大型橋梁施工事故和施工力學(xué)問題

李郴娟

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

1 大型橋梁施工事故及分析原因

(1)1999 年1 月4 日，重慶綦江彩虹橋整體垮塌，受傷14 人，死亡40 人造成財(cái)產(chǎn)損失無數(shù)，事故調(diào)查結(jié)果，是由于監(jiān)管部門疏忽，導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目從立項(xiàng)開始，到設(shè)計(jì)施工，到驗(yàn)收等等環(huán)節(jié)都不符合有關(guān)規(guī)定，具體調(diào)查下來，主要是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)之間的焊接問題以及混凝土強(qiáng)度問題，其中混凝土的強(qiáng)度只有國家標(biāo)準(zhǔn)的1/3。

(2)2000 年11 月27 日，深證鹽壩高架橋坍塌，造成大量經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，事故原因在于支架設(shè)計(jì)的問題，對活荷載與荷載分布狀況的估計(jì)不足，施工與監(jiān)管部門的早做不利，最終導(dǎo)致事件發(fā)生。

(3)2001 年11 月7 日，重慶南門大橋斷裂，該橋跨度足有500 m，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斷裂位置處于主橋于引橋結(jié)合位置，主要事故原因是橋面受力不均，造成雙邊垮塌。

(4)2005 年12 月14 日，貴州省貴陽市開陽縣公路小尖山大橋發(fā)生坍塌，導(dǎo)致5 人死亡，15 人受傷。

(5)2007 年8 月13 日，湖南省鳳凰縣堤溪沱大橋坍塌，坍塌時(shí)正在建設(shè)，受傷22 人，死亡64 人，屬于重大事故，并造成近4000 萬的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)調(diào)查，起坍塌原因主要是由于石拱橋構(gòu)造施工工序不合理，在拆除腳手架時(shí)由于施工單位配合失誤，導(dǎo)致大橋受力不均，最終形成連環(huán)倒塌。

2 大型橋梁施工力學(xué)

2.1 施工力學(xué)的重要性及意義

在人類發(fā)展歷史中，過去的半個(gè)多世紀(jì)，技術(shù)帶來的變化是史無前例的，而建筑行業(yè)也順應(yīng)發(fā)展，在潮流中飛速前進(jìn)，而在建筑效果上，新奇的造型，創(chuàng)新空間越來越多，隨著技術(shù)的發(fā)展，原本在力學(xué)上不可能的結(jié)構(gòu)漸漸變?yōu)榭赡埽捎诮ㄖl(fā)展的需要，結(jié)構(gòu)技術(shù)上的創(chuàng)新也就被帶動(dòng)，傳統(tǒng)意義上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工是一個(gè)工程立項(xiàng)后的不同的兩個(gè)步驟，然而在近些年的研究結(jié)果表明，需要有一個(gè)理論，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工結(jié)合起來，在結(jié)構(gòu)施工的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一些意想不到的力學(xué)因素，這些因素有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致事故發(fā)生。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工相互影響，施工方法的區(qū)別將很大程度上影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與形變，如果控制不足，則會(huì)釀成大禍，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，也必須考慮到施工時(shí)的力學(xué)現(xiàn)象，施工力學(xué)的意義就被突顯出來。

2.2 主要問題

(1)施工階段的力學(xué)的不確定性

在建筑力學(xué)中，荷載分為永久荷載與活荷載，永久荷載是包括自重在內(nèi)的一般恒定不變的荷載，大多數(shù)情況下不會(huì)產(chǎn)生變化，而活荷載卻是結(jié)構(gòu)計(jì)算階段的一個(gè)不確定因素，在一般的施工圖設(shè)計(jì)階段，會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來考慮。然而在橋梁施工的時(shí)候，活荷載的不確定性被無限放大，導(dǎo)致整個(gè)施工過程中施工力學(xué)的復(fù)雜與不確定。一般具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面:臨時(shí)支架活荷載的不確定性，由于在工人施工時(shí)，支架的搭接位置，都著很大的不確定性，支架的自重也具有不確定性，造成活荷載的不確定。

施工過程的不確定性，施工工人數(shù)量區(qū)別導(dǎo)致活荷載區(qū)別，結(jié)構(gòu)體系的區(qū)別導(dǎo)致不確定性，建造材料的不同，如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)橋梁的不確定性，構(gòu)造方式不同造成的不確定性等等。

(2)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換

在建筑設(shè)計(jì)中，常常存在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，有時(shí)甚至?xí)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以保證建筑的使用合理，而在橋梁設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換也是非常常見的一種技術(shù)手段，除了要計(jì)算因施工程序不同、荷載不同而產(chǎn)生的不同施工內(nèi)力外，還應(yīng)計(jì)算各項(xiàng)次內(nèi)力，包括施工過程中由于張拉預(yù)應(yīng)力束引起的次應(yīng)力和由于溫度變化、混凝土收縮徐變等因素所產(chǎn)生的次內(nèi)力。多次體系轉(zhuǎn)換，加上鋼束的預(yù)加力沿程分布的變化，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，通常采用等效荷載法，將混凝土與鋼束分開來考慮，最后求得預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的總效應(yīng)。而在面對如此復(fù)雜的轉(zhuǎn)換工程，轉(zhuǎn)換順序的選擇就顯得尤為重要，其需要達(dá)到的效果是讓連續(xù)梁最終的恒荷載內(nèi)力均勻合理的分布，并盡量避免次內(nèi)力造成的不良影響，一般在懸臂施工中，次內(nèi)力對于橋梁的正彎矩有著比較大的影響。

一般的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)梁，或者桁架梁鋼梁都會(huì)有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的問題，施工過程中，橋梁的靜力平衡體系一直處于變化中，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力重分布后的最終狀態(tài)經(jīng)常不同于最優(yōu)設(shè)計(jì)分布應(yīng)力，有時(shí)需要調(diào)整橋梁內(nèi)力。以杭州錢江錢江二橋?yàn)槔?，它的轉(zhuǎn)換特點(diǎn)本著將施工誤差盡量移至岸邊處理的原則，首先將相鄰兩個(gè)墩上的T 構(gòu)合龍成Π 構(gòu)，然后由中間固定墩按先近后遠(yuǎn)的原則對稱順序向兩岸進(jìn)行Π 構(gòu)之間的合龍，誤差接近岸邊，是操作難度下降。

施工過程中有一個(gè)“先簡支后連續(xù)”的原則，具體來說，就是在簡支梁預(yù)支的時(shí)候，第一次進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固，以簡支梁受力狀態(tài)預(yù)制，完成后經(jīng)過一系列調(diào)整，再第二次預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固，而第二次的終點(diǎn)是完成一系列的混凝土連續(xù)梁施工，與第一次的區(qū)別在于主梁的接頭使用鋼筋混凝土連接，以保證其連續(xù)性，形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

(3)準(zhǔn)確選定荷載組合分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力及局部應(yīng)力

大跨度的橋梁，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，例如西班牙建筑師卡拉特拉瓦，他的橋梁設(shè)計(jì)舉世聞名，同時(shí)他的作品的結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，在橋梁的建筑美學(xué)中，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是體現(xiàn)它美的價(jià)值的重要因素，當(dāng)然，這就需要極高的技術(shù)支持。

在結(jié)構(gòu)的整體剖析中，荷載狀況非常復(fù)雜，需要多方面考慮，因?yàn)樵谑┕み^程中可能會(huì)產(chǎn)生兩種甚至以上的不穩(wěn)定因素，或者意外狀況，而這些不穩(wěn)定因素相互疊加，會(huì)使得整個(gè)應(yīng)力產(chǎn)生意想不到的變化，很有可能出現(xiàn)意想不到的事故。

根據(jù)最新研究的經(jīng)驗(yàn)表明，同時(shí)考慮恒載，活載，溫度驟降，基礎(chǔ)不均勻沉降是目前比較普遍的方式。恒載是包括整個(gè)結(jié)構(gòu)的自重在內(nèi)的一般恒定不變的量，活載的變數(shù)很大，需要同時(shí)考慮到施工時(shí)期施工設(shè)備和人員的重量，還需要考慮到建成以后整個(gè)橋梁的極限載重量，并且還需要留下余量，以免發(fā)生問題。大跨徑連續(xù)梁橋在頂板配置有橫向預(yù)應(yīng)力束的情況下，頂板和腹板交接處為控制設(shè)計(jì)斷面，預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端的兩側(cè)和危險(xiǎn)截面要加以驗(yàn)算。如加拿大格朗梅爾大橋，設(shè)計(jì)中沒有考慮溫度應(yīng)力問題，后來在加固階段經(jīng)計(jì)算得出10 ℃的溫差在橋梁跨中產(chǎn)生的正彎矩值相當(dāng)于中跨兩條車道布載所產(chǎn)生的正彎矩，這足以說明準(zhǔn)確考慮溫度應(yīng)力的重要性。溫度驟降會(huì)使得結(jié)構(gòu)壓縮，需要考慮到當(dāng)?shù)貧夂?，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出一個(gè)余量值，使得結(jié)構(gòu)受溫度影響之后依然能夠發(fā)揮作用。而基礎(chǔ)不均勻沉降是由于活荷載的分布不均，基礎(chǔ)土質(zhì)不同而造成的，在設(shè)計(jì)之初，基地勘察的時(shí)候就需要將其考慮進(jìn)來，基礎(chǔ)不均勻沉降如果考慮不周，那么在橋梁投入使用之后會(huì)產(chǎn)生大量的問題，尤其是橋身容易斷裂的問題。

(4)橋梁結(jié)構(gòu)施工力學(xué)的計(jì)算

施工力學(xué)的計(jì)算非常復(fù)雜，并具有很大的不確定性，那么在研究的時(shí)候，則需要建立施工力學(xué)模型，來模擬施工過程，一個(gè)大跨度結(jié)構(gòu)的施工過程，其實(shí)就是一個(gè)結(jié)構(gòu)本身在不斷的變化的過程，換句話說，就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)力學(xué)，有非常多的因素能夠影響這個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果，比如在施工過程中，構(gòu)件的不斷增加而引起的自重變化，偶然荷載的出現(xiàn)，施工設(shè)施的變化產(chǎn)生的自重變化，溫度的驟然變化等等，而為了得到真實(shí)有效的結(jié)果，施工力學(xué)的計(jì)算要采用跟蹤計(jì)算的方式，將這些因素都考慮進(jìn)去，目前比較主流的方法分別是時(shí)變單元法，拓?fù)渥兓坝邢拊ǖ鹊取６谶@些方法中，有限單元法比較實(shí)用，理論嚴(yán)謹(jǐn)，并且易于程序化，但是，傳統(tǒng)的有限元法并沒有提供公式，而是以經(jīng)驗(yàn)值來計(jì)算，所以在方法應(yīng)用上，工程界的說法也兵不統(tǒng)一。

在模型建立上，建立精確的有限元模型在目前依然是大型橋梁結(jié)構(gòu)最優(yōu)施工的基礎(chǔ)方法，有限元結(jié)構(gòu)一般能夠提供較為完整的參數(shù)及以供經(jīng)驗(yàn)參考，不過，這些經(jīng)驗(yàn)值常常會(huì)與實(shí)際值有偏差，這就需要不斷的進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的調(diào)整和修正，以保證模型參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一。

模型修正一般有下列方法:矩陣型法，子矩陣修正法和靈敏度法等等。每種方法各有千秋，而在模型修正的過程中，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下使用適當(dāng)?shù)男拚椒ㄊ且粋€(gè)亟待解決的問題。

3 結(jié)束語

在整個(gè)橋梁項(xiàng)目中，尤其是大跨度橋梁項(xiàng)目，需要做到立項(xiàng)，設(shè)計(jì)，施工，工程監(jiān)理等等方面嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)，在施工過程中各部門必須認(rèn)真負(fù)責(zé)，提高安全效應(yīng)，避免橋梁塌陷事故的出現(xiàn)，保護(hù)人民的財(cái)產(chǎn)安全和人身安全，是每個(gè)工作者的責(zé)任所在。

［1］王鈞利，董旭.大型橋梁施工力學(xué)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2010，(10):949－952.

［2］陳小才，秦文.大跨結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題的淺析［J］.科學(xué)之友，2011，(5):44－45.