阳明滩大桥引桥坍塌事故分析报告.doc

阳明滩大桥引桥坍塌事故分析报告1、 工程简介（资料）1. 1概述 阳明滩大桥位于哈尔滨市西部松花江干流上，因主桥穿越松花江阳明滩岛而得名，大桥连接松花江北岸松北区和松花江南岸道里区群力新区。工程于2009年12月5日开工建设，2011年11月6日正式竣工通车，估算总投资18.82亿元。阳明滩大桥为哈尔滨市首座悬索桥，大桥全长7133米，其中桥梁部分长6464米，接线道路长669米，每小时车流量可达9800辆，桥面宽度41.5米，双向8车道，主桥跨度427米，主塔高80米，桥下通航净高不小于10米，可满足松花江三级航道通航要求。1.2 设计 阳明滩大桥全长7130米，其中桥梁长度6464米。哈市建委西部路网工程建设指挥部的技术人员表示1 ，阳明滩大桥之所以建设得如此长，是因为在北面有个松北的防洪大堤，南岸有个群力的防洪大堤，堤外是滩涂地和松花江，必须高架过去，跨过两个大堤，全线是高架形式，因此，阳明滩大桥全长达7130米。 桥宽包括双向八车道和两侧各2米人行道共计41米，桥面总面积23.6万平方米，相当于33个标准足球场面积。 全桥共使用混凝土近40万立方米，使用各种钢材6万多吨，钢梁6600吨，缆索1450吨。阳明滩大桥是自锚式悬索桥，主桥为双塔五跨自锚式悬索桥钢-砼组合梁结构，南北引桥为简支转连续预应力混凝土连续梁和多箱室预应力混凝土现浇连续梁1 ，其超大规模和多种复杂结构并存的形式是中国跨江桥梁中的代表。大桥两座主塔巍然矗立，两条主缆分别与桥体连接，从侧面看呈现“M”型。在主缆与桥面之间，垂直的设置98对、196根吊索，将自重达2万余吨的阳明滩大桥拽起来。自锚式悬索桥在桥面上需要很大的水平力。经过科学计算、论证和实验，采用钢混叠合梁当承担水平力的桥面梁，很好地解决了桥面沥青混凝土和桥面之间的关系。此外，桥梁防洪能力达300年一遇，设计最高及最低通航水位分别为120.3米和113.1米，满足三级航道通航要求，市民无需担心阳明滩大桥的质量。1.3施工 松花江公路大桥于1983年5月动工修建，1986年8月30日竣工，桥长为1565米。与之相比，阳明滩大桥从建设到贯通仅仅用了14个月的时间1 。从建设历程看，阳明滩大桥经历了几个重要的建设节点： 2009年，施工人员利用冬天在零下30以下的温度条件下，完成了主塔的80根桩； 2010年5月至11月，实现了四个塔的主塔封顶； 在随后的冬季，主桥6600吨钢梁在拼装平台上完成了栓接的拼装和顶推，并利用冰面将水中临时墩堪固，利用松花江的冰面将钢梁从北侧推到南岸，将夏天预制完的预制梁安装了三分之一。“攻克冬季施工难题，大大缩短了施工周期1 。”1.4建成意义 阳明滩大桥是哈尔滨市继松浦大桥之后自行组织建设的又一座跨江大型桥梁工程，北起松北区三环路与世茂大道相交处，南下跨越江北防洪堤、阳明滩岛、松花江主航道、江南群力防洪堤后，在群力新区与阳明滩大桥疏解工程连接。 阳明滩大桥为双向八车道，设计时速80公里，车辆从江南到江北只需6分钟，且大桥通行能力最高可达9800辆每小时。通车后将与已建成的松浦大桥，哈尔滨松花江公路大桥一道，有效疏解大容量的过江车流。 作为城市跨越松花江的重要通道，可有效减轻松花江公路大桥的交通压力，促进松北新区和群力新区的交通联系，进一步完善哈尔滨市过江道路交通体系。二、垮塌事件(资料)2.1阳明滩大桥引桥坍塌 8月24日5时30分，通车不到1年的哈尔滨阳明滩大桥（引桥处）发生坍塌，一段往江北方向引桥整体向人行道方向倾倒。2. 2深度分析阳明滩大桥坍塌原因建成不足一年的阳明滩大桥引桥坍塌事故引起了业内人士高度关注、深度反思，以下几点或将成为诱发事故主因： 1、未能形成有效支撑，具体表现在横向支座布置不合理、纵向连接长度不够，容易导致支座脱空和落梁破坏，这是细节设计上的问题，至少考虑不周全； 2、上部结构采用钢砼组合简支箱梁，跨间连接设计存在问题，桥面系本身未能有效参与（分配）横向整体受力，主体抗倾由支撑体系承担（此举风险着实不小）； 3、钢箱梁（或组合箱梁）本身重量相对砼箱梁要轻，对于支撑（支座）而言，活载所点比例较大，此时，结构本身就更容易导致另侧支座承载力出现负值或储备较小；4、图中提到四辆货车，载荷较大，然而倾覆时似乎只有一辆货车（见上图），而且该车应该未达验算车辆荷载轴重，如此情况下导致倾覆，可以说设计上应没有进行有效的横向稳定性（抗倾覆）验算。实际上，在国外，包括编制部颁通用图时，都会充分考虑超载、特载、以及桥面系（包括护栏）的作用大小以及安全系数，如欧洲标准规定了多达十余种活载、规定了护栏等二期恒载在进行不同验算时，要乘以不同的安全系数，进行综合评判； 5、大部分设计院在设计时，往往侧重于纵向分析（如采用杆系），且习惯于将上、下部分别进行计算分析，而未能从“空间”、“整体”角度进行全面分析，各种因素或受力行为未能系统加以考虑。 除上述外，也不排除施工或管理上的一些其它问题，以及超载的可能性，行业人士认为主要问题应当归结为设计方案考虑不周、结构方案不合理。3、 倾覆事故成因力学模型分析暨横向倾覆稳定性探讨3. 1 前言当前，我国城市立交、高速匝道等曲线桥梁多采用独柱现浇连续箱梁的结构形式。该种结构具有减少占用土地、改善下部结构布局、增加视野和桥型美观的优点。但由于其在汽车偏载作用下，对结构抗横向倾覆稳定非常不利。目前，该种结构形式的桥梁在使用过程中已发生多起倾覆事故。目前我国载重车辆普遍存在超载现象，个别车辆超载甚至达到200% 300%，导致多数桥梁处于超负荷工作状态。我国的桥梁设计工作者关注的重点在于桥梁的抗弯、抗剪承载能力方面，对于偏心偶然超载作用关注不足。 图1 阳明滩大桥（引桥）倾覆事故现场照片3.2 现行规范中有关横向倾覆稳定性的检算方法3.2.1 现行铁路桥梁规范横向稳定性的检算方法 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002.3- 2005) 中的4.1.1 条对横向倾覆稳定性检算的规定: 在计算荷载的最不利组合作用下, 桥跨结构的横向倾覆稳定系数不应小于1.3。4.1.1 条的条文说明: 检算倾覆稳定性时, 可将支座看成是刚体, 稳定力距及倾覆力矩沿横向指对支座边缘(图2 中的A 点和B 点)而言, 沿纵向指对支座铰中心(图2中的C 点)而言, 计算公式如下: (1- 1): 稳定力距, : 倾覆力距3.2.2 现行公路桥梁规范在倾覆稳定性以及支座脱空方面的描述 公路桥涵设计通用规范(JTGD60- 2004)中3.5.8 条和公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62- 2004) 中9.7.4 条中均只有禁止支座脱空的描述。可见我国现行的公路桥梁规范对横向倾覆稳定性没有相关的规定, 处于空白状态。3.2.3 计算横向倾覆稳定性时现行公路和铁路桥规的不足之处 由于现行的公路桥规在横向倾覆稳定性方面处于空白, 所以在遇到相关的问题的时候只能参照铁路桥规的相关规定。将铁路桥规的抗倾覆条文应用于公路桥梁, 有以下几点不足之处: 1) 铁路桥梁上车道少, 车道位置固定; 公路桥梁车道数较多, 由于其车道设置比较宽(3.03.75m), 而行驶车辆宽度相对较窄, 在交通拥堵时原来设置的车道内将涌入比原来预计更多排的车辆, 偏载情况更加严重。 2) 铁路桥梁宽度窄, 梁高大, 道渣和铁轨的自重较大, 这些对抗倾覆有利; 公路桥梁截面形式扁平, 自重低, 对抗倾覆不利。 3) 城市高架桥由于美观需要及桥下空间的限制而设置独柱墩, 墩顶支座横向间距小。按照铁路桥规的横向倾覆稳定性检算方法能通过, 不能保证不会发生局部支座脱空的情况。 4) 铁路桥规中的倾覆稳定系数为1.3, 我们可以将其理解为汽车偏载时超载时30%倾覆力矩达到临界值。在现阶段汽车超载现象十分严重, 只考虑超载30%偏不安全。5) 铁路桥规中的倾覆稳定性规定和检算方法并没有简支梁桥和连续梁桥的区别。3.2.4 问题的提出及分析中墩采用独柱墩, 设单支座, 桥台处则采用双支座, 现在需要解决的问题是,在极端偏载的情况下, 桥梁的抗倾覆安全度怎样, 和哪些因素相关, 怎样计算和评价这一安全度指标。桥梁在一个平面内, 由若干个支座支承, 要发生侧翻或倾覆, 总是存在一个翻转轴, 在外力的变化下, 这个翻转轴的一个方向翻转的力矩不断增大, 达到并超过了整个结构对于这个翻转轴所能承受的抵抗翻转力矩, 整体结构就会发生翻转并倾覆。如, 两桥台同侧支座的连线就构成一个翻转轴, 当该侧的偏载过大, 超过箱梁自重所能承受的抵抗力矩后, 箱梁整体将向偏载一侧翻转。对于直线桥来说, 通过力学及几何的关系, 我们不难发现对于同一荷载标准, 桥梁横向抗倾覆能力主要取决于桥宽B 和支座间距C。B 越大, C 越小,桥梁更容易倾覆; 反之则更安全。通过后文的分析,我们发现另外的影响因素则还有桥长L , 而且对于曲率不同的桥梁, 其影响因素和抗倾覆特性也有很大不同。为了分析桥梁横向抗倾覆能力和以上几个因素的关系, 我们先做出以下假设, 以简化问题: (1) 桥梁整体简化为一个平面结构;(2) 桥梁的重量在整个桥面范围内均匀分布;(3) 桥梁纵横向强度、刚度满足要求, 即不会发生除横向倾覆失稳以外的其他破坏形式;(4) 计算受力时, 不考虑桥梁变形对受力的影响。3.2.5评价指标计算式的推求1.抗倾覆指标可以以抗倾覆度作为评价连续梁桥抗倾覆能力的指标。对于抗倾覆扭转力矩, 主要有箱梁翻转轴扭转方向异侧的结构重力; 对于倾覆扭转力矩, 则主要有箱梁翻转轴扭转方向同侧的结构重力和偏载的活载力矩。2. 计算模式分类图3 某桥平面布置示意对于翻转轴的确定, 我们发现应根据如图3所示的桥面的曲率状态区别对待。因此, 对于桥梁平面, 可分为以下3 种情况: (1) 图3(1) 所示的直线桥, 桥轴线为直线, 翻转轴为桥台同侧支座的连线;(2) 图3(2) 所示的微弯曲线桥, 桥轴线为大半径曲线, 其特征是其翻转轴不穿过桥梁的外边缘线,介于图3(1) 和图3(3) 之间的情况, 都属于微弯桥;(3) 图3(3) 所示的大弯曲线桥, 桥轴线为小半径曲线, 其特征是翻转轴穿过桥梁的外边缘线, 曲率大于图3(3) 的属于大弯桥。3.计算过程I 直线桥（适用于阳明滩大桥引桥垮塌段计算）直线桥受力特点: 翻转轴为两桥台一侧支座的连线。其中，；式中: 抗倾覆度; 翻转轴扭转方向异侧的桥面面积(); 翻转轴扭转方向同侧的桥面面积(); 桥宽();桥台支座间距(); 桥梁全长(); 上部构造单位面积重量(); 横向最不利布载时距离外边缘距离(m); 集中荷载标准值(), 根据跨径不同按规范选取; 车道荷载标准值()。II 微弯曲线桥（略）III 大弯曲线桥（略）四、关于独柱墩连续桥梁倾覆问题的几点看法在建设条件约束或特殊要求的情况下，我国的城市立交、跨线或高速匝道桥梁多采用独柱连续箱梁结构形式，尤其以小半径曲线形布置居多。独柱连续箱梁结构形式优势在于，减少占用土地、改善下部结构布局、开阔视野、增加桥型美观等等。但是，实际应用中，存在一些偶然的不利因素，超限偏心荷载的作用，引发部分桥梁发生倾覆事故，造成重大人身财产损失，教训十分深刻。一些科技工作者，作了大量的科学研究，得出了很多有价值的结论，使得该类事件概率大为降低。 1、从现行规范上看，公路桥梁规范对横向倾覆稳定性的相关规定，尚处于空白状态。公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62一2004)中9.7.4条中只有禁止支座脱空的描述，而连续独柱墩桥梁结构的抗扭安全储备不高。 2、从设计工作者来看，桥梁结构工程师往往关注的重点在于桥梁的抗弯、抗剪承载能力方面，而对于偏心偶然超载作用的关注是不足的。 3、从研究工作来看，现行公路规范目前缺少对桥梁横向稳定性的相关规定，国内对此的研究工作也处于起步阶段，可直接应用或指导实践的有价值的成果寥寥无几。 4、从交通现状来看，目前我国载重车辆普遍存在超载现象，个别车辆超载甚至达到200%一300%，导致多数桥梁处于超负荷工作状态。独柱现浇连续箱梁倾覆的偶然事件时有发生。5、从应对措施上看，针对独柱墩连续箱梁结构桥梁，尽