美國邁阿密人行天橋坍塌事故原因分析及建議

易晨陽 文子曈 汪思佟 武柏宏 陳 亮 杜 娟

(東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088)

2018年3月15日，美國邁阿密一座新建的重達(dá)千噸的人行天橋發(fā)生了坍塌。該天橋為桁架結(jié)構(gòu)，上下弦采用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，斜腹桿采用變角度的混凝土桿件，全橋長97.5 m，跨徑為30 m+50 m，寬度為9.5 m。主跨和邊跨均為簡支桁架，兩者并不連續(xù)。下翼緣處施加縱向和橫向的預(yù)應(yīng)力，上翼緣只施加縱向預(yù)應(yīng)力，受拉腹桿也施加預(yù)應(yīng)力。橋梁所跨越道路段53.3 m，中央主塔高出地面32.9 m，自重950 t。

橋梁施工過程主要分為：1)在現(xiàn)場澆筑主跨桁架；2)澆筑混凝土橋臺；3)使用自驅(qū)動橋梁頂升模塊(SPMT)移動主跨上支座；4)現(xiàn)澆邊跨桁架。

1 破壞點

事故發(fā)生時，主跨桁架已經(jīng)上墩，結(jié)合事故發(fā)生時車載行車記錄儀所拍攝的影像，視頻的前5 s桁架未產(chǎn)生明顯變形。通過視頻發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞是從圖1中框內(nèi)部分開始，則以下對這部分進(jìn)行分析，為分析方便對節(jié)點和桿件進(jìn)行編號，如圖1所示。

進(jìn)入第6 s時，橋體發(fā)生了如下一系列變形：

階段1：如圖2所示，吊車作業(yè)處節(jié)點(圖1中①節(jié)點)發(fā)生輕微下移。

由圖可見，腹桿1發(fā)生了S型的微小彎曲，而其他桿件未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

階段2：如圖3所示，①節(jié)點處位移增大，且圖示圈內(nèi)部分腹桿1出現(xiàn)明顯的塑性變形，橋體已發(fā)生破壞。

階段3：如圖4所示，①節(jié)點位移進(jìn)一步增大，結(jié)構(gòu)破壞愈發(fā)明顯。

綜上判斷，腹桿1發(fā)生了失穩(wěn)或者拉壓破壞。對此，采用軟件建立事故段主跨桁架模型，撤去腹桿1，對事故結(jié)構(gòu)豎向變形進(jìn)行計算，如圖5所示，并與視頻中橋體發(fā)生破壞瞬間(如圖6所示)進(jìn)行比較，兩者變形規(guī)律幾乎一致，可以判斷腹桿1號破壞并退出工作，導(dǎo)致了桁架結(jié)構(gòu)整體的破壞。

2 破壞原因

針對腹桿1號的破壞原因，以下從兩個方面對事故原因進(jìn)行分析。按照事故現(xiàn)場圖及相關(guān)資料估算構(gòu)件尺寸，腹桿1截面取400 mm×400 mm,長8 466 mm，采用Midas建立主跨桁架模型。

由于現(xiàn)有資料中缺乏桿件混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)，故分別用C40,C45,C50的強(qiáng)度等級對腹桿1進(jìn)行試算。由于C40材料的腹桿1所受壓力4 322.9 kN，略大于其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值26.8 MPa對應(yīng)的壓力4 288 kN，而C45及C50對應(yīng)的壓力則小于抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，故選擇C45進(jìn)行檢算。

對于壓桿，考慮其穩(wěn)定性，歐拉臨界力公式為:

計算得出腹桿1的失穩(wěn)臨界力為9 841 kN，遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值29.6 MPa對應(yīng)的壓力4 736 kN，故推測腹桿1出現(xiàn)壓碎破壞的可能性要比失穩(wěn)破壞的可能性更高。

2.1 壓力測試導(dǎo)致破壞

通過視頻可知吊車正進(jìn)行作業(yè)，且當(dāng)?shù)刈h員在推特上表示當(dāng)時橋梁在進(jìn)行壓力測試。則設(shè)置工況組合：自重+節(jié)點荷載(50 t)，如圖7所示，經(jīng)計算得腹桿1的壓應(yīng)力為39 MPa，如圖8所示，若考慮吊車的加荷導(dǎo)致橋體振動，使桿件壓應(yīng)力擴(kuò)大2 倍，則存在使腹桿1破壞的可能性。

2.2 預(yù)應(yīng)力施工不當(dāng)

在3月17日發(fā)布的一份聲明中，佛羅里達(dá)國際大學(xué)稱，15日當(dāng)天上午9時，施工現(xiàn)場曾舉行了相關(guān)會議，討論橋梁上出現(xiàn)的一個裂縫。依據(jù)監(jiān)控視頻可判斷，工人在事故發(fā)生前對1號桿進(jìn)行了某些施工。橋體在施工過程中處于施工支撐上時(見圖9)，腹桿1拉力為677.6 kN(見圖10)，超出抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.51 MPa對應(yīng)的拉力401.6 kN，考慮受壓混凝土桿件配置了適量鋼筋，故桿件可能出現(xiàn)開裂但裂縫寬度未超限，符合現(xiàn)場實際情況。

若假設(shè)當(dāng)時工人在給腹桿1號施加預(yù)應(yīng)力來抵消拉力，使裂縫不再進(jìn)一步發(fā)展。在模型中對腹桿1號施加相應(yīng)預(yù)應(yīng)力，腹桿1拉力減小至14.6 kN，則桿件拉應(yīng)力處于抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，如圖11所示。

橋體抬升至橋臺上后，撤去施工支撐，可看成簡支結(jié)構(gòu)。15日當(dāng)?shù)刈h員在推特上透露，工人正在張拉松掉的預(yù)應(yīng)力索，即在簡支狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力并未撤去。在此狀態(tài)下，模型中腹桿1所受壓力為4 986 kN，超出抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)的壓力，則腹桿1出現(xiàn)壓碎破壞。

3 改進(jìn)措施建議

針對破壞原因，提出相關(guān)的改進(jìn)措施建議。

1)為了防止橋體提升過程中拉應(yīng)力對混凝土桿件帶來的破壞，考慮在橋體提升之前對腹桿1施加400 kPa～600 kPa的臨時壓應(yīng)力，可保證腹桿1在橋體提升過程中不會被拉壞。

2)由于主跨預(yù)應(yīng)力混凝土桁架兩端處于懸空狀態(tài)，可在SPMT上增加一個懸空的鋼托架，如圖12所示。

采用Midas建立設(shè)置鋼托架后的結(jié)構(gòu)模型，桿件軸力計算結(jié)果如圖13所示。

由圖可見，設(shè)置鋼托架后，腹桿1的拉力明顯減小，為524 kN?？紤]桿件配置了適量鋼筋，桿件不會出現(xiàn)開裂。

4 結(jié)語

本文通過視頻逐幀分析找出了事故破壞點，即腹桿1出現(xiàn)塑性破壞。采用Midas軟件建立事故段主跨桁架模型，針對破壞原因進(jìn)行計算分析，得知施工荷載與預(yù)應(yīng)力施工不當(dāng)都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。針對破壞原因，提出了相關(guān)改進(jìn)措施。