桥梁事故及经验教训

桥梁事故及经验教训1概述自从18世纪70年代欧洲工业革命以后,随着大工业与交通运输的发展而发展起来的近代桥梁,至今已有200多年的历史[1]。回顾历史,不难发现,近代桥梁是在与事故及病害的斗争中不断发展的。桥梁建设者克服了各种挫折,取得了重大进展和成就。经过2个多世纪的发展,桥梁数量已异常庞大。无论是钢桥还是混凝土桥都曾出现过不少破坏事故,有的是在施工过程中,有的则在运营阶段。分析总结这些事故的经验教训,对今后的桥梁建设是有好处的。2钢桥事故及分析从19世纪后期至今,钢桥破坏事例并不鲜见。钢桥的破坏可分为失稳和脆断两种情况。桥梁结构的失稳可分为下列几类[2]:①个别构件的失稳,例如压杆的失稳和梁的侧倾;②部分结构或整个结构的失稳,例如桥门架或整个拱桥的失稳;③构件的局部失稳,例如组成压杆的板和板梁腹板的翘曲等,而局部失稳常导致整个体系的失稳。世界上曾经有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故。例如,俄罗斯的克夫达敞开式桥,于1875年因上弦杆压杆失稳而引起全桥破坏;加拿大的魁北克桥于1907年在架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲而引起严重破坏事故;苏联的莫兹尔桥,于1925年试车时由于压杆失稳而发生事故;澳大利亚墨尔本附近的西门桥,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。对钢材脆断的研究始于19世纪末。钢结构的脆断事故往往发生得很突然,没有明显的塑性变形,构件破坏时的承载能力很低,所导致的损失也十分严重[3]。20世纪20年代英国人格里菲斯提出了破断理论,并用缺口冲击韧性试验作为检查材料韧性的手段。但脆断事故仍时有所闻。例如:1951年1月加拿大魁北克市的一座全焊接钢桥-杜佩里斯桥突然整跨倒塌[4],断落于冰冻的河床中。第二次世界大战前夕,比利时在阿尔贝特运河上建造了约30桥梁事故及经验教训胡汉舟,叶梅新71©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.座全焊空腹桁架维伦他尔型桥梁,有3座在1938～1940年间倒塌。1994年10月21日,韩国汉城的圣水大桥[5],一座采用钢桁式结合梁的4车道公路桥,由于焊接不当致使焊缝断裂而坍塌,造成多人遇难。我国哈尔滨的滨洲线松花江大钢桥是铆接结构,1901年由俄国建造,1914年发现裂纹。1962年把主跨8孔7m跨的大钢桥全部换下,其余11孔3.5m跨的钢桥至1970年才换下。1973年我国沈大铁路线上辽阳附近的太子河桥,跨度33m,大桥桁架的第一根斜拉杆脆性断裂。在这些桥梁的脆性断裂事故中,低温、应力集中、焊接残余应力和焊接缺陷等起着十分明显的作用。3混凝土桥事故及分析在全部桥梁中,混凝土桥梁已经占绝大多数(1989年欧洲桥梁中混凝土桥梁占70%,美国混凝土桥梁占72%,我国混凝土桥梁占90%以上)。混凝土桥历经130余年的发展,从素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土、部分预应力混凝土,以至预应力钢筋混凝土,每一步都含有与混凝土开裂作斗争的内容。在各类桥梁中预应力混凝土桥的缺陷率最低,而使用寿命的期望值最高。根据1994年秋检统计,我国铁路桥梁共有病害桥6137座,占桥梁总数的18.8%,其中混凝土桥2675座,占病害桥梁的43.6%。混凝土桥的耐久性近年来已逐渐引起各国的高度重视,混凝土桥梁的事故由于其对交通运输安全畅通影响严重,修复重建费用浩繁,成为世界各国所共同关注的问题。自70年代以来,国内外都发现预应力混凝土桥梁及结构发生不少损伤的情况,有的还相当严重,影响桥梁结构的正常使用,甚至危及安全。其原因是多方面的,除与施工质量、环境因素等条件有关外,预应力筋的应力腐蚀和环境腐蚀(力筋锈蚀),特别是后张混凝土梁中的压浆质量难以保证而导致预应力混凝土桥梁结构的耐久性受到影响有关。如1985年英国威尔士发生了一起后张灌浆预应力桥梁破坏的事故[6],为此,英国运输部1992年9月发布新建桥梁不再使用后张有粘结预应力梁的决定;国内某市一座斜拉桥建造不久由于拉索的防腐措施不当而造成断裂事故。事实上,近年来国内混凝土桥破坏事故的报道屡见不鲜,其数量远远超过钢桥。4国内某斜拉桥压溃事故处理4.1工程概况大桥主桥为带有协作体系的双索面预应力混凝土独塔斜拉桥,主跨258m,跨度布置为:74.5m+258m+102m+83m+49.5m,总长567m,桥面宽29.5m,主跨分25个节段采用牵索挂篮施工。大桥在边跨已经合拢,主跨主梁悬浇至23号块、伸臂长度达192m时,发生压溃断裂事故,主梁16号块位置底板、直腹板和斜腹板被压溃,有关部门对事故原因进行了调查分析,在基本查清主梁断裂原因的基础上,进行了局部拆除、加固和重建工作。4.2大桥局部拆除工程拆除范围为23～15号块,共拆除9个8m节段共72m预应力混凝土梁,卸载34000kN,拆除36根斜拉索。块件拆除利用原有的主梁悬浇挂篮,块件凿除分块之前,先进行结构体系转换,把悬臂端最外一根索转换成牵索,使凿除块件的全部重量置于牵索挂篮上,在此基础上对需拆除的8m节段分块凿除、卸载,卸除拆除块件荷载的同时视结构的受力需要调整斜拉索索力。每一个块件拆除卸载完毕,对称拆除河跨和岸跨最外一根斜拉索,随着C21′～C15′斜拉索的逐步拆除,为满足岸侧83m跨梁体受力的需要,在拆除岸侧斜拉索的同时,在岸侧83m跨设立支架,在拆除斜拉索的相应位置用支架支撑梁体,在支撑支架与主梁之间设置可测试和调整反力的自锁式油压千斤顶,确保保留结构主梁内力满足设计受力要求,保证保留结构安全可靠。4.3大桥加固重建工程大桥加固重建工程主要由4个部分组成:①有索区保留主梁的加固;②49.5m跨主梁的加固;③主梁的重建工程;④保留结构的裂缝处理。4.3.1有索区保留主梁的加固有索区保留结构主梁的加固范围为:从主跨14号块至24号墩间的保留主梁,梁长共305m,有索区的主梁加固采用在主梁箱室角隅处增设2道纵梁,同时,对有索区主梁较簿的斜腹板进行加固。加固纵梁位于主梁梁体闭口箱室内,2道纵梁分别位于底板与斜腹板交界处的角隅和底板与直腹板交界处的角隅处。加固纵梁采用与保留主梁同标号的混凝土,纵梁四周布置<20的纵向钢筋,同时,纵梁内设劲性骨架,劲性骨架采用2根[28c的槽钢,2根槽钢采用缀板连接成整体。纵向钢筋和劲性骨架总的含筋率达到5.0%(直腹板处)和4%(斜腹板处)。为了加强劲性骨架与加固纵梁混凝土的72桥梁建设2002年第3期©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.连接,保证劲性骨架参与纵梁共同受力,劲性骨架上布置了剪力钉。由于加固纵梁与保留主梁混凝土存在较长的龄期差,因此,采取了以下措施来减小加固纵梁混凝土的收缩徐变影响:①提高加固纵梁内纵向含筋率;②采用微膨胀混凝土;③采用低陷度的混凝土,要求加强振捣,保证加固纵梁振捣密实;④采用构造措施加强加固纵梁与原结构的连接。为保证加固纵梁能参与结构共同受力,采用以下措施处理加固纵梁与原结构的连接问题:①原结构中与加固纵梁接触面全面凿毛;②原结构底板、斜腹板及直腹腹板间隔开开槽,使加固纵纵梁与原结结构间形成剪力键;;③设置连接接钢筋将原原结构槽口口内纵向钢筋与加固纵纵梁纵向钢钢筋焊连起起来;④加固小纵纵梁纵向钢筋尽可可能穿过保保留结构横横梁,对处于横横梁预应力束位置无无法穿过横横梁的纵向向钢筋则采采用在横梁梁的加固纵梁处处开槽,露出原结结构钢筋,加固纵梁梁纵向钢筋与原结构构内横梁钢钢筋焊接。4.3.249.5m跨主梁的的加固49.5m跨主梁边边室顶板顶顶面靠直腹腹板附近,有数条几乎平行行的顺桥向向裂缝,长20～40mm,宽0.005～0.100mm之间;同时,在中室及及开口箱的的顶板底面上存在许多多短细裂缝缝。产生该主梁裂裂缝的主要要原因有以以下几个方方面:(1)主梁梁断面过于于单薄,顶板、底底板及斜腹腹板厚度与其相应的的受力不适适应。(2)499.5m跨主梁39.33mm范围内无无横隔梁,主梁的横向传传力途径是是按整体横横向框架方方式进行的,各室主梁梁顶板尤其其是边室顶顶板横向跨跨度过大,导致顶板横向拉拉应力过大大而产生顶顶板顺桥向向裂缝。(3)499.5m跨主梁约43.8m范围内无无斜拉索区域,主梁两两侧仍设置置了较重的的实体块(每延米4.22t),较重重的实体块块加剧了桥桥面板横向向内力,促使桥面面板顺桥向裂缝缝的产生。(4)499.5m跨无横隔隔梁区域主主梁顶板横横向为普通钢筋混凝凝土结构,而横向钢钢筋为<12mm,,间距20cm,纵向为预预应力结构构,钢筋为<16mmm,间距10cm。(5)对于于25号墩附近近的主梁,由于剪力力较大,端块范围内的的斜腹板及及底板没有有进行加强强处理,主梁斜腹板及底底板主拉应应力过大,导致25号墩附近近主梁斜腹板及底底板产生斜斜向裂缝。(6)244号墩主梁梁底板预应应力束同一一断面断开开过多,达200束9<jj15mmm,锚后局部部应力过于于集中,导致24号号墩附近主主梁底板裂裂缝密集、贯贯通,后期的承载能力达不不到要求。针对49.5m跨存在的的构造问题题及裂缝分分布情况,采用的加加固措施如如下:(1)桥面面板卸载,对主梁两两侧构造上上不必要的的、重量较大的实实体块进行行切割,减小桥面面板的横向向内力。(2)在底底板与斜腹腹板交界处处增设纵梁梁,减小边室桥面板横向向计算跨度度,同时提高高支座附近近主梁的抗剪能力。(3)增设设4道横梁,增加主梁梁抗畸变能能力,同时提高开口箱主主梁顶板的的抗扭转能能力。(4)增设设主梁体外外横向预应应力束,增加桥面面板的横向压应力力,减小裂缝缝宽度。(5)在224号墩附近近主梁底板板裂缝贯穿穿的范围内加设厚188cm的钢筋混混凝土底板板,同时在底底板底面粘贴钢板条条。49.5m跨主梁加加固工程完完成后,对施工完完成后的加固工程进进行检测、观观察,表明加固固处理能显显著改善本跨主梁的的受力情况况,提高了主主梁的承载载能力。4.3.3主梁重建建工程重建主梁与原原主梁相比比,结构构造造和体系上上作了较大的调整整,主要体现现在以下几几个方面:(1)对主主桥的结构构体系作了了适当的调调整。设置22号号塔墩处的的水平限位位装置,以减少主主梁两端的水平位位移,同时,改善了主主梁的受力力状态;23号墩设置拉压压支座,保证体系系的受力明明确;塔顶钢横横梁后期固定,,亦改善了了主梁的受受力状况。(2)对重重建主梁的的底板及斜斜腹板厚度度进行了调整。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龙龙段附近,运营阶段主梁承承受较大的的正弯矩;通过对重重建主梁底底板及斜腹板厚厚度的调整整,主梁的中中性轴下移移,增加了重建主梁的抗抗弯刚度。同同时,增加主梁梁底板及斜斜腹板的厚度也是是构造上的的需要。(3)对重重建主梁的的横隔梁厚厚度进行了了调整。横隔梁的厚度度由原来的的25ccm调整至28ccm。由于横隔梁内内布置了2束19<<j15的预应力力束,预应力束的孔道直直径较大,调整横隔隔梁厚度后后,横隔梁钢钢筋的净保护层层厚度相应应地增加了了。(4)重建建主梁增设设了连续梁梁侧3.5m过渡段。通过3.55m过渡段将21号墩主梁梁的双箱双双室直腹板截面过过渡到斜拉拉桥的双箱箱双室斜腹腹板截面,桥梁事故及经经验教训胡汉舟舟,叶梅新73©19955-20006TssinghhuaTTongffangOptiicalDisccCo..,Lttd.AAllrrighttsreeservved.避免了原设计计的两类截截面突变现现象,这样有利利于传力匀顺。(5)对重重建主梁双双箱双室断断面的布置置范围进行行了调整。由于斜拉桥主主梁剪力较较小,因此,较原设计计大幅度减小了斜拉拉桥主梁双双箱双室断断面的范围围,重建主梁仅25号号块和24号块的一一部分为双双箱双室断断面,其余主梁均为为双箱单室室断面。(6)对重重建主梁安安装阶段预预应力粗钢钢筋的数量量及布置方式进进行了调整整。原设计的主梁梁安装阶段段的预应力力粗钢筋数数量最多时一个块件件达140根,且每根均均在块件前前端面上张拉锚固,预预应力筋的的孔道对断断面削弱很很大。重建建设计中,通过过调整施工工控制方案案,安装阶段段的预应力力粗钢筋数量减减少到每块块件仅64根,在构造上上采用交错锚固接长。(7)对重重建主梁运运营阶段的的预应力束束数量进行行了调整。重建主梁位于于主跨跨中中区域,活载正弯弯矩较大,因此,重建主主梁下缘增增设了较多多的预应力力钢绞线束束。(8)对重重建主梁的的竖向预应应力筋数量量及布置方方式进行了调整整。为了控制斜腹腹板裂缝,重建主梁梁增加了斜斜腹板竖向预应力粗粗钢筋的数数量,同时,斜腹板竖竖向预应力力粗钢筋采用无无粘接方式式,这样,可减小预预应力筋对对斜腹板断面的削削弱。(9)重建建主梁钢筋筋布置进行行了调整。重建主梁的纵纵向钢筋交交错搭接,2层钢筋网网间增设连接筋,,斜腹板钢钢筋布置及及局部薄弱弱位置增加加钢筋等,在在与原结构构的钢筋布布置相比,均进行了了调整。由于大幅度减减少了双箱箱双室截面面的布置范范围,在基本维持原原设计恒载载水平的情情况下,加强了结结构,并使原有的斜斜拉索得以以利用。4.3.4保留主梁梁的裂缝处处理保留结构主梁梁在安装阶阶段和压溃溃破坏过程程中及主梁局部拆除除过程中产产生了较多多的裂缝,裂缝的处处理好坏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达到要要求的关键键。保留结结构主梁裂裂缝按以下下原则处理:(1)裂缝缝位置后期期荷载产生生的拉应力力超过截面面容许拉应力时时,对裂缝进进行补强处处理。(2)某些些截面已发发现裂缝贯贯通时,对裂缝进进行补强处理。(3)对于于直接遭受受雨水侵袭袭的桥面板板裂缝,采用能提高其抗抗渗性能的的赛柏斯材材料进行处处理。(4)其它它裂缝按耐耐久性进行行处理。对对缝宽≥0.15mm的裂缝采采用压力灌灌浆,对缝宽<0..15mm的裂缝作表面面封闭处理理。由于保留主梁梁裂缝较多多,大部分裂裂缝宽度较较细,分布较密成网网状,普通的裂裂缝修补无无法进行,同时,考虑本桥地处处沿海地区区,环境较差,为防止大大气污染对主梁的腐蚀蚀,保证结构构的耐久性性,结合保留留主梁的裂缝处理,对对主梁外表表面进行防防腐涂装。通过对保留结结构主梁裂裂缝的补强强、压力灌灌浆及表面封闭,再再辅以主梁梁外表的防防腐涂装,可以保证证结构的耐久性要要求。4.3.5加固重建建工程的施施工控制保留结构加固固期间通过过斜拉索索索力的调整整使加固纵梁始终处处于受压状状态;重建主梁梁悬浇过程程中通过每节段浇筑筑1/22节段混凝凝土调整牵牵索索力来来控制施工期间的应应力水平;通过增加加主梁合龙龙后全桥调调索的方法,解解决了成桥桥索力与悬悬臂施工期期间塔梁临临时约束水平力力过大之间间的矛盾。由于采取了在在每阶段悬悬浇混凝土土期间增加加调索等措施,主梁梁施工期间间保留结构构压应力实实际控制在在16MPaa以下,重建主梁梁压应力实实际控制在在17.5MPa以下下,主梁无拉拉应力产生生。对每一个悬浇浇节段,进行2次正常的的控制监测测,选择深夜或凌凌晨同步进进行索力、应应力、线形形、温度测测试,并对桥上上临时荷载载进行统计计调查。在在对实测索索力和线形进行行标准化处处理(除去温度度和临时荷荷载的影响)后,,通过综合合考虑索力力、线形实实测值与理理论值的差异,决定定是否需对对索力进行行调整。在重建结构悬悬浇施工过过程中,通过多次次调索和优优化控制手段,,使安装阶阶段负弯矩矩由原870000kkN·m减少到370000kkN·m,使安装过过程主梁应应力保持在在17.5MPa以内的较较低应力水水平,确保了重重建结构悬悬臂施工过程的安安全。4.4局部拆除除加固重建建工程质量量鉴定保留主梁加固固施工的过过程中,选择了有有代表性的位置进行加加载测试,加载测试试结果表明明:各级加载载结构反应的实实测值与理理论值吻合合良好,说明加固固结构能完整地参参与保留结结构受力,卸载后各各项反应能能基本恢复至初初始状