桥梁体系设计与节点设计

桥梁体系设计与节点设计

SystemDesign&NodeDesignofBridge演讲者简介何初生，男，高级工程师，东南大学建筑设计研究院有限公司交通规划设计院桥隧总工。1995年本科毕业于东南大学公路与城市道路专业，2005年硕士毕业于东南大学道桥梁与隧道工程专业。从业28年，主要从事桥梁设计与研究、设计院技术管理等工作。曾主持过江都市龙川大桥、湖州龙溪港大桥、阜阳南京路泉河大桥、昆山中环快速路、南京长江大桥双曲拱加固改造等一大批工程设计。获南京市级优秀设计奖14项，获江苏省、教育部、交通部优秀设计奖29项，获全国优秀工程勘察设计行业奖4项。发表期刊论文10余篇，其中EI收录5篇。主编论著一本。讲座提纲

引言一桥梁结构体系分类二桥梁体系设计案例三桥梁节点设计案例四结语五一、引言桥梁是跨越障碍、沟通两岸的建筑物。桥梁两大功能：（1）通行（2）观赏、游玩设计属于桥梁全寿命周期中重要一环二、桥梁结构体系分类1、梁桥原始的梁桥现代的梁桥序号桥名主跨（米）所在地区建成时间1重庆石板坡长江大桥330中国20062斯托尔桑德特桥大桥301挪威19983尼特洛伊大桥300巴西19744拉大森德大桥298挪威19985虎门大桥辅航道桥270中国19976苏通长江大桥专用航道桥268中国20087云南红河大桥265中国20038门道桥260澳大利亚19859瓦洛德二号桥260挪威199410泸州长江大桥252中国2000世界排名前10位的梁式桥（中国5座）重庆石板坡长江大桥世界最大跨径梁式桥主跨330米2、拱桥天生的拱桥人造的拱桥序号桥名主跨（米）所在地区建成时间1天峨龙滩大桥600中国在建2平南三桥575中国20203朝天门大桥552中国20094卢浦大桥550中国20035秭归长江大桥531.2中国20196合江一桥530中国20137NewRiverGorgeBridge518美国19778合江长江公路大桥507中国20219BayonneBridge504美国193110SydneyHarbourBridge503澳大利亚1932世界排名前10位的拱桥（中国7座）天峨龙滩大桥世界最大跨径拱桥主跨600米3、斜拉桥古代的吊桥现代的斜拉桥世界排名前10位的斜拉桥（中国7座）序号桥名主跨（米）所在地区建成时间1常泰大桥1176中国在建2Russky

Bridge1104俄罗斯20123沪苏通长江大桥1092中国20194苏通长江大桥1088中国20085昂船洲大桥1018中国

20096青山大桥938中国20217鄂东长江大桥926中国20108嘉鱼大桥920中国20199多多罗大桥890日本199910NormandyBridge856法国1995常泰长江大桥世界最大斜拉桥主跨1176米4、悬索桥四川泸定桥天然树藤桥序号桥名主跨（米）所在地区建成时间1张皋长江大桥2300中国在建2狮子洋大桥2180中国在建3Çanakkale1915Bridge2023土耳其20224明石海峡大桥1991日本19985新仙路大桥1760中国在建6六横大桥1756中国在建7杨泗港长江大桥1700中国20198虎门二桥1688中国20199深中通道伶仃洋大桥1666中国在建10西堠门大桥1650中国2009世界排名前10位的悬索桥（中国8座）土耳其1915恰纳卡莱大桥世界最大跨径悬索桥主跨2023米，2022年建成张靖皋大桥将成为世界最大跨径悬索桥主跨2300米，预计2028年建成墨西拿海峡大桥将重新启动主跨3300米直布罗陀海峡大桥曾设想主跨5000米桥梁，近期研究已改隧道形式。5、浮桥6、开启桥桥梁的技术难度的两大发展方向大好三、桥梁体系设计案例1、南京长江大桥双曲拱桥2、广州南沙聚星桥3、一个挪威老人和他的桥1、南京长江大桥双曲拱桥改造设计（1）南京长江大桥是中国的骄傲南京长江大桥开工时，双曲拱桥还未发明。公路引桥靠近两端接线部分，原来方案是高填方。随着1964年双曲拱桥的出现，将高填方改为双曲拱桥的呼声越来越强烈，最终战胜高填方方案。最后仅用了69天，就完成了南北引桥共22孔双曲拱桥的建设，充分体现了双曲拱桥的优势。双曲拱桥的主要病害拱肋纵向锈蚀胀裂拱肋混凝土剥落、露筋拱波纵向裂缝双曲拱桥的主要病害双曲拱桥是1964年由江苏省无锡县建桥职工在传统石拱桥基础上创建的一种新桥型。该桥型构思巧妙，截面受力效率高，节省材料（特别是当时紧缺的钢筋），而且采用化整为零的工艺，施工简便易行，无需大型设备。该桥型自出现以来，迅速受到各地热烈欢迎，风靡全国。截至1979年底，全国共建公路双曲拱桥4064座。得益于双曲拱桥的大力推广，截至1986年，江苏无锡县完成全县3500多座农用危桥的改造，成为全国第一个乡乡村村通公路的县。双曲拱桥的应用，对当时的交通发展和社会经济发展起到了非常积极的作用。双曲拱桥是时代的见证者（3）双曲拱桥的保护南京长江大桥开工时，双曲拱桥还未发明。公路引桥靠近两端接线部分，原来方案是高填方。随着1964年双曲拱桥的出现，将高填方改为双曲拱桥的呼声越来越强烈，最终战胜高填方方案。最后仅用了69天，就完成了南北引桥共22孔双曲拱桥的建设，充分体现了双曲拱桥的优势。南京长江大桥开工时，双曲拱桥还未发明。公路引桥靠近两端接线部分，原来方案是高填方。随着1964年双曲拱桥的出现，将高填方改为双曲拱桥的呼声越来越强烈，最终战胜高填方方案。最后仅用了69天，就完成了南北引桥共22孔双曲拱桥的建设，充分体现了双曲拱桥的优势。进入20世纪80年代以后，双曲拱桥开始暴露出不少问题，主要有：（1）荷载标准低（2）横向联系差（3）桥面质量差（4）桥面宽度窄（5）软土地基基础沉降（6）通航净空不足平原软土地区的双曲拱桥改造大都是拆除，保留的很少。业内大部分人认为双曲拱桥是落后淘汰的桥型。双曲拱桥的缺点对于本工程双曲拱桥，由于存在文物属性，应尽量保护利用。对于前面所列传统双曲拱桥随时代发展暴露的6大问题，本工程都不存在或容易解决（见下表）。于是我们坚定了保留并改造双曲拱桥的决心。本工程双曲拱可改造的原因一般双曲拱桥的缺陷南京长江大桥双曲拱桥荷载标准低无需提高荷载标准横向联系差可增强横向联系桥面质量差可设复合式路面改进桥面宽度窄本桥无需加宽软基基础沉降本桥已稳定通航净空不足本桥为旱桥，不存在经过将近十年的研究论证，综合各方意见，确定南京长江大桥双曲拱桥加固改造理念如下：（1）维持双曲拱桥的外观与结构体系基本不变（为了实现保护大桥的文物价值和保留双曲拱桥的历史价值的雄心！）；（2）上部结构重量基本不变；（3）恢复结构承载力，提升结构的耐久性；（4）选用合理的材料、工艺，确保加固目标。设计理念前期研究始终有拆除方案，作为比较方案保留与拆除的较量正式设计阶段，通过项目建议书、可研、初步设计，通过设计院及专家的不断论证，方案逐渐收敛，最后初设文件中保留两个方案：方案一：加固主拱圈，更换拱上填料；方案二：加固主拱圈，拱上建筑更换为梁拱式结构。推荐原汁原味的方案一。初步设计评审会，北京专家的意见引起惊天波澜！双曲拱桥宜系统改造结构受力体系，建议采用更明确的结构受力体系。回复：双曲拱桥是特定历史时期的产物，在使用过程中确实存在材料标准低、结构整体性差、荷载标准低、桥面质量差等通病。但南京长江大桥双曲拱桥的病害以耐久性病害为主，不存在拱轴线变形、主拱圈横向裂缝等致命病害。在进行了大量调查研究、分析计算的基础上，综合听取了全国双曲拱改造专家的意见，经多次专项论证，认为本工程是可以加固改造的。同时在加固改造中消除结构安全隐患，并大大提升结构的耐久性。设计院的迅速应对！（1）回复专家意见不卑不亢，又有礼有节。推荐加固方案是保持原双曲拱桥受力图式。双曲拱是不合理的受力图式，不必要重提它是“民族”的结构形式。建议考虑外形与双曲拱相似、实质为板式拱的方案。回复：双曲拱桥存在材料标号低、荷载标准低、横向整体性差、桥面质量差等通病是事实，在新时期不适应经济的快速发展和荷载的快速增加也是事实，在江苏平原地区再叠加软土地基、拱圈碍航等原因几乎拆除殆尽也是事实。但双曲拱在特定历史时期确实发挥了巨大作用，这是历史事实。双曲拱只是上承式拱桥的一种，只是拱圈的组成比较特殊。如果不考虑拱圈截面的不同，从宏观上讲，它的受力与肋拱、板拱、箱形拱是一样的，也要满足合理的拱轴线。板拱桥由于截面效率低，一般适用于中小跨径桥梁。若本桥采用板拱桥，板式截面承受偏心受压的效率不如双曲拱断面，导致其上部重量会增加不少，原有下部结构不能承受新的上部重量，需要重造下部结构。而且外观改变较大，从景观、文物、市民认同等角度，可能有较大阻力。如果原有结构能够满足加固后的安全、耐久的要求，还是优先考虑原结构加固的方案。设计院的迅速应对！（2）再呈详细报告，给业主吃定心丸。终于尘埃落定，双曲拱保住了！

跨中中拱肋跨中边拱肋663842104210模筑混凝土采用：C35自密实细石混凝土主要通过在拱肋下面立模浇筑混凝土增大拱肋截面中拱肋加固截面配筋15cm15cm南京长江大桥双曲拱桥加固维修方案（5）建成后的效果2、广州南沙聚星桥(1)桥梁总体布置采用三肢（86+86+86）m的Y型120°对称钢结构空间梁拱组合体系，三肢桥宽为10.2~21m。，A肢外伸一个匝道桥。桥梁中心线起点与中点高差为8.415m,矢跨比1/16.6。受力形式同172m平面钢结构拱体系。主桥结构体系为先铰接后固接的上承式V墩拱桥。地基土工程性状现状：地表以下20-30m为淤泥质土或粉砂，而后进入中粗砂层、强风化和中风化、微风化层。困难：软土地基修建无铰拱，如何抵抗巨大的水平推力（5wkN）？解决拱的水平力是关键！(2)结构体系设计纯梁体系固结体系悬臂拉杆体系顶棚不堪大用，只能起约10%不到的结构作用。加个V腿，效果还可以。再添个拉杆，效果非常好。V腿尺寸和拉杆拉力的参数选择。主桥结构体系为先铰接后固接的上承式V腿拱桥，通过施加尾端张拉力，使得拱脚的V腿装置发生转动，释放一部分拱内的轴力，将拱的一部分受力特点成分转化为梁的受力；减小拱脚的水平推力，从而使得在软土地基上实施大跨径坦拱成为可能。体系实现的关键措施结构受力体系判别合拢时的弯矩为5532合拢时的轴压力-16500张拉预应力后的弯矩为174000张拉预应力后的轴拉力4600二期后的弯矩为199700二期后的轴压力-4100合拢时的剪力4150张拉预应力后的剪力6600二期后的剪力8363从上表看出，结构在一期恒载、二期恒载作用下，完全呈现拱的受力特性，在梁端张拉拉杆工况下，又完全呈现梁的受力特性。通过梁端张拉拉杆，增加了结构梁的成分（增加了端部弯矩），减少了结构拱的成分（减少了主梁轴力），从而减少了水平力，大大减少了基础压力，整体受力更为合理。结构受力体系判别合拢时

（一期恒载）张拉拉杆二期恒载主梁轴力（压为正）16500-46004100剪力竖向分力411065001750弯矩553217400025000拱成分100%0100%梁成分0100%0①地基处理，施工主桥桩基和承台，基坑开挖。②搭设支架，支架上施工钢结构V腿和主拱部分（V腿底部为铰接）。④张拉端部拉杆至张拉控制应力，通过张拉体外预应力，优化该结构的水平推力。（铰接V腿拱+梁结构）。第一次体系转换③拆除支架（铰接V腿+拱结构）。第二次体系转换⑤施工栏杆、顶棚结构/桥面铺装和桥梁内饰、中心观景台等。⑥焊接锁定，转换拱脚为固接构造。（固接V腿拱+梁结构）。第三次体系转换⑦对基坑内的地下结构如：V腿、部分拱桥下缘、预应力拉杆进行混凝土包封的防腐处理。⑧基坑回填，钢结构拱脚外露部分外做防腐处理。施工流程规范依据结构人致振动敏感范围（纵向、竖向和横向）欧洲规范、德国人行桥设计指南给出的设计方法荷载工况采用谐波荷载进行人行步频的输入(3)舒适度分析主要计算结论结构自身自振频率03模态频率（Hz）模态频率（Hz）模态频率（Hz）模态频率（Hz）模态频率（Hz）11.27511972.873401134.051772195.302158256.40466721.41566783.138561144.143517205.387307266.54795531.43080993.285827154.151423215.432789276.78327241.660404103.408748164.326512225.760964286.86500852.297485113.506017174.939996235.90691296.96067262.408056123.536991185.036304246.289085307.070608舒适度分析主要计算结论振型1：有匝道A拱肢一阶竖弯（1.273Hz）振型2：B肢一阶竖弯（1.416Hz）振型3：C肢一阶竖弯（1.431Hz）振型4：引桥末端一阶横摆（1.66Hz）主要敏感振型振型5：全桥高阶竖弯（2.3Hz）振型6：全桥高阶竖弯（2.41Hz）主要计算结论时程计算的参数控制线性时程分析法：阻尼比根据经验取3‰，计算时间600s，简谐振动频率依据各个振型频率，单位力1N主要计算结论待关注振型舒适度节点荷载加载振型1：单位节点荷载振型2：单位节点荷载振型4：合成单位节点荷载（横向位移，纵向扭转）振型3：单位节点荷载主要计算结论舒适度评价标准最好、中等、最小、难以接受振型6：全桥高阶竖弯（2.41Hz）主要计算结论人群工况TC1TC2TC3TC4TC5单位力匝道加速度（m/s*s）0.0090.03060.0480.210.260.036舒适度等级最好最好最好最好最好/人群工况TC1TC2TC3TC4TC5单位力A拱肋加速度（m/s*s）0.0080.0280.0440.180.220.0317舒适度等级最好最好最好最好最好/匝道跨中和A拱肋跨中的加速度时程曲线（m/s*s）第一振型舒适度分析综上，在第一振型舒适度情况在TC1-TC5均为最好。主要计算结论B拱肋跨中的加速度时程曲线（m/s*s）第二振型舒适度分析综上，在第二振型舒适度情况在TC1-TC3均为最好，但是TC4、TC5需要进行振动控制。人群工况TC1TC2TC3TC4TC5单位力加速度（m/s*s）0.0530.1730.2731.211.480.033舒适度等级最好最好最好最小最小/主要计算结论C拱肋跨中的加速度时程曲线（m/s*s）第三振型舒适度分析综上，在第三振型舒适度情况在TC1-TC3均为最好，但是TC4、TC5需要进行振动控制。人群工况TC1TC2TC3TC4TC5单位力加速度（m/s*s）0.0570.1850.291.241.590.0327舒适度等级最好最好最好最小最小/拱肋V墩前支点在基本组合下应力为216Mpa，3m底板断面的应力为252Mpa，考虑0.9的剪力滞折减后，各自为240和280Mpa，满足Q460qD应力限值370Mpa的要求，因此应力计算满足规范规定。V墩前支点应力情况(4)控制断面设计有限元分析弧形挂板截面受力特征Civil梁单元模型咨询单位定义断面ANSYS板单元模型上缘85mpa下缘107mpa下缘120mpa上缘105mpa04有限元分析弧形挂板截面受力特征V墩前支点应力情况规范计算表格中的剪力滞折减系数为0.8-0.9，基本满足有限元和单梁法的结论有限元分析V墩前支点应力情况Civil梁单元模型ANSYS板单元模型有限元分析V墩前支点应力情况civil下缘131ANSYS板单元模型Civil上缘95上缘110mpa下缘140mpa有限元分析V墩前支点应力情况综上，梁单元模型中应力水平263，经过有限元分析后不超过280Mpa，因此，板单元应力满足规范要求。跨中下缘拉应力235Mpa，上缘压应力为-188Mpa，考虑压应力有局部稳定和剪力滞的双重折减。按照柔性横肋柔性纵肋进行受压局部稳定折减，系数为0.97。由于跨中的计算跨径为50m，因此剪力滞折减系数为0.99.综上，实际的应力为-193~235Mpa。满足275Mpa拱肋跨中应力情况跨中应力云图-188~235MPa跨中弯矩云图，计算跨径50m局部稳定折减系数0.97剪力滞折减系数1，不折减拱肋中间梁高1.2m比较轻薄的原因为：一、50m范围内没有顶棚荷载，受力较小。二、张拉完的结构，继续承担二期恒载、三期恒载，则转化为拱的受力模式。因此梁的特性在此后不在显现。截面可以体现轻薄的特点。拱肋跨中应力情况——分析拱内轴向应力云图-1~-40Mpa1、根据本项目的结构特点及结构分析结果，拱脚处水平推力及弯矩均较大，我们在对基础方案的研究过程中考虑了群桩基础、沉井基础、斜桩基础、阻滑板基础及地下连续墙等多种结构形式。（1）群桩基础

由承台、桩基及桩间土组成的复合实体基础共同抵抗水平力及弯矩，结构受力明确，施工工艺成熟，质量易于控制。(5)基础方案（2）沉井基础

以钢筋混凝土沉井结构作为基础抵抗水平力及弯矩，结构受力明确，在软土地基中施工难度较大，存在一定风险。（3）斜桩基础

将常规群桩基础中的部分桩基做成斜桩，以提高桩基的水平抗力。因斜桩的倾斜角度有限，故桩基提高的水平抗力也有限（约10%~15%），且由斜桩组成的群桩基础一般采用八字形布置，对抵抗双向往复的水平荷载及上拔荷载更为有效，对于本项目结构的单向较大水平力效果不显著。（4）阻滑板基础

采用在承台后方加阻滑板的方式来抵抗水平推力，根据静力平衡法或变形协调法计算，加设阻滑板后群桩基础仅可承受总水平推力的10%~15%，这将大大削弱群桩抵抗水平力作用，而需增大阻滑板体量以抵抗绝大部分的水平推力，造成了显著的结构浪费。（5）地下连续墙

以现浇混凝土地下连续墙作为基础抵抗水平力及弯矩，结构较复杂，基础水平承载力需通过现场载荷试验确定，软土地基中施工难度较大，造价较高。经过项目调研及初步筛选，最终确定在群桩基础及沉井基础两种方案中进行结构设计比选，比选结果见下表。结构形式群桩基础沉井基础结构尺寸20φ2m灌注桩群桩基础长30m×宽30m×深10m沉井施工难度常规成熟工艺，施工难度低软土地基中施工难度较大建安费2100万4350万推荐方案推荐不推荐

经比选，综合考虑方案造价及施工难度，推荐采用群桩基础作为施工图设计方案。2、根据结构计算，群桩基础承受水平力较大，在桥位天然软土地基条件下，单桩水平承载力极限值为1180kN，略小于桩顶最大水平反力，为满足设计要求，且具备一定承载力储备，保证结构安全，需对桩基采取一定的加固措施，现对桩基永久钢护筒及软土地基加固两种方案进行比选，比选结果见下表。加固形式软土地基加固桩基永久钢护筒加固构造φ700@500mm双轴水泥搅拌桩，桩间距1.5m，桩长20m直径2.3m，壁厚2cm，长18m永久钢护筒方案特点通过加固地基间接提高桩基水平承载力，深基坑坑底无需再做地基加固通过加设永久钢护筒直接提高桩基水平承载力，深基坑坑底需另做地基加固建安费205万1008万+205万推荐方案推荐不推荐经比选，综合考虑方案造价及施工难度，推荐采用软土地基加固作为施工图设计方案。基坑设计C承台基坑开挖深度10.72m，基坑围护中心尺寸22.8m×19.0m，基坑围护结构采用SMW工法+内支撑方案。地基加固:采用700@500mm双轴搅拌桩。A、B承台基坑开挖深度10.7m，基坑围护中心尺寸22.8m×19.0m（长×宽）。基坑围护结构采用锁扣钢管桩+内支撑方案。ACB3、一个挪威老人和他的桥主桥为曲梁空间拱桥，采用拱梁固结形式，拱跨为198.152m，矢高为57.95m，拱轴线为二次抛物线，拱肋平面呈10°外倾；主梁采用圆弧曲线，主桥主梁圆弧半径为139.11m。结构总高（拱高+梁高）/跨径＝1/43，主拱高/跨径＝1/76Themostslenderarchbridgeintheworld!主跨跨径220m，主拱高0.711m，主梁高0.4m。结构总高（拱高+梁高）/跨径＝1/198，主拱高/跨径＝1/309目前世界上最纤细的拱桥！PerTveit教授生于1930年，是挪威AgderUniversity荣誉教授。1955年，他在TrondheimInstituteofTechnology完成毕业论文时首次提出了网状吊杆拱的概念，并多年从事网状吊杆拱的技术研究与应用。所谓网状吊杆拱，即吊杆倾斜且部分斜吊杆至少交叉2次，同一般的尼尔森拱相比，拱肋和系梁受力更为合理。1963年，PerTveit教授设计了他的第一座网状吊杆拱桥——Steinkjer镇吊杆拱桥。主跨79.75m。日本

AimotoBridge，

跨径130m，公路桥梁，1972年建成日本AogishiBridge，

跨径163.4m，公路桥梁，1985年建成美国BlennerhassettBridge，跨径267.8m，公路桥，2008年建成西班牙PalmadelRíoBridge，

跨径130m，公路桥，2008年建成俄罗斯BugrinskyBridge，跨径380m，公路桥，

2010年建成缅甸ThamMalayBridge，公路桥新西兰PerryBridge，

跨径130m，人行天桥，2017年建成网状吊杆拱结构关键之一：拱的稳定作者提出了在左下图示出的可能的屈曲形式。图中可以看出，拱的出平面稳定是控制性的。右下图为一个文献中关于计算网状拱屈曲的示意。可以假设系杆为直线，这样拱的屈曲就相当于弹性支承的受压柱，屈曲荷载公式为：网状吊杆拱结构关键之二：采用混凝土系杆在中等跨度和宽度的网状拱中，系杆最好采用混凝土结构，而不要采用钢结构，这也是节省造价的一个关键因素。传统的带有垂直吊杆的拱桥，其所用钢筋比网状拱多得多。主要因为系杆中的混凝土板下有钢梁。纵向钢梁受拉，其上的混凝土板需要配置大量的钢筋来限制裂缝宽度。以下两座桥的数字让人印象深刻：在CalbeBridge中，采用网状拱只用了传统拱桥35%的结构钢材，在Magdeburg的JerusalemBridge中，这个数字更是低至23%。网状吊杆拱结构关键之三：倾斜交叉的吊杆交叉设置的倾斜吊杆，不仅改善了拱的稳定性，对系杆的受力更是改善更多。作者对两座200m跨的拱桥进行了对比，上面是网状拱，下面是传统的直吊杆拱。上图是拱肋弯矩影响线对比，可以看出网状拱的数值小于直吊杆拱。下图是系杆弯矩影响线的对比，可以看出，网状拱的数值远远小于直吊杆拱。上图是拱肋弯矩影响线对比，可以看出网状拱的数值小于直吊杆拱。下图是系杆弯矩影响线的对比，可以看出，网状拱的数值远远小于直吊杆拱。上图是拱肋弯矩影响线对比，可以看出网状拱的数值小于直吊杆拱。下图是系杆弯矩网状吊杆拱的施工MangamahuBridge，跨径86m，2008年建成。整体浮运网状吊杆拱的经济性跨径小于200m的拱桥，如果系杆不用钢结构（桥面不太宽），则网状拱与传统直吊杆拱相比，结构用钢量大约节省2/3，即使系杆采用了钢结构，也能节省1/3。网状拱与其他桥型用钢量对比德国境内几座直吊杆拱与网状拱用钢量对比（紫色为直吊杆拱，暗红色为网状拱对比设计，其中第1座桥最上面115为施工临时措施用钢量，S为提篮拱，N为无风撑拱）中国济南齐鲁黄河大桥，

主跨420m，世界最大网状吊杆拱桥四、桥梁节点设计案例细节决定成败。节点的设计事关重大，处理不好会导致事故！1、南京纬九路立交匝道钢箱梁抗拉支座失效2、哥伦比亚斜拉桥倒塌事故3、美国FIU人行桥垮塌事故1、南京纬九路立交抗拉支座失效1、南京纬九路立交抗拉支座失效2、哥伦比亚斜拉桥倒塌事故2018年3月15日下午，美国迈阿密佛罗里达国际大学（FIU）一座施工中的过街天桥坍塌，砸中桥下车辆，事故造成6人死亡，9人受伤。3、美国FIU人行桥垮塌事故行车记录仪记录的坍塌瞬间该桥为单榀混凝土桁架桥（斜拉索和塔基本为装饰），主跨53m，边跨30m。（1）桥梁设计施工概况施工时，先将蓝色部分的主跨安装就位。ABC施工，使用SPMT安装主跨，该段总重为861吨。主跨桁架包含12根腹杆（编号如下图所示），桥面作为桁架的下弦，而混凝土天棚作为桁架的上弦。主跨桁架构件（编号3、5、6、7、8和10）通过内部拉杆张拉（桁架构件1、4、9和12不设预应力）。为了满足施工需要，构件2和11通过内部拉杆临时后张。在该桥建设前一年，FIU的一个学生穿过该路口时发生事故死亡，学校决定修建天桥，以保证学生的安全。由于可使用数百万美元的联邦资金，FIU的雄心越来越大，想要建造一座独特、令人难忘的桥梁。招标文件中对设计的要求是这样的：“这种结构不仅仅是一条通行的道路，它应该是一个有存在感和一个有体验感的地方，FIU及其学生必须为此感到自豪。”评标规则强调了传统方法无法赢得合同的信息：“中标标准将着重考虑一个代表该项目意图的创新设计，为该地区创造一个独特的地标。”并提出采用ABC方法的一些技术要求。FIU校长马克·罗森伯格在事故前曾夸赞说：这座桥是合作之桥、希望之桥、机会之桥、决心之桥。在3月10日该桥主跨采用SPMT架设到位后，还举行了庆祝仪式。

（2）本桥设计的雄心（1）本桥是单榀桁架。（2）本桥腹杆为不规则的三角形，导致每根杆件角度均不相同。（3）本桥采用了混凝土材料作为桁架杆件。本桥设计的三个不寻常之处：（1）典型的桁架桥设计包括两个平行桁架，由横撑连接。（2）桁架通常使用均匀间隔和形状相似的三角形部分来建造。（3）由于桁架本身需要同时承受压力和拉力，通常采用钢材建造。NTSB还未发现其他采用混凝土桁架的类似设计。根据NTSB官方调查，设计公司FIGG的计算错误有以下几条：①关于冗余度AASHTOLRFD的引言指出，所有桥梁的设计应实现可施工性、安全性和可用性的目标，应采用具有多荷载传力路径的结构和连续结构，除非有令人信服的理由不使用它们。对于结构的设计，AASHTOLRFD规范将冗余度定义为“使其能够在损坏状态下执行其设计功能的桥梁的质量”，将冗余构件定义为“其破坏不会导致桥梁整体破坏的构件”。

非冗余结构是指在一个或多个关键部件失效后，荷载传力路径已不能保持稳定，很可能导致结构倒塌。在本桥设计中，采用单榀桁架构件，应视为非冗余结构。根据规范，冗余系数至少应取1.05，而设计按1.00取值，是错误的。（3）设计计算的错误②FIGG的设计文件未明确节点11/12处施工缝表面的凿毛要求。不过即使该施工缝表面粗糙达到规范要求，其抗剪承载力仍然不足。③FIGG计算了节点区域1/2和11/12的界面抗剪承载能力，其值比调查组计算值高估了大约20%。垂直于剪切面的压力可增大界面摩擦从而增大抗剪能力。规范规定恒载系数可取1.25或0.90，因为预应力属于有利因素，应取小值才能保证结构安全。FIGG在计算预应力对抗剪的贡献时，错误取用了1.25，导致了承载力的高估。④FIGG仅考虑了两种施工工况，而实际工况比这复杂，这导致许多节点的界面剪切需求低估，如下图。根据FHWA模型，节点区域11/12（坍塌时首先破坏处）被低估了850kips（或46%）。⑤FIGG在计算时还犯了一个错误，他们建立的计算模型中明明算出需要较大的抗剪需求，但设计时不知为何却没有取用，导致节点承载需求的低估。加之前面的冗余系数错误、预应力系数错误、施工工况考虑不全的错误，导致节点配筋不足。下图显示了作用于节点区域的最大界面剪切需求（力）除以承载力的比率（d/c）的情况。若d/c＞1.0，则表示承载力不足。节点需求/能力比主跨四个节点区域的d/c＞1.0，存在问题。构件1/2节点区域的d/c比最高，达2.15，然而该桥为何却在11/12节点区域出现破坏？这是因为节点区11/12的横隔梁宽度(24”)和斜杆11的截面高度(24”)均比节点1/2对应的尺寸(分别为42”和36”)小。⑥根据FIGG的设计，斜杆11下端的施工缝有8根7号钢筋和2根6号钢筋穿过，现场也照做了（见图）。但由于最南端的两根钢筋没有锚固在杆件11底部的临界剪切面的两侧，裂缝绕过了这两根钢筋，导致参与抗剪的钢筋面积少了25%，从而导致抗剪能力降低。⑦除了钢筋外，构件还包括混凝土内的非结构构件（空心管）。当管道通过结构的临界区域时，周围的混凝土受到更高的应力，空隙可能造成应力超标和假定的传力路径的重分布。主跨结构坍塌后的碎片证据表明，所有五个非结构管道都与破坏面相邻，表明它们对混凝土节点区域的行为产生了影响。⑧由于剪力滞效应，桥面板中的纵向预应力不能平衡构件11施加到节点区域的大部分向北的推力力，只有靠近构件11投影范围内的水平力才有可能被平衡。由于构件11下节点水平开裂，能平衡的力更少了，只能平衡通过剪切面钢筋传到桥面的水平力。还有一个不利因素，即支撑垫片的位置不在桁架节点正下方，这导致节点与桥面板间存在剪力。现场裂缝情况也反映了这些剪力的影响，如构件12东西方向的节点混凝土与周围桥面就被缝断开了。

因此，设计至少存在8方面的错误或不足。其中第③条导致11/12节点抗剪能力高估20%，第⑤条导致11/12节点剪力少算62%，这是导致桥梁垮塌的致命错误。虽然审查公司路易斯·伯格使用了不同的有限元程序分析了整个结构，但没有分析不同的施工阶段。他们关注了杆件本身的力，而没有计算节点区域。路易斯·伯格最初的工作计划包含节点和施工缝分析，报价是11万美元。但后来经过竞争，价格降至61000美元，项目周期也从10周缩短到7周。尽管没有证据表明合同范围缩小了，但事实上，路易斯·伯格的实际审查覆盖范围缩小到仅作整体分析，未做节点分析，导致未能发现节点的设计错误。而FIGG为什么大幅压缩设计审查的费用和时间，又和它最初给MCM的最初计划中漏考虑了设计审查的费用和时间有关。（4）不全面的同行审查①ABC工艺的影响主跨施工采用快速桥梁施工（ABC）工艺，需要将主跨上部桁架结构通过SPMT从预制场运输到现场就位。这种结构在运输与就位过程中，恒载效应会逆转两次：两端简支状态时，斜杆2和11受压，其下端对桥面的剪力向外推；而支撑在SPMT上时，斜杆2和11受拉，其下端对桥面的剪力向内推。由于这个特性，需要在斜杆2和11中设置临时预应力（就位后放松）。（5）糟糕的现场应对下图为车辆支撑时杆件力的对比：上面为预应力未张拉，斜杆2和11等会受拉；下面为预应力张拉后，全部构件均受压。下图为桥墩支撑时杆件力的对比：上面为预应力未张拉，斜杆2和11等会受压，桥面受拉；下面为预应力张拉后，全部构件均受压。②首次出现裂缝主跨在预制场分三次满堂支架浇筑。2018年2月24日，当支架拆除时，恒载由支架转移到结构自身承担。现场听到了混凝土开裂明显的响声，11/12节点及1/2节点区域都出现了开裂。这说明，由于计算错误，节点区域的承载力连自身恒载也承担不了！③斜杆预应力的张拉和放松根据设计方案，桁架斜杆2和11的预应力张拉力为280千磅，以抵消运输阶段临时支撑状态下产生的拉力。该操作在预制场完成。斜杆11相对于桥面板的夹角约为32度，后张预应力引起的水平剪切力（有害）的大小约为垂直夹紧力（有益）的1.6倍。一般桁架斜杆与水平面交角最小为45度，很少到32度。而本桥为了造型需要，导致了端斜杆与桥面夹角偏小，张拉预应力将产生不利影响。3月10日，使用自推进模块化运输车(SPMT)将主跨桁架结构运输并放置在南北两个桥墩上，成为“简支”状态。3月10日，主跨就位后几个小时内，根据设计意图，施工人员将斜杆2和11内的临时预应力拉杆放松。在斜杆11放松预应力后，有利的夹紧力减小了，降低了剪切面上的摩擦阻力。虽然有害的水平外推力也减少了，但还存在较大的恒载外推水平力，导致11/12节点区域的上部向北移动。现场可发现构件12的北面开裂。同时节点与桥面相交的周边也出现冲剪现象。④FIGG对危险开裂的轻描淡写在钢筋混凝土构件中，宽度约为0.4mm的裂缝通常被认为是可以接受的。在人行桥倒塌前45天，桁架11/12节点区域发现不少裂缝，其最大裂缝宽度是一般可接受宽度的40倍！施工期间，监控单位向MCM发送了三份报告（2月13日、28日和3月13日），记录了主跨混凝土裂缝的情况：2月13日第一份报告时，主跨顶篷和桥面下的现浇支架还没有完全拆除。3月10日主跨就位，斜杆11的预应力放松后，裂缝病害变得更严重了。3月13日上午11：17，沿2号横梁西侧，3英寸多深的裂缝（来源：MCM）3月15日，斜杆11（从西看）底部的裂缝（来源：FIGG）3月15日，斜杆11（从东看）底部的裂缝（来源：FIGG）3月10日11号杆件的预应力放松，接下来的几天里，开裂和剥落越来越严重，直到桥倒塌（下图为东南视角显示的病害示意图）。日期时间沟通方式回复3月13日上午9：45FIGG设计经理给MCM的Email“我们不认为这是安全问题”下午4：13FIGG登记工程师给FDOT的语音信息“但从安全的角度来看，我们并没有看到那里有任何问题，所以我们并不担心它。”下午5：18FIGG设计经理给MCM的Email“我们再次对此进行了进一步的评估，并确认这不是一个安全问题。”3月14日上午10：50MCM给结构技术组的Email“FIGG已进一步评估并确认，在隔板上产生的裂纹不构成安全及相关问题。”3月15日上午9：00与FDOT、FIU、MCM等开会时FIGG登记工程师的汇报“因此，关于所发现的裂缝和小破损，不是安全问题。”____Bolton,Perez提交的3月15日的会议记录“FIGG保证，他们不担心横跨在道路上的桥跨的安全。”____FIGG提交的3月15日的会议记录“根据会议上的讨论，没人对上跨道路的桥跨结构安全表示担忧。”但FIGG对裂缝的回应总是轻描淡写，说没有安全问题⑤压垮骆驼的最后一根稻草——预应力再张拉为了试图改善结构中观察到的病害，FIGG决定在3月15日重新张拉斜杆11中的预应力，很可能是希望通过预应力产生对剪切界面有利的夹紧力。然而，由于斜杆11与桥面的夹角是较小的30度，施加预应力后，虽然产生了有利的夹紧力，但同时也产生了有害的水平外推力，且有害的力是有利的力的1.6倍。同时，坍塌后调查表明，在构件11中的两个预应力杆中，杆11（下杆）的底端良好地锚定在失效区域南侧的桥面板上，而杆11N（上杆）的下端锚定在显著开裂并在坍塌期间向北移动的混凝土部位，估计杆11N不会在节点区域的界面剪切破坏面上产生任何显著的夹紧力（当然也没有了水平推力）。从下图红色的破坏面看出，预应力11N杆（上方的蓝线）的底部并未穿过破坏面，而在破坏面的上面。同样，预应力11S杆（下方的蓝线）锚在竖直破裂面的附近。张拉预应力时，对破坏面是明显的负面作用。而且经历了两次这样的过程，可能更加剧了对破坏面的不利影响。在重新张拉斜杆11的预应力后，桥梁立即坍塌了！事故后，从车载记录仪提取视频画面，显示桥跨最北端（塔墩）的11/12节点首先破坏，可见该处混凝土碎片爆裂。桥塌后，调查人员问FIGG，为什么3月15日要重新张拉11号斜杆的预应力。FIGG答曰：因为现场反馈斜杆预应力放松后，裂缝变大了。根据设计设想，既然前进一步（放松预应力）导致开裂加剧，那就退回一步，把预应力再加回去。而且设计认为这只是施工步骤倒退一步，不算变更。（这恰恰是致命的！）NTSB不同意对构件11的再张拉将使主跨恢复到“前一状态”，原因如下：主跨在两端以不同的方式支撑。在预制场，它的两端在桁架中心支撑；在运输就位后，它由不在桁架中心的墩顶垫片支撑。与2月24日在铸造场出现的小裂纹相比，3月10日以后节点11/12区域的裂缝病害明显加重，清楚地表明了钢筋的严重屈服或断裂。北部节点区域上部的错位改变了结构体系的几何形状，并减少了在剪切面上的嵌固力。因此，沿着斜件11重新施加预应力不可能扭转局势（开裂），并可能产生意想不到的后果。⑥其余各方也有责任FDOT的道路和桥梁施工标准规范规定，“一般来说，结