在建系桿拱橋坍塌事故原因分析

項(xiàng)宏亮 陳亮

摘 要：扣件式支架是橋梁建造階段常用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，支架問(wèn)題則是橋梁建造階段坍塌事故最主要原因。本文以某在建系桿拱橋坍塌事故為研究對(duì)象，通過(guò)橋梁施工進(jìn)度、支架設(shè)置等情況調(diào)查和對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，明確了橋梁事故的主要原因，強(qiáng)調(diào)了按照規(guī)范進(jìn)行扣件式支架立桿穩(wěn)定性計(jì)算的前提。

關(guān)鍵詞：橋梁坍塌 扣件式支架 立桿穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0069-03

橋梁坍塌事故往往造成生命財(cái)產(chǎn)損失和惡劣社會(huì)影響，建造階段則是橋梁坍塌事故發(fā)生的主要階段，其原因往往是多方面的，而支架問(wèn)題一般是其中最主要的原因[1]。本文結(jié)合某在建系桿拱橋坍塌事故案例，對(duì)其原因進(jìn)行分析，為日后類似工程提供借鑒。

1 橋梁概況

某管線橋梁上部結(jié)構(gòu)主橋?yàn)榭鐝?6.5m的鋼管混凝土系桿拱，橋面凈寬9.3m，橋梁拱軸線為二次拋物線，矢高13.30m，拱肋采用圓端形鋼管內(nèi)灌注微膨脹混凝土，系梁、端橫梁、中橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；各橫梁間澆筑22cm現(xiàn)澆橋面板，其上澆筑10cm鋼筋混凝土整澆層。橋梁縱向單邊設(shè)吊桿11根，吊桿標(biāo)準(zhǔn)間距為5m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩+群樁基礎(chǔ)。該橋在施工過(guò)程中發(fā)生坍塌事故。

2 事故調(diào)查

2.1 施工進(jìn)度及施工過(guò)程調(diào)查

根據(jù)相關(guān)單位提供的事故情況說(shuō)明和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，事故發(fā)生前橋梁各部分施工進(jìn)度如下。

（1）主橋結(jié)構(gòu)中的系梁、橫梁已施工完成；系梁、橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束全部張拉完成，錨具處已用水泥砂漿封堵。

（2）拱肋鋼管及跨中一字型橫撐已安裝，鋼管內(nèi)未灌注混凝土；拱肋鋼管無(wú)支架支撐。

（3）橋面板、橋面整澆層已施工完成，欄桿未安裝，橋面有部分堆載。

（4）現(xiàn)澆中橫梁、橋面板下方支架已拆除。

橋梁下方地基在前期經(jīng)過(guò)壓實(shí)處理，并澆筑有30cm素混凝土層。事故發(fā)生在橋面下方支架拆除后次日上午8點(diǎn)，因當(dāng)日未安排施工任務(wù)，未造成人員傷亡。

事故發(fā)生后支撐系梁的扣件式鋼管支架被壓曲，系梁跨中位置落地，截面破壞；1#拱肋跨中壓曲變形嚴(yán)重，2#拱肋于跨中位置斷裂，拱肋鋼管與拱腳預(yù)埋鋼管焊縫開(kāi)裂并完全脫離，見(jiàn)圖1。

2.2 橋梁設(shè)計(jì)施工過(guò)程調(diào)查

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖紙，設(shè)計(jì)施工過(guò)程如下。

（1）施工主橋橋墩基礎(chǔ)、承臺(tái)、墩身。

（2）處理地基，搭設(shè)支架，支架預(yù)壓；現(xiàn)澆主橋系梁及主橋端橫梁。

（3）吊裝就位主橋預(yù)制中橫梁。

（4）張拉端橫梁第一批鋼束及中橫梁鋼束。

（5）搭設(shè)主拱支架；拱肋吊裝、固定拱肋和拱梁連接段；調(diào)整拱軸線；安裝風(fēng)撐。

（6）灌注拱肋鋼管內(nèi)的微膨脹混凝土。

（7）待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度拆除拱肋支架。

（8）張拉系梁預(yù)應(yīng)力束N2。

（9）安裝吊桿；第一次張拉吊桿。

（10）現(xiàn)澆主橋橋面板，橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后張拉橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束。

（11）張拉系梁預(yù)應(yīng)力鋼束N3、N4。

（12）第二次張拉吊桿，張拉至設(shè)計(jì)噸位。

（13）現(xiàn)澆橋面鋪裝層、護(hù)欄等，張拉橋面板內(nèi)剩余鋼束，張拉端橫梁剩余鋼束。

（14）涂刷防腐涂料，拆除支架，成橋。

2.3 橋面堆載情況調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物尺寸、鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量、橋面堆載情況和支架設(shè)置情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。橋面堆載主要為未安裝的風(fēng)撐鋼管、施工支架、水泥材料，各種堆載物具體位置按橋梁坍塌后現(xiàn)狀測(cè)量所得，合計(jì)452.5kN。

2.4 支架設(shè)置情況調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)調(diào)查，現(xiàn)有系梁承重支架縱橋向立桿間距600mm，設(shè)置在系梁底全長(zhǎng)范圍，橫橋向立桿間距300mm，橫向設(shè)5根立桿；掃地桿高300mm，掃地桿上方每1.2m設(shè)縱橫向水平桿，共設(shè)5道。

在尚可見(jiàn)的系梁承重支架內(nèi)，未見(jiàn)明顯的剪刀撐桿件。支架鋼管銹蝕嚴(yán)重。

因系梁支架鋼管銹蝕嚴(yán)重，采用游標(biāo)卡尺對(duì)系梁支架的立桿進(jìn)行了截面尺寸測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取了5根支架立桿進(jìn)行測(cè)量，壁厚從2.4～3.0mm不等，見(jiàn)表1。

3 事故原因分析

3.1 理論分析模型的建立

采用橋梁計(jì)算專用軟件按照實(shí)橋施工過(guò)程及進(jìn)度，建立了橋梁坍塌前已安裝就位的橋梁結(jié)構(gòu)模型，橋面板、橋面鋪裝層等以荷載形式考慮。采用在系梁下方建立虛擬分配梁的形式，模擬橫梁、橋面板等荷載由系梁傳遞給系梁支架后的不均勻效果。

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的主要施工階段

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，結(jié)合施工單位提供的相關(guān)資料，至橋梁坍塌前的主要施工階段如下。

（1）搭設(shè)系梁支架，系梁澆筑完成階段。

（2）搭設(shè)橫梁和橋面板支架，橫梁和橋面板澆筑完成階段。

（3）橫梁和橋面板支架拆除完畢階段。

（4）拱肋鋼管、跨中一字風(fēng)撐上橋，橋面堆載階段。

橋梁坍塌前，因橫梁和橋面板的支架已完全拆除，實(shí)際的支架設(shè)置情況無(wú)法了解，且該階段下橋梁已建成部分和支架的受力情況相對(duì)安全，故不對(duì)該階段進(jìn)行受力分析。

3.3 各階段支架受力分析

3.3.1 系梁澆筑完成階段

鋼管支架壁厚按照2.4mm和3.0mm兩種情況分別進(jìn)行考慮，系梁澆筑完成階段支架鋼管最大應(yīng)力分別為-20.48MPa和-16.81MPa，線彈性分析下的整體穩(wěn)定系數(shù)分別為5.08和6.11，見(jiàn)圖2。

3.3.2 橫梁和橋面板支架拆除完畢階段

橫梁和橋面板支架拆除完畢階段支架鋼管最大應(yīng)力分別為-52.38MPa和-44.32MPa，線彈性分析下的整體穩(wěn)定系數(shù)分別為2.46和2.96，見(jiàn)圖3。

3.3.3 拱肋、風(fēng)撐上橋，橋面堆載階段

拱肋鋼管、跨中一字風(fēng)撐上橋，橋面當(dāng)前堆載階段支架鋼管最大應(yīng)力分別為-54.82MPa和-46.28MPa，線彈性分析下的整體穩(wěn)定系數(shù)分別為2.39和2.87，見(jiàn)圖4。當(dāng)前階段系梁支架失穩(wěn)形態(tài)與橫梁及橋面板支架拆除階段失穩(wěn)形態(tài)類似。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，鑒于鋼管構(gòu)件初始缺陷、外界擾動(dòng)等影響，整體穩(wěn)定系數(shù)一般要求不小于4。由計(jì)算分析可得到如下結(jié)論：

（1）各計(jì)算階段扣件式鋼管支架構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求。

（2）系梁澆筑完成階段，鋼管支架穩(wěn)定性能夠滿足要求。橫梁和橋面板支架拆除完成階段以及拱肋、跨中一字撐上橋和橋面堆載階段，支架線彈性整體穩(wěn)定系數(shù)為2.46～2.96和2.39～2.87，支架體系存在較大安全隱患。

3.4 橋梁坍塌原因分析

（1）管線橋?qū)嶋H的橋梁施工順序與設(shè)計(jì)不符，系梁和橋面系施工進(jìn)度與拱肋和吊桿的施工進(jìn)度不匹配。

（2）錯(cuò)誤應(yīng)用《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130-2011）相關(guān)計(jì)算公式，導(dǎo)致過(guò)早拆除橋面系下方支架。

根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》第5.3.4條規(guī)定進(jìn)行立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，立桿計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)考慮長(zhǎng)度附加系數(shù)k和第6.4節(jié)規(guī)定的連墻件設(shè)置情況而確定系數(shù)；施工單位提供的支架計(jì)算書(shū)中管線橋在橫梁和橋面板支架拆除完畢后，系梁支架并不存在橫橋向約束桿件情況下，支架立桿的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算中支架步距取水平桿間距1200mm，造成立桿允許軸向力計(jì)算錯(cuò)誤，錯(cuò)誤地指導(dǎo)了橋梁施工。

（3）系梁支架鋼管銹蝕嚴(yán)重、鋼管外緣無(wú)防銹漆、鋼管壁厚變薄且厚度不均、構(gòu)件老化現(xiàn)象非常明顯，由此造成的系桿支架承載能力下降對(duì)事故的發(fā)生也有一定的影響。

橋梁施工順序不當(dāng)和支架計(jì)算錯(cuò)誤是造成本次橋梁坍塌事故的主要原因。

4 結(jié)論

（1）橋梁施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)確定的施工順序，并合理設(shè)計(jì)支架等輔助設(shè)施。

（2）鋼管支架為橋梁結(jié)構(gòu)中所廣泛應(yīng)用的支架形式，一般情況下支架體系面外僅設(shè)拋撐桿件，與規(guī)范驗(yàn)算條款設(shè)置有連墻件的計(jì)算前提不符，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)特別加以注意。

（3）鋼管支架應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)置內(nèi)部撐桿。

（4）支架搭設(shè)前應(yīng)進(jìn)行鋼管質(zhì)量檢查，易腐蝕環(huán)境下應(yīng)采取合理除銹、防銹措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 易仁彥.近15年國(guó)內(nèi)橋梁坍塌事故的原因和風(fēng)險(xiǎn)分析[J].交通科技，2015（7）：61-64.

[2] JGJ 130-2011，中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].