橋梁事故及經(jīng)驗教訓(xùn)

橋梁事故及經(jīng)驗教訓(xùn)1概述自從18世紀(jì)70年代歐洲工業(yè)革命以后,隨著大工業(yè)與交通運輸?shù)陌l(fā)展而發(fā)展起來的近代橋梁,至今已有200多年的歷史[1]?；仡櫄v史,不難發(fā)現(xiàn),近代橋梁是在與事故及病害的斗爭中不斷發(fā)展的。橋梁建設(shè)者克服了各種挫折,取得了重大進(jìn)展和成就。經(jīng)過2個多世紀(jì)的發(fā)展,橋梁數(shù)量已異常龐大。無論是鋼橋還是混凝土橋都曾出現(xiàn)過不少破壞事故,有的是在施工過程中,有的則在運營階段。分析總結(jié)這些事故的經(jīng)驗教訓(xùn),對今后的橋梁建設(shè)是有好處的。2鋼橋事故及分析從19世紀(jì)后期至今,鋼橋破壞事例并不鮮見。鋼橋的破壞可分為失穩(wěn)和脆斷兩種情況。橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)可分為下列幾類[2]:①個別構(gòu)件的失穩(wěn),例如壓桿的失穩(wěn)和梁的側(cè)傾;②部分結(jié)構(gòu)或整個結(jié)構(gòu)的失穩(wěn),例如橋門架或整個拱橋的失穩(wěn);③構(gòu)件的局部失穩(wěn),例如組成壓桿的板和板梁腹板的翹曲等,而局部失穩(wěn)常導(dǎo)致整個體系的失穩(wěn)。世界上曾經(jīng)有過不少橋梁因失穩(wěn)而喪失承載能力的事故。例如,俄羅斯的克夫達(dá)敞開式橋,于1875年因上弦桿壓桿失穩(wěn)而引起全橋破壞;加拿大的魁北克橋于1907年在架設(shè)過程中由于懸臂端下弦桿的腹板翹曲而引起嚴(yán)重破壞事故;蘇聯(lián)的莫茲爾橋,于1925年試車時由于壓桿失穩(wěn)而發(fā)生事故;澳大利亞墨爾本附近的西門橋,于1970年在架設(shè)拼攏整孔左右兩半(截面)鋼箱梁時,上翼板在跨中央失穩(wěn),導(dǎo)致112m的整跨倒塌。對鋼材脆斷的研究始于19世紀(jì)末。鋼結(jié)構(gòu)的脆斷事故往往發(fā)生得很突然,沒有明顯的塑性變形,構(gòu)件破壞時的承載能力很低,所導(dǎo)致的損失也十分嚴(yán)重[3]。20世紀(jì)20年代英國人格里菲斯提出了破斷理論,并用缺口沖擊韌性試驗作為檢查材料韌性的手段。但脆斷事故仍時有所聞。例如:1951年1月加拿大魁北克市的一座全焊接鋼橋-杜佩里斯橋突然整跨倒塌[4],斷落于冰凍的河床中。第二次世界大戰(zhàn)前夕,比利時在阿爾貝特運河上建造了約30橋梁事故及經(jīng)驗教訓(xùn)胡漢舟,葉梅新71?1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.座全焊空腹桁架維倫他爾型橋梁,有3座在1938～1940年間倒塌。1994年10月21日,韓國漢城的圣水大橋[5],一座采用鋼桁式結(jié)合梁的4車道公路橋,由于焊接不當(dāng)致使焊縫斷裂而坍塌,造成多人遇難。我國哈爾濱的濱洲線松花江大鋼橋是鉚接結(jié)構(gòu),1901年由俄國建造,1914年發(fā)現(xiàn)裂紋。1962年把主跨8孔7m跨的大鋼橋全部換下,其余11孔3.5m跨的鋼橋至1970年才換下。1973年我國沈大鐵路線上遼陽附近的太子河橋,跨度33m,大橋桁架的第一根斜拉桿脆性斷裂。在這些橋梁的脆性斷裂事故中,低溫、應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力和焊接缺陷等起著十分明顯的作用。3混凝土橋事故及分析在全部橋梁中,混凝土橋梁已經(jīng)占絕大多數(shù)(1989年歐洲橋梁中混凝土橋梁占70%,美國混凝土橋梁占72%,我國混凝土橋梁占90%以上)?；炷翗驓v經(jīng)130余年的發(fā)展,從素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土,以至預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,每一步都含有與混凝土開裂作斗爭的內(nèi)容。在各類橋梁中預(yù)應(yīng)力混凝土橋的缺陷率最低,而使用壽命的期望值最高。根據(jù)1994年秋檢統(tǒng)計,我國鐵路橋梁共有病害橋6137座,占橋梁總數(shù)的18.8%,其中混凝土橋2675座,占病害橋梁的43.6%?；炷翗虻哪途眯越陙硪阎饾u引起各國的高度重視,混凝土橋梁的事故由于其對交通運輸安全暢通影響嚴(yán)重,修復(fù)重建費用浩繁,成為世界各國所共同關(guān)注的問題。自70年代以來,國內(nèi)外都發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁及結(jié)構(gòu)發(fā)生不少損傷的情況,有的還相當(dāng)嚴(yán)重,影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用,甚至危及安全。其原因是多方面的,除與施工質(zhì)量、環(huán)境因素等條件有關(guān)外,預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力腐蝕和環(huán)境腐蝕(力筋銹蝕),特別是后張混凝土梁中的壓漿質(zhì)量難以保證而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性受到影響有關(guān)。如1985年英國威爾士發(fā)生了一起后張灌漿預(yù)應(yīng)力橋梁破壞的事故[6],為此,英國運輸部1992年9月發(fā)布新建橋梁不再使用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的決定;國內(nèi)某市一座斜拉橋建造不久由于拉索的防腐措施不當(dāng)而造成斷裂事故。事實上,近年來國內(nèi)混凝土橋破壞事故的報道屢見不鮮,其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼橋。4國內(nèi)某斜拉橋壓潰事故處理4.1工程概況大橋主橋為帶有協(xié)作體系的雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔斜拉橋,主跨258m,跨度布置為:74.5m+258m+102m+83m+49.5m,總長567m,橋面寬29.5m,主跨分25個節(jié)段采用牽索掛籃施工。大橋在邊跨已經(jīng)合攏,主跨主梁懸澆至23號塊、伸臂長度達(dá)192m時,發(fā)生壓潰斷裂事故,主梁16號塊位置底板、直腹板和斜腹板被壓潰,有關(guān)部門對事故原因進(jìn)行了調(diào)查分析,在基本查清主梁斷裂原因的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了局部拆除、加固和重建工作。4.2大橋局部拆除工程拆除范圍為23～15號塊,共拆除9個8m節(jié)段共72m預(yù)應(yīng)力混凝土梁,卸載34000kN,拆除36根斜拉索。塊件拆除利用原有的主梁懸澆掛籃,塊件鑿除分塊之前,先進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換,把懸臂端最外一根索轉(zhuǎn)換成牽索,使鑿除塊件的全部重量置于牽索掛籃上,在此基礎(chǔ)上對需拆除的8m節(jié)段分塊鑿除、卸載,卸除拆除塊件荷載的同時視結(jié)構(gòu)的受力需要調(diào)整斜拉索索力。每一個塊件拆除卸載完畢,對稱拆除河跨和岸跨最外一根斜拉索,隨著C21′～C15′斜拉索的逐步拆除,為滿足岸側(cè)83m跨梁體受力的需要,在拆除岸側(cè)斜拉索的同時,在岸側(cè)83m跨設(shè)立支架,在拆除斜拉索的相應(yīng)位置用支架支撐梁體,在支撐支架與主梁之間設(shè)置可測試和調(diào)整反力的自鎖式油壓千斤頂,確保保留結(jié)構(gòu)主梁內(nèi)力滿足設(shè)計受力要求,保證保留結(jié)構(gòu)安全可靠。4.3大橋加固重建工程大橋加固重建工程主要由4個部分組成:①有索區(qū)保留主梁的加固;②49.5m跨主梁的加固;③主梁的重建工程;④保留結(jié)構(gòu)的裂縫處理。4.3.1有索區(qū)保留主梁的加固有索區(qū)保留結(jié)構(gòu)主梁的加固范圍為:從主跨14號塊至24號墩間的保留主梁,梁長共305m,有索區(qū)的主梁加固采用在主梁箱室角隅處增設(shè)2道縱梁,同時,對有索區(qū)主梁較簿的斜腹板進(jìn)行加固。加固縱梁位于主梁梁體閉口箱室內(nèi),2道縱梁分別位于底板與斜腹板交界處的角隅和底板與直腹板交界處的角隅處。加固縱梁采用與保留主梁同標(biāo)號的混凝土,縱梁四周布置<20的縱向鋼筋,同時,縱梁內(nèi)設(shè)勁性骨架,勁性骨架采用2根[28c的槽鋼,2根槽鋼采用綴板連接成整體?？v向鋼筋和勁性骨架總的含筋率達(dá)到5.0%(直腹板處)和4%(斜腹板處)。為了加強勁性骨架與加固縱梁混凝土的72橋梁建設(shè)2002年第3期?1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.連接,保證勁性骨架參與縱梁共同受力,勁性骨架上布置了剪力釘。由于加固縱梁與保留主梁混凝土存在較長的齡期差,因此,采取了以下措施來減小加固縱梁混凝土的收縮徐變影響:①提高加固縱梁內(nèi)縱向含筋率;②采用微膨脹混凝土;③采用低陷度的混凝土,要求加強振搗,保證加固縱梁振搗密實;④采用構(gòu)造措施加強加固縱梁與原結(jié)構(gòu)的連接。為保證加固縱梁能參與結(jié)構(gòu)共同受力,采用以下措施處理加固縱梁與原結(jié)構(gòu)的連接問題:①原結(jié)構(gòu)中與加固縱梁接觸面全面鑿毛;②原結(jié)構(gòu)底板、斜腹板及直腹腹板間隔開開槽,使加固縱縱梁與原結(jié)結(jié)構(gòu)間形成剪力鍵;;③設(shè)置連接接鋼筋將原原結(jié)構(gòu)槽口口內(nèi)縱向鋼筋與加固縱縱梁縱向鋼鋼筋焊連起起來;④加固小縱縱梁縱向鋼筋盡可可能穿過保保留結(jié)構(gòu)橫橫梁,對處于橫橫梁預(yù)應(yīng)力束位置無無法穿過橫橫梁的縱向向鋼筋則采采用在橫梁梁的加固縱梁處處開槽,露出原結(jié)結(jié)構(gòu)鋼筋,加固縱梁梁縱向鋼筋與原結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)橫梁鋼鋼筋焊接。4.3.249.5m跨主梁的的加固49.5m跨主梁邊邊室頂板頂頂面靠直腹腹板附近,有數(shù)條幾乎平行行的順橋向向裂縫,長20～40mm,寬0.005～0.100mm之間;同時,在中室及及開口箱的的頂板底面上存在許多多短細(xì)裂縫縫。產(chǎn)生該主梁裂裂縫的主要要原因有以以下幾個方方面:(1)主梁梁斷面過于于單薄,頂板、底底板及斜腹腹板厚度與其相應(yīng)的的受力不適適應(yīng)。(2)499.5m跨主梁39.33mm范圍內(nèi)無無橫隔梁,主梁的橫向傳傳力途徑是是按整體橫橫向框架方方式進(jìn)行的,各室主梁梁頂板尤其其是邊室頂頂板橫向跨跨度過大,導(dǎo)致頂板橫向拉拉應(yīng)力過大大而產(chǎn)生頂頂板順橋向向裂縫。(3)499.5m跨主梁約43.8m范圍內(nèi)無無斜拉索區(qū)域,主梁兩兩側(cè)仍設(shè)置置了較重的的實體塊(每延米4.22t),較重重的實體塊塊加劇了橋橋面板橫向向內(nèi)力,促使橋面面板順橋向裂縫縫的產(chǎn)生。(4)499.5m跨無橫隔隔梁區(qū)域主主梁頂板橫橫向為普通鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu),而橫向鋼鋼筋為<12mm,,間距20cm,縱向為預(yù)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu),鋼筋為<16mmm,間距10cm。(5)對于于25號墩附近近的主梁,由于剪力力較大,端塊范圍內(nèi)的的斜腹板及及底板沒有有進(jìn)行加強強處理,主梁斜腹板及底底板主拉應(yīng)應(yīng)力過大,導(dǎo)致25號墩附近近主梁斜腹板及底底板產(chǎn)生斜斜向裂縫。(6)244號墩主梁梁底板預(yù)應(yīng)應(yīng)力束同一一斷面斷開開過多,達(dá)200束9<jj15mmm,錨后局部部應(yīng)力過于于集中,導(dǎo)致24號號墩附近主主梁底板裂裂縫密集、貫貫通,后期的承載能力達(dá)不不到要求。針對49.5m跨存在的的構(gòu)造問題題及裂縫分分布情況,采用的加加固措施如如下:(1)橋面面板卸載,對主梁兩兩側(cè)構(gòu)造上上不必要的的、重量較大的實實體塊進(jìn)行行切割,減小橋面面板的橫向向內(nèi)力。(2)在底底板與斜腹腹板交界處處增設(shè)縱梁梁,減小邊室橋面板橫向向計算跨度度,同時提高高支座附近近主梁的抗剪能力。(3)增設(shè)設(shè)4道橫梁,增加主梁梁抗畸變能能力,同時提高開口箱主主梁頂板的的抗扭轉(zhuǎn)能能力。(4)增設(shè)設(shè)主梁體外外橫向預(yù)應(yīng)應(yīng)力束,增加橋面面板的橫向壓應(yīng)力力,減小裂縫縫寬度。(5)在224號墩附近近主梁底板板裂縫貫穿穿的范圍內(nèi)加設(shè)厚188cm的鋼筋混混凝土底板板,同時在底底板底面粘貼鋼板條條。49.5m跨主梁加加固工程完完成后,對施工完完成后的加固工程進(jìn)進(jìn)行檢測、觀觀察,表明加固固處理能顯顯著改善本跨主梁的的受力情況況,提高了主主梁的承載載能力。4.3.3主梁重建建工程重建主梁與原原主梁相比比,結(jié)構(gòu)構(gòu)造造和體系上上作了較大的調(diào)整整,主要體現(xiàn)現(xiàn)在以下幾幾個方面:(1)對主主橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)體系作了了適當(dāng)?shù)恼{(diào)調(diào)整。設(shè)置22號號塔墩處的的水平限位位裝置,以減少主主梁兩端的水平位位移,同時,改善了主主梁的受力力狀態(tài);23號墩設(shè)置拉壓壓支座,保證體系系的受力明明確;塔頂鋼橫橫梁后期固定,,亦改善了了主梁的受受力狀況。(2)對重重建主梁的的底板及斜斜腹板厚度度進(jìn)行了調(diào)整。底板厚度增加加至28ccm,斜腹板厚厚度增加至至22cm。由于重重建部分的的主梁位于于主跨合龍龍段附近,運營階段主梁承承受較大的的正彎矩;通過對重重建主梁底底板及斜腹板厚厚度的調(diào)整整,主梁的中中性軸下移移,增加了重建主梁的抗抗彎剛度。同同時,增加主梁梁底板及斜斜腹板的厚度也是是構(gòu)造上的的需要。(3)對重重建主梁的的橫隔梁厚厚度進(jìn)行了了調(diào)整。橫隔梁的厚度度由原來的的25ccm調(diào)整至28ccm。由于橫隔梁內(nèi)內(nèi)布置了2束19<<j15的預(yù)應(yīng)力力束,預(yù)應(yīng)力束的孔道直直徑較大,調(diào)整橫隔隔梁厚度后后,橫隔梁鋼鋼筋的凈保護(hù)層層厚度相應(yīng)應(yīng)地增加了了。(4)重建建主梁增設(shè)設(shè)了連續(xù)梁梁側(cè)3.5m過渡段。通過3.55m過渡段將21號墩主梁梁的雙箱雙雙室直腹板截面過過渡到斜拉拉橋的雙箱箱雙室斜腹腹板截面,橋梁事故及經(jīng)經(jīng)驗教訓(xùn)胡漢舟舟,葉梅新73?19955-20006TssinghhuaTTongffangOptiicalDisccCo..,Lttd.AAllrrighttsreeservved.避免了原設(shè)計計的兩類截截面突變現(xiàn)現(xiàn)象,這樣有利利于傳力勻順。(5)對重重建主梁雙雙箱雙室斷斷面的布置置范圍進(jìn)行行了調(diào)整。由于斜拉橋主主梁剪力較較小,因此,較原設(shè)計計大幅度減小了斜拉拉橋主梁雙雙箱雙室斷斷面的范圍圍,重建主梁僅25號號塊和24號塊的一一部分為雙雙箱雙室斷斷面,其余主梁均為為雙箱單室室斷面。(6)對重重建主梁安安裝階段預(yù)預(yù)應(yīng)力粗鋼鋼筋的數(shù)量量及布置方式進(jìn)進(jìn)行了調(diào)整整。原設(shè)計的主梁梁安裝階段段的預(yù)應(yīng)力力粗鋼筋數(shù)數(shù)量最多時一個塊件件達(dá)140根,且每根均均在塊件前前端面上張拉錨固,預(yù)預(yù)應(yīng)力筋的的孔道對斷斷面削弱很很大。重建建設(shè)計中,通過過調(diào)整施工工控制方案案,安裝階段段的預(yù)應(yīng)力力粗鋼筋數(shù)量減減少到每塊塊件僅64根,在構(gòu)造上上采用交錯錨固接長。(7)對重重建主梁運運營階段的的預(yù)應(yīng)力束束數(shù)量進(jìn)行行了調(diào)整。重建主梁位于于主跨跨中中區(qū)域,活載正彎彎矩較大,因此,重建主主梁下緣增增設(shè)了較多多的預(yù)應(yīng)力力鋼絞線束束。(8)對重重建主梁的的豎向預(yù)應(yīng)應(yīng)力筋數(shù)量量及布置方方式進(jìn)行了調(diào)整整。為了控制斜腹腹板裂縫,重建主梁梁增加了斜斜腹板豎向預(yù)應(yīng)力粗粗鋼筋的數(shù)數(shù)量,同時,斜腹板豎豎向預(yù)應(yīng)力力粗鋼筋采用無無粘接方式式,這樣,可減小預(yù)預(yù)應(yīng)力筋對對斜腹板斷面的削削弱。(9)重建建主梁鋼筋筋布置進(jìn)行行了調(diào)整。重建主梁的縱縱向鋼筋交交錯搭接,2層鋼筋網(wǎng)網(wǎng)間增設(shè)連接筋,,斜腹板鋼鋼筋布置及及局部薄弱弱位置增加加鋼筋等,在在與原結(jié)構(gòu)構(gòu)的鋼筋布布置相比,均進(jìn)行了了調(diào)整。由于大幅度減減少了雙箱箱雙室截面面的布置范范圍,在基本維持原原設(shè)計恒載載水平的情情況下,加強了結(jié)結(jié)構(gòu),并使原有的斜斜拉索得以以利用。4.3.4保留主梁梁的裂縫處處理保留結(jié)構(gòu)主梁梁在安裝階階段和壓潰潰破壞過程程中及主梁局部拆除除過程中產(chǎn)產(chǎn)生了較多多的裂縫,裂縫的處處理好壞是保留留主梁能否否安全受力力和后期主主梁的耐久久性能否達(dá)到要要求的關(guān)鍵鍵。保留結(jié)結(jié)構(gòu)主梁裂裂縫按以下下原則處理:(1)裂縫縫位置后期期荷載產(chǎn)生生的拉應(yīng)力力超過截面面容許拉應(yīng)力時時,對裂縫進(jìn)進(jìn)行補強處處理。(2)某些些截面已發(fā)發(fā)現(xiàn)裂縫貫貫通時,對裂縫進(jìn)進(jìn)行補強處理。(3)對于于直接遭受受雨水侵襲襲的橋面板板裂縫,采用能提高其抗抗?jié)B性能的的賽柏斯材材料進(jìn)行處處理。(4)其它它裂縫按耐耐久性進(jìn)行行處理。對對縫寬≥0.15mm的裂縫采采用壓力灌灌漿,對縫寬<0..15mm的裂縫作表面面封閉處理理。由于保留主梁梁裂縫較多多,大部分裂裂縫寬度較較細(xì),分布較密成網(wǎng)網(wǎng)狀,普通的裂裂縫修補無無法進(jìn)行,同時,考慮本橋地處處沿海地區(qū)區(qū),環(huán)境較差,為防止大大氣污染對主梁的腐蝕蝕,保證結(jié)構(gòu)構(gòu)的耐久性性,結(jié)合保留留主梁的裂縫處理,對對主梁外表表面進(jìn)行防防腐涂裝。通過對保留結(jié)結(jié)構(gòu)主梁裂裂縫的補強強、壓力灌灌漿及表面封閉,再再輔以主梁梁外表的防防腐涂裝,可以保證證結(jié)構(gòu)的耐久性要要求。4.3.5加固重建建工程的施施工控制保留結(jié)構(gòu)加固固期間通過過斜拉索索索力的調(diào)整整使加固縱梁始終處處于受壓狀狀態(tài);重建主梁梁懸澆過程程中通過每節(jié)段澆筑筑1/22節(jié)段混凝凝土調(diào)整牽牽索索力來來控制施工期間的應(yīng)應(yīng)力水平;通過增加加主梁合龍龍后全橋調(diào)調(diào)索的方法,解解決了成橋橋索力與懸懸臂施工期期間塔梁臨臨時約束水平力力過大之間間的矛盾。由于采取了在在每階段懸懸澆混凝土土期間增加加調(diào)索等措施,主梁梁施工期間間保留結(jié)構(gòu)構(gòu)壓應(yīng)力實實際控制在在16MPaa以下,重建主梁梁壓應(yīng)力實實際控制在在17.5MPa以下下,主梁無拉拉應(yīng)力產(chǎn)生生。對每一個懸澆澆節(jié)段,進(jìn)行2次正常的的控制監(jiān)測測,選擇深夜或凌凌晨同步進(jìn)進(jìn)行索力、應(yīng)應(yīng)力、線形形、溫度測測試,并對橋上上臨時荷載載進(jìn)行統(tǒng)計計調(diào)查。在在對實測索索力和線形進(jìn)行行標(biāo)準(zhǔn)化處處理(除去溫度度和臨時荷荷載的影響)后,,通過綜合合考慮索力力、線形實實測值與理理論值的差異,決定定是否需對對索力進(jìn)行行調(diào)整。在重建結(jié)構(gòu)懸懸澆施工過過程中,通過多次次調(diào)索和優(yōu)優(yōu)化控制手段,,使安裝階階段負(fù)彎矩矩由原870000kkN·m減少到370000kkN·m,使安裝過過程主梁應(yīng)應(yīng)力保持在在17.5MPa以內(nèi)的較較低應(yīng)力水水平,確保了重重建結(jié)構(gòu)懸懸臂施工過程的安安全。4.4局部拆除除加固重建建工程質(zhì)量量鑒定保留主梁加固固施工的過過程中,選擇了有有代表性的位置進(jìn)行加加載測試,加載測試試結(jié)果表明明:各級加載載結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實實測值與理理論值吻合合良好,說明加固固結(jié)構(gòu)能完整地參參與保留結(jié)結(jié)構(gòu)受力,卸載后各各項反應(yīng)能能基本恢復(fù)至初初始狀