这一事故。3、澳大利亚墨尔本西门桥1970年10月15日，澳大利亚墨尔本西门桥，于1970年在架设拼拢整孔左右两半（截面）钢箱梁时,上翼板在跨中央失稳,导致112m的整跨倒塌。墨尔本西门桥的边跨为跨度112m、连续的梯形截面箱梁，上口宽25m，下口宽19m，高4m，有4道腹板（外腹板斜置，内腹板竖直），将箱分为3室。施工时，每跨分成7.5个梁段（搁在桥墩上的梁段向两侧各伸0.5段），每梁段均按桥的中线分成两单元预制；这样，每一单元的截面便是不对称的，在架设之后，恒载使单元的挠度很复杂（有横向水平挠度及扭转），将两单元连成一体的工地高强栓连接工作颇为费工。在出事的那一个跨度，梁的两个单元（半梁）业已架好，但在简支梁正弯矩作用之下，北单元（半梁）上翼缘（用扁钢纵肋加劲的板件）的跨中部分出现屈曲波。于是，拆除了该处梁段接头所用的一部分高强栓，期望在板件之间发生滑动，借能将屈曲波消除。这是在1970年10月15日上午八时半。然而没有料到：随着一部分高强栓的拆除，上翼缘承受的压力就向还未拆除高强栓处的上翼缘集中，这样，屈曲波突然变大，使简支跨的北半梁在其跨中呈一向下的V形折角。这是在上午11点。而工地工作人员却没有认识到问题的严重性，桥上还有工人，桥下工棚内的工人还像平时那样，照常吃饭。到11点50分，V形折角发展到使梁的长度缩短，梁的一端便离开支座而下落，该端立即落到地面，而另端在将桥墩撞倒之后则落在桥墩基础之上，惨剧终于形成。当场死35人，伤18人。这次事故的直接原因是：不应该在跨中有正弯矩的情况下拆除其处的接头高强栓；间接原因则是这一施工方案在实施时是困难的。在1970年，钢箱梁是一种新型结构；关于钢板件的承载力理论尚未形成。WestGateBridge（澳大利亚）施工过程坠梁过程4、德国科布伦茨桥1971年11月10日，德国科布伦茨桥在伸臂伸出（于桥墩之外的）长度达104.5m之际，在吊机起吊下一个安装梁段时，梁的伸臂突然在其离墩50多m处(因是连续梁的反弯点，截面最弱）发生折角，使臂端落水。桥上的吊机随之下落，当时是下午2时15分，事故历时仅几秒钟。科布伦茨桥分跨为：102.85+235.99+102.85m，采用从两边进行伸臂安装、在主跨中央合拢的方法。该梁的下翼缘是用T状纵向肋加劲的板件；在接头处，为了用自动焊机实施板的对接焊，将两梁段的T状肋各在离对接缝230mm处中断，而在板的对接焊完成之后，便将一T状肋插节置在两梁段的T状肋之间，用焊接使T状肋连成一通长件；可是，为了方便，却没有要求用焊缝将插节与板相连。于是，在接头处，下翼缘的板就有460mm长度是没有肋的，这就削弱了下翼缘对压力的抗力。随后，在卡尔斯鲁厄大学的研究所进行了所对应的模型试验，T状肋有480mm长度不与板焊连者的抗压能力，仅是T状肋全长与板焊连的59%。这些事故发生之后，英国曾对板件承载力理论进行了深入研究。对于有初始缺陷的板件，已经能将其破坏历程及最大承载力，用数值方法计算出来。若是让钢箱梁仍用梯形横隔板传递支承反力，用计算方法来检验其能否胜任，已经不是难事。对于纵向加劲肋，现在已较多地改用闭口型截面；对于加劲肋在梁段接头处的全长应该与板焊连，基本上已被推广。上述桥梁事故都发生在施工阶段，在血的教训中，人们得到了很多启发。这对以后的设计是有益的。二、宁波招宝山大桥事故1998年9月24日19时50分，宁波招宝山大桥上游箱16号与17号块接缝处底板、斜腹板和直腹板压溃,几分钟后下游箱16号与15号块接缝处底板、斜腹板及直腹板也被压溃。宁波招宝山大桥立面布置图招宝山桥分跨为：74.5+258.0+102.0+83.0+49.5m。主跨是由22号墩悬臂灌注伸出。当灌注到23号块（梁段）时，16号块的底板（及其毗连的腹板）被压碎。经过仔细研究，照原设计的施工安排逐阶段计算，发现：在23号块灌注完成时，15~17号块底板压应力超过24MPa,而所用的混凝土是C50。宁波招宝山大桥立面布置图宁波招宝山大桥主梁横截面宁波招宝山大桥主梁横截面压溃位置示意图1998年12月决定拆除因碎裂而无法利用的部分（23号块~15号块），减载保桥。研究发现：①由于顶、底板都是后张法预应力混凝土，力筋的套管使该板成为“多孔板”，通过强度测试，决定：应该使施工中的压应力≤20MPa，运营时主力组合下的压应力≤17.5MPa、主+附组合的压应力≤21.0MPa②通过多次调索和优化控制，可以使重建部分的压应力在施工时保持在17.5MPa之内；③重建部分，主要是加厚底板（从180mm增至280mm），其次是适当加厚腹板（加厚30~40mm);④为控制截面削弱，在粗轧螺纹钢筋的接长之处套以波纹管（Ф75mm钢筋，用Ф80mm套管），并将这些接头错开来布置；⑤对于不予拆除的梁段，一方面检查其开裂程度并适当修补，另一方面则在箱内各角隅处增加一矩形截面的劲性骨架混凝土小纵梁（凭小纵梁的高配筋率来解决新老混凝土龄期相差过大问题，凭改善工艺来解决梁与板接合处的开裂问题），用小纵梁分担荷载来降低原截面的活载应力。按照这一思路所进行的拆除，补强及重建该桥的工作业已在2001年完成。斜拉桥是高次超静定结构，他现在仍有很多问题需要探索。投入更多的设计力量，研究其行为，改善设计和施工细节是十分必要的。三、贵阳小关桥底板崩裂事故贵阳小关桥主桥为69m+125m+2×160m+112m五跨预应力混凝土双肢薄壁连续刚构桥，主桥全长626m。梁体为单箱双室截面，梁顶宽21.5m，底宽12.5m，跟部高10.5m，跨中高3.0m。主墩均为双薄壁柔性墩，1＃～6＃墩位于直线上，除2＃墩为10个节段为外，其余各墩均为20个节段，阶段长分别为2.5m、3.0m、3.5m、4.0m。2003年11月，在全桥合龙后张拉箱梁底板合龙段纵向预应力束的过程中，5#、2#、1#合龙段及附近底板共有5个部位先后不同程度向上或向下崩裂（均为非对称跨），见下图。1号合龙段右箱室底板底面1号合龙段右箱室底板顶面5号合龙段左箱室底板顶面5号合龙段右箱室底板顶面5号合龙段右箱室底板底面小关水库特大桥底板崩裂区域示意小关水库特大桥底板崩裂区域示意小关水库特大桥底板崩裂区域示意„崩塌原因分析：（1）本桥合龙段底板混凝土的崩裂是由局部应力引起的。（2）合龙段构造钢筋仅在纵向筋之间设勾筋，横向架立筋之间未设置勾筋，同时定位钢筋间距偏大仅用φ8钢筋，且只与构造筋点焊相连，极不可靠。这些因素均可能导致预应力筋在施工过程中偏离设计位置。预应力筋在张拉过程中产生较大的竖向力，可能是向上或向下的集中力或分布力，竖向力导致局部应力过大，从而使底板混凝土崩裂。（3）齿块锚下钢筋太稀，配置过少。（4）底板预应力筋未布置在腹板和梗腋处，导致预应力管道过密，管道间距偏小也是一个不利因素。近几年来，预应力混凝土连续刚构或连续箱梁施工过程中底板混凝土崩裂事故在我国时有发生。如2008年2月28日，达成铁路扩能改造工程唐家渡涪江特大桥（预应力混凝土连续梁）在张拉已合龙的96-97号墩连续梁过程中也发生梁底混凝土剥落现象。底板混凝土掉块位置位于6号块，掉块面积约为2.3×2.1m，掉块厚度约为25cm；露出钢筋面积约0.5×0.6m（见下图）。后经研究分析，预应力波纹管在施工过程中没有采用网片进行定位加固（采用U型钢筋进行定位）会造成局部定位不牢固而导致波纹管局部上浮，波纹管上浮后，在施加预应力过程中导致混凝土受到向下的拉力，从而使混凝土开裂。97号T构达州端梁底剥落情况197号T构达州端梁底剥落情况297号T构达州端梁底剥落情况396号T构成都端梁底剥落情况296号T构成都端梁底剥落情况196号T构成都端梁底剥落情况3综合分析可以认为：预应力管道偏离设计位置致使底板混凝土出现较大局部应力是导致预应力混凝土箱梁底板混凝土崩裂的主要原因。四、钢梁横向连接细节疲劳破坏桥梁钢结构在运营期内要承受车辆、风等动荷载的循环应力作用，如果设计不当，这些循环应力产生的累积损伤就可能引发结构细节的疲劳开裂。运营实践表明，一些钢梁横梁连接构造细节如果处理不当就极易产生疲劳破坏。1、平纵联节点板与主梁的连接连接平纵联杆件与主梁的节点板通常需焊连到主梁的翼缘（连在翼缘侧边或搭在翼缘上面）或腹板上。大量实例和试验研究表明，平纵联节点板连接焊缝端部的疲劳强度相当低，基本接近于各国规范疲劳强度分级的最低等级，稍有不甚此细节极易产生疲劳开裂破坏，美国已有多座钢桥发现此类疲劳开裂破坏。LafayetteStreet桥Hoan桥平纵联节点板连接焊缝细节产生疲劳裂纹的原因很多：一方面，在车辆活载作用下，平纵联和主梁可能产生了一定的共同作用，导致该细节的应力脉和循环次数均较高；另一方面，即使将平纵联杆件与主梁的共同作用降至很低，在车辆活载作用下，平纵联节点板仍可能承受由各种原因引发的面外位移所产生的较高次弯曲应力循环作用。2、钢板梁横梁（或横联）联接板端部连接20世纪80年代前国内外的钢桥设计规范只允许横梁（或横联）联接板端部与受压翼缘焊接，并禁止其与主梁受拉翼缘焊接，目的是为了避免受拉翼缘产生疲劳裂纹。不幸的是，按此要求进行设计的许多钢板梁桥的横梁（或横联）联接板端部间隙区却发现了大量的疲劳裂纹，下图为实桥中此类疲劳裂纹的照片。此类疲劳裂纹的产生位置有两处：一是腹板和翼缘间的角焊缝焊趾处，裂纹形状呈水平状；二是腹板和联接板间角焊缝的端部，裂纹形状呈马蹄形(见下图)。连接板上端部连接板下端部此类裂纹的产生主要源于腹板小间隙区的面外变形。(a)上翼缘腹板间隙处(b)下翼缘腹板间隙处图2-10平面外变形所产生的疲劳裂纹示意图3、横梁与主梁弦杆（或系杆）间连接横梁与主梁弦杆（或系杆）间连接构造的功能是将桥面系荷载传递给主梁，其最理想的受力状态是只传递剪力而不传递弯矩，因为梁端弯矩过大可能会引起主梁弦杆（或系杆）的扭转，并导致构造设置困难。因此，仅在横梁腹板上设置一对连接角钢与主梁弦杆（或系杆）相连是国内外的普遍做法。但事实表明，此种连接方法常会导致在两个位置处出现疲劳裂纹，一是横梁上翼缘与腹板连接焊缝端部，另一处是连接角钢端部。美国已有数十座系杆拱桥和钢桁架桥在此位置处发现了大量的疲劳开裂破坏。美国Birminghambridge横梁联接角钢疲劳开裂横梁端部上翼缘与腹板连接角焊缝的疲劳裂纹美国PatroonIslandBridge桥横梁端部连接细节的疲劳裂纹宝成线白水河大桥横梁连接细节疲劳裂纹近几年来，我国已经或正在修建的多座大跨度钢桁梁桥中均涉及到了此类连接细节，这里介绍一下重庆朝天门长江大桥横梁连接细节疲劳试验结果