桥梁事故及经验教训_secret.doc

桥梁事故及经验教训1 概述自从18 世纪70 年代欧洲工业革命以后,随着大工业与交通运输的发展而发展起来的近代桥梁,至今已有200 多年的历史1 。回顾历史,不难发现,近代桥梁是在与事故及病害的斗争中不断发展的。桥梁建设者克服了各种挫折,取得了重大进展和成就。经过2 个多世纪的发展,桥梁数量已异常庞大。无论是钢桥还是混凝土桥都曾出现过不少破坏事故,有的是在施工过程中,有的则在运营阶段。分析总结这些事故的经验教训,对今后的桥梁建设是有好处的。2 钢桥事故及分析从19 世纪后期至今,钢桥破坏事例并不鲜见。钢桥的破坏可分为失稳和脆断两种情况。桥梁结构的失稳可分为下列几类2 : 个别构件的失稳,例如压杆的失稳和梁的侧倾; 部分结构或整个结构的失稳,例如桥门架或整个拱桥的失稳; 构件的局部失稳,例如组成压杆的板和板梁腹板的翘曲等,而局部失稳常导致整个体系的失稳。世界上曾经有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故。例如, 俄罗斯的克夫达敞开式桥, 于1875 年因上弦杆压杆失稳而引起全桥破坏;加拿大的魁北克桥于1907 年在架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲而引起严重破坏事故;苏联的莫兹尔桥,于1925 年试车时由于压杆失稳而发生事故;澳大利亚墨尔本附近的西门桥,于1970 年在架设拼拢整孔左右两半(截面) 钢箱梁时,上翼板在跨中央失稳,导致112 m 的整跨倒塌。对钢材脆断的研究始于19 世纪末。钢结构的脆断事故往往发生得很突然,没有明显的塑性变形,构件破坏时的承载能力很低,所导致的损失也十分严重3 。20 世纪20 年代英国人格里菲斯提出了破断理论,并用缺口冲击韧性试验作为检查材料韧性的手段。但脆断事故仍时有所闻。例如:1951 年1月加拿大魁北克市的一座全焊接钢桥- 杜佩里斯桥突然整跨倒塌4 ,断落于冰冻的河床中。第二次世界大战前夕,比利时在阿尔贝特运河上建造了约30桥梁事故及经验教训胡汉舟,叶梅新71 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.座全焊空腹桁架维伦他尔型桥梁,有3 座在19381940 年间倒塌。1994 年10 月21 日,韩国汉城的圣水大桥5 ,一座采用钢桁式结合梁的4 车道公路桥,由于焊接不当致使焊缝断裂而坍塌,造成多人遇难。我国哈尔滨的滨洲线松花江大钢桥是铆接结构,1901 年由俄国建造,1914 年发现裂纹。1962 年把主跨8 孔7 m 跨的大钢桥全部换下,其余11 孔3. 5m 跨的钢桥至1970 年才换下。1973 年我国沈大铁路线上辽阳附近的太子河桥,跨度33 m ,大桥桁架的第一根斜拉杆脆性断裂。在这些桥梁的脆性断裂事故中,低温、应力集中、焊接残余应力和焊接缺陷等起着十分明显的作用。3 混凝土桥事故及分析在全部桥梁中,混凝土桥梁已经占绝大多数(1989 年欧洲桥梁中混凝土桥梁占70 % ,美国混凝土桥梁占72 % ,我国混凝土桥梁占90 %以上) 。混凝土桥历经130 余年的发展,从素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土、部分预应力混凝土,以至预应力钢筋混凝土,每一步都含有与混凝土开裂作斗争的内容。在各类桥梁中预应力混凝土桥的缺陷率最低,而使用寿命的期望值最高。根据1994 年秋检统计,我国铁路桥梁共有病害桥6 137 座,占桥梁总数的18. 8 % ,其中混凝土桥2 675 座,占病害桥梁的43. 6 %。混凝土桥的耐久性近年来已逐渐引起各国的高度重视,混凝土桥梁的事故由于其对交通运输安全畅通影响严重,修复重建费用浩繁,成为世界各国所共同关注的问题。自70 年代以来,国内外都发现预应力混凝土桥梁及结构发生不少损伤的情况,有的还相当严重,影响桥梁结构的正常使用,甚至危及安全。其原因是多方面的,除与施工质量、环境因素等条件有关外,预应力筋的应力腐蚀和环境腐蚀(力筋锈蚀) ,特别是后张混凝土梁中的压浆质量难以保证而导致预应力混凝土桥梁结构的耐久性受到影响有关。如1985 年英国威尔士发生了一起后张灌浆预应力桥梁破坏的事故6 ,为此,英国运输部1992 年9 月发布新建桥梁不再使用后张有粘结预应力梁的决定;国内某市一座斜拉桥建造不久由于拉索的防腐措施不当而造成断裂事故。事实上,近年来国内混凝土桥破坏事故的报道屡见不鲜,其数量远远超过钢桥。4 国内某斜拉桥压溃事故处理4. 1 工程概况大桥主桥为带有协作体系的双索面预应力混凝土独塔斜拉桥,主跨258 m ,跨度布置为:74. 5 m +258 m + 102 m + 83 m + 49. 5 m ,总长567 m ,桥面宽29. 5 m ,主跨分25 个节段采用牵索挂篮施工。大桥在边跨已经合拢,主跨主梁悬浇至23 号块、伸臂长度达192 m 时,发生压溃断裂事故,主梁16 号块位置底板、直腹板和斜腹板被压溃,有关部门对事故原因进行了调查分析,在基本查清主梁断裂原因的基础上,进行了局部拆除、加固和重建工作。4. 2 大桥局部拆除工程拆除范围为2315 号块,共拆除9 个8 m 节段共72 m 预应力混凝土梁,卸载34 000 kN ,拆除36根斜拉索。块件拆除利用原有的主梁悬浇挂篮,块件凿除分块之前,先进行结构体系转换,把悬臂端最外一根索转换成牵索,使凿除块件的全部重量置于牵索挂篮上,在此基础上对需拆除的8 m 节段分块凿除、卸载,卸除拆除块件荷载的同时视结构的受力需要调整斜拉索索力。每一个块件拆除卸载完毕,对称拆除河跨和岸跨最外一根斜拉索,随着C21C15斜拉索的逐步拆除,为满足岸侧83 m 跨梁体受力的需要,在拆除岸侧斜拉索的同时,在岸侧83 m 跨设立支架,在拆除斜拉索的相应位置用支架支撑梁体,在支撑支架与主梁之间设置可测试和调整反力的自锁式油压千斤顶,确保保留结构主梁内力满足设计受力要求,保证保留结构安全可靠。4. 3 大桥加固重建工程大桥加固重建工程主要由4 个部分组成: 有索区保留主梁的加固; 49. 5 m 跨主梁的加固; 主梁的重建工程; 保留结构的裂缝处理。4. 3. 1 有索区保留主梁的加固有索区保留结构主梁的加固范围为:从主跨14号块至24 号墩间的保留主梁,梁长共305 m ,有索区的主梁加固采用在主梁箱室角隅处增设2 道纵梁,同时,对有索区主梁较簿的斜腹板进行加固。加固纵梁位于主梁梁体闭口箱室内,2 道纵梁分别位于底板与斜腹板交界处的角隅和底板与直腹板交界处的角隅处。加固纵梁采用与保留主梁同标号的混凝土,纵梁四周布置20 的纵向钢筋,同时,纵梁内设劲性骨架,劲性骨架采用2 根 28c 的槽钢,2 根槽钢采用缀板连接成整体。纵向钢筋和劲性骨架总的含筋率达到5. 0 %(直腹板处) 和4 %(斜腹板处) 。为了加强劲性骨架与加固纵梁混凝土的72 桥梁建设2002年第3 期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.连接,保证劲性骨架参与纵梁共同受力,劲性骨架上布置了剪力钉。由于加固纵梁与保留主梁混凝土存在较长的龄期差,因此,采取了以下措施来减小加固纵梁混凝土的收缩徐变影响: 提高加固纵梁内纵向含筋率;采用微膨胀混凝土; 采用低陷度的混凝土,要求加强振捣,保证加固纵梁振捣密实; 采用构造措施加强加固纵梁与原结构的连接。为保证加固纵梁能参与结构共同受力,采用以下措施处理加固纵梁与原结构的连接问题: 原结构中与加固纵梁接触面全面凿毛; 原结构底板、斜腹板及直腹板间隔开槽,使加固纵梁与原结构间形成剪力键; 设置连接钢筋将原结构槽口内纵向钢筋与加固纵梁纵向钢筋焊连起来; 加固小纵梁纵向钢筋尽可能穿过保留结构横梁,对处于横梁预应力束位置无法穿过横梁的纵向钢筋则采用在横梁的加固纵梁处开槽,露出原结构钢筋,加固纵梁纵向钢筋与原结构内横梁钢筋焊接。4. 3. 2 49. 5 m 跨主梁的加固49. 5 m 跨主梁边室顶板顶面靠直腹板附近,有数条几乎平行的顺桥向裂缝,长2040 m ,宽0. 050. 10 mm 之间;同时,在中室及开口箱的顶板底面上存在许多短细裂缝。产生该主梁裂缝的主要原因有以下几个方面:(1) 主梁断面过于单薄,顶板、底板及斜腹板厚度与其相应的受力不适应。(2) 49. 5 m 跨主梁39. 33 m 范围内无横隔梁,主梁的横向传力途径是按整体横向框架方式进行的,各室主梁顶板尤其是边室顶板横向跨度过大,导致顶板横向拉应力过大而产生顶板顺桥向裂缝。(3) 49. 5 m 跨主梁约43. 8 m 范围内无斜拉索区域,主梁两侧仍设置了较重的实体块(每延米4. 2t) ,较重的实体块加剧了桥面板横向内力,促使桥面板顺桥向裂缝的产生。(4) 49. 5 m 跨无横隔梁区域主梁顶板横向为普通钢筋混凝土结构,而横向钢筋为12 mm ,间距20 cm ,纵向为预应力结构,钢筋为16 mm ,间距10cm。(5) 对于25 号墩附近的主梁,由于剪力较大,端块范围内的斜腹板及底板没有进行加强处理,主梁斜腹板及底板主拉应力过大,导致25 号墩附近主梁斜腹板及底板产生斜向裂缝。(6) 24 号墩主梁底板预应力束同一断面断开过多,达20 束9 j15 mm ,锚后局部应力过于集中,导致24 号墩附近主梁底板裂缝密集、贯通,后期的承载能力达不到要求。针对49. 5 m 跨存在的构造问题及裂缝分布情况,采用的加固措施如下:(1) 桥面板卸载,对主梁两侧构造上不必要的、重量较大的实体块进行切割,减小桥面板的横向内力。(2) 在底板与斜腹板交界处增设纵梁,减小边室桥面板横向计算跨度,同时提高支座附近主梁的抗剪能力。(3) 增设4 道横梁,增加主梁抗畸变能力,同时提高开口箱主梁顶板的抗扭转能力。(4) 增设主梁体外横向预应力束,增加桥面板的横向压应力,减小裂缝宽度。(5) 在24 号墩附近主梁底板裂缝贯穿的范围内加设厚18 cm 的钢筋混凝土底板,同时在底板底面粘贴钢板条。49. 5 m 跨主梁加固工程完成后,对施工完成后的加固工程进行检测、观察,表明加固处理能显著改善本跨主梁的受力情况,提高了主梁的承载能力。4. 3. 3 主梁重建工程重建主梁与原主梁相比,结构构造和体系上作了较大的调整,主要体现在以下几个方面:(1) 对主桥的结构体系作了适当的调整。设置22 号塔墩处的水平限位装置,以减少主梁两端的水平位移,同时,改善了主梁的受力状态;23号墩设置拉压支座,保证体系的受力明确;塔顶钢横梁后期固定,亦改善了主梁的受力状况。(2) 对重建主梁的底板及斜腹板厚度进行了调整。底板厚度增加至28 cm ,斜腹板厚度增加至22cm。由于重建部分的主梁位于主跨合龙段附近,运营阶段主梁承受较大的正弯矩;通过对重建主梁底板及斜腹板厚度的调整,主梁的中性轴下移,增加了重建主梁的抗弯刚度。同时,增加主梁底板及斜腹板的厚度也是构造上的需要。(3) 对重建主梁的横隔梁厚度进行了调整。横隔梁的厚度由原来的25 cm 调整至28 cm。由于横隔梁内布置了2 束19 j15 的预应力束,预应力束的孔道直径较大,调整横隔梁厚度后,横隔梁钢筋的净保护层厚度相应地增加了。(4) 重建主梁增设了连续梁侧3. 5 m 过渡段。通过3. 5 m 过渡段将21 号墩主梁的双箱双室直腹板截面过渡到斜拉桥的双箱双室斜腹板截面,桥梁事故及经验教训胡汉舟,叶梅新73 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.避免了原设计的两类截面突变现象,这样有利于传力匀顺。(5) 对重建主梁双箱双室断面的布置范围进行了调整。由于斜拉桥主梁剪力较小,因此,较原设计大幅度减小了斜拉桥主梁双箱双室断面的范围,重建主梁仅25 号块和24 号块的一部分为双箱双室断面,其余主梁均为双箱单室断面。(6) 对重建主梁安装阶段预应力粗钢筋的数量及布置方式进行了调整。原设计的主梁安装阶段的预应力粗钢筋数量最多时一个块件达140 根,且每根均在块件前端面上张拉锚固,预应力筋的孔道对断面削弱很大。重建设计中,通过调整施工控制方案,安装阶段的预应力粗钢筋数量减少到每块件仅64 根,在构造上采用交错锚固接长。(7) 对重建主梁运营阶段的预应力束数量进行了调整。重建主梁位于主跨跨中区域,活载正弯矩较大,因此,重建主梁下缘增设了较多的预应力钢绞线束。(8) 对重建主梁的竖向预应力筋数量及布置方式进行了调整。为了控制斜腹板裂缝,重建主梁增加了斜腹板竖向预应力粗钢筋的数量,同时,斜腹板竖向预应力粗钢筋采用无粘接方式,这样,可减小预应力筋对斜腹板断面的削弱。(9) 重建主梁钢筋布置进行了调整。重建主梁的纵向钢筋交错搭接,2 层钢筋网间增设连接筋,斜腹板钢筋布置及局部薄弱位置增加钢筋等, 在与原结构的钢筋布置相比, 均进行了调整。由于大幅度减少了双箱双室截面的布置范围,在基本维持原设计恒载水平的情况下,加强了结构,并使原有的斜拉索得以利用。4. 3. 4 保留主梁的裂缝处理保留结构主梁在安装阶段和压溃破坏过程中及主梁局部拆除过程中产生了较多的裂缝,裂缝的处理好坏是保留主梁能否安全受力和后期主梁的耐久性能否达到要求的关键。保留结构主梁裂缝按以下原则处理:(1) 裂缝位置后期荷载产生的拉应力超过截面容许拉应力时,对裂缝进行补强处理。(2) 某些截面已发现裂缝贯通时,对裂缝进行补强处理。(3) 对于直接遭受雨水侵袭的桥面板裂缝,采用能提高其抗渗性能的赛柏斯材料进行处理。(4) 其它裂缝按耐久性进行处理。对缝宽0. 15 mm 的裂缝采用压力灌浆,对缝宽 0. 15 mm的裂缝作表面封闭处理。由于保留主梁裂缝较多,大部分裂缝宽度较细,分布较密成网状,普通的裂缝修补无法进行,同时,考虑本桥地处沿海地区,环境较差,为防止大气污染对主梁的腐蚀,保证结构的耐久性,结合保留主梁的裂缝处理,对主梁外表面进行防腐涂装。通过对保留结构主梁裂缝的补强、压力灌浆及表面封闭,再辅以主梁外表的防腐涂装,可以保证结构的耐久性要求。4. 3. 5 加固重建工程的施工控制保留结构加固期间通过斜拉索索力的调整使加固纵梁始终处于受压状态;重建主梁悬浇过程中通过每节段浇筑1/ 2 节段混凝土调整牵索索力来控制施工期间的应力水平;通过增加主梁合龙后全桥调索的方法,解决了成桥索力与悬臂施工期间塔梁临时约束水平力过大之间的矛盾。由于采取了在每阶段悬浇混凝土期间增加调索等措施,主梁施工期间保留结构压应力实际控制在16 MPa 以下, 重建主梁压应力实际控制在17. 5MPa 以下,主梁无拉应力产生。对每一个悬浇节段,进行2 次正常的控制监测,选择深夜或凌晨同步进行索力、应力、线形、温度测试,并对桥上临时荷载进行统计调查。在对实测索力和线形进行标准化处理(除去温度和临时荷载的影响) 后,通过综合考虑索力、线形实测值与理论值的差异,决定是否需对索力进行调整。在重建结构悬浇施工过程中,通过多次调索和优化控制手段,使安装阶段负弯矩由原87 000 kNm 减少到37 000 kNm ,使安装过程主梁应力保持在17.5 MPa 以内的较低应力水平,确保了重建结构悬臂施工过程的安全。4. 4 局部拆除加固重建工程质量鉴定保留主梁加固施工的过程中,选择了有代表性的位置进行加载测试,加载测试结果表明:各级加载结构