材料力学-案例分析.doc

广东九江大桥坍塌事故引发的争论1 主题词水平冲击，脆性破坏，设计，质询，安全隐患2 事件背景2007年6月15日，清晨5时多，广州九江大桥现场。在漫天迷雾中一艘运沙船偏离了航道，驶向非通航的引桥。瞬间，运沙船剧烈地撞向九江大桥桥墩，随着一声巨响，桥上的灯全灭了，紧接着又一声巨响，靠南海九江这边的桥面首先断了下去，直接砸向了运沙船。10余秒种后，随着一声巨响，另一侧的桥面也断裂倾斜到江中。在撞桥前，运沙船上的高音喇叭还在喊，“危险，紧急逃生”然而，就在撞上的一瞬间，尽管运沙船做了紧急避让，向旁偏了一下，却仍然在水流的作用下将桥墩铲断事故直接导致200米桥面坍塌，桥面上有4辆汽车坠入江中，7名司乘人员和2名巡桥工人失踪。运沙船上的10多人落水后逃生，其中2人受伤。专家对事故进行的技术评估尚未完成，但广东省交通主管部门一位负责人对媒体表示说，可以肯定这是一次意外事故，肇事船只未遵守航行标准，驶入非主航道造成事故发生。九江大桥是一座斜拉桥结构的桥梁，主桥由两孔高160米的独塔混凝土斜拉桥组成，按照设计标准通航能力为3000吨。该运沙船载重为2800多吨，船体自重1000多吨，但是水流湍急，船顺流速度超过每秒3米，其撞击力超过1000吨，而桥墩的水平防撞能力只有300吨，因此造成了事故。图1 九江大桥事故现场3 媒体报道中提出的疑问和质询事故发生后，媒体在报道事件的同时，也纷纷刊登出评论，并针对事故原因和背后的问题提出一些疑问和质询。大连晚报6月18日刊登了一篇新闻品评，题为“九江大桥为何如此不堪一击”。针对广东省高速公路有限公司一位负责人关于“考虑到非通航孔被撞的可能性不大，其防撞力相对较低”的说法，评论指出，可能性不大并非没有可能，俗话还说“不怕一万，就怕万一”，按照常识，引桥的绝大部分应该是在地面上的，引桥一旦入水其桥墩和主桥墩的防撞力就没有什么区别，因为水面不同于路面，可以设置护栏和障碍。根据实际情况，运沙船能够驶向引桥桥墩，说明也是能够航行的。大桥两侧像这样的桥墩还有很多，那就是说只要船只撞上任何一个这样的桥墩都可能发生同样的悲剧。一个永久工程却人为地留下这么多“万一”，这能是正常的吗？长江上这样的桥梁不计其数，如果这些桥梁都存在这些薄弱环节，我们的大桥和水运还有什么安全可言？同时，既然这些引桥桥墩怕撞，有危险，又不在主航道上，相关部门应该在那里设置提醒和预警装置，特别是在夜晚和雾天提醒来往船只。但这艘运沙船却都没有看到这些，等到驾驶者看清楚自己的船偏离了航道并已接近桥墩，根本已经来不及躲闪了。由此可见，这起严重的安全事故还是人祸，是偶然的也是必然的，因为这样设计施工出来的桥梁和安全意识的缺乏，已经早早为这样的事故埋下了伏笔。4 问题与议题（1） 九江大桥坍塌是一起与设计施工无关的纯意外事故，还是反映了大桥设计施工维护使用中存在重大安全隐患？（2） 试举例说明结构的脆性破坏与延性破坏的区别？（3） 试提出提高桥墩安全性的概念性措施5 参考答案（1）观点一：出现如此事故，不必大惊小怪根据材料力学的动荷理论，船体对桥墩的水平撞击力与船速和整个船的质量成正比关系。尽管肇事船吨位不太大，但船体自重再加上超载装运的沙子，总重约达4000吨，即使按照静载方式作用，也已经超过了该桥墩3000吨的设计防撞能力，更何况顺流而下的船速超过了每秒3米，由此产生的冲击动荷效应会远大于其静载效应。由此看来，运沙船水平冲击作用造成桥墩被铲断，桥面垮塌的后果是不足奇怪的，如果说桥在如此大的冲击力作用下仍然安然无恙，那倒是应该感到奇怪的了。此外，引桥桥墩处于非主航道，按规定是不允许船只通行的。因此，没有必要把这样的桥墩修成与主桥桥墩具有相同的承载力。这好比是汽车在高速公路上意外地撞上护栏，肯定会造成严重事故。如果护栏被设计得相当坚固，以致不会轻易被撞坏可能没有现实意义，经济上也不合算。出现类似的事故当然是悲剧，但应把主要注意力放在监督司机不违章，正常地安全行驶上，而不应只盯住护栏设计得结实与否。公共安全受新闻媒体关注和监督是必要的，但提出问题应当有科学依据。观点二：事出是偶然，灾难是必然目前看来，虽然发生事故的主要责任在于运沙船驶入错误的航道，并且没有及时采取必要措施保持正确的航向和速度，但发生事故的性质和造成的后果也暴露出大桥的设计建造方面的问题。正是因为大桥存在许多安全隐患，才使得偶发的事故造成了如此严重的灾难性后果。支持媒体对有关方面提出质询的观点。根据材料力学的动荷理论，船体对桥墩的水平冲击动荷系数可表示为，其中静位移的影响至关重要。如果静位移相对较大，动荷系数可能远小于1，即冲击力并没有通常想象的那样大。如采用悬臂梁模型进行桥墩的力学模型简化，静位移与冲击点到固定端的距离的3次方成正比，事发时，恰好处于高水位，相应的静位移肯定不会小。另一方面，还应考虑船上与桥墩接触点的具体结构情况。根据事后记者在医院采访运沙船船长的报道，运沙船的载重量约2000吨，“当时，我开着船准备钻过桥眼，在距大桥10多米远时，才意识到船钻不过去，要出事了。由于船顺流而下，速度比较快，要想刹停已经不可能了。这时，只听轰、轰几声，50米长的输送沙子的吊臂已经撞上了桥墩。，我们亲眼看到九江大桥3段桥墩塌了下来。”按照这一描述，我们可以进行如下的简单分析：显然，与桥墩直接撞击的吊臂刚度远小于桥墩，如果把吊臂看作是撞击时的弹性（或者是弹塑性）缓冲构件，则吊臂的大变形应加入到静位移中，这就会进一步增大静位移而减小动荷系数。如此看来，尽管船的冲击速度高，如果静位移相对较大，动荷系数可能会远小于1，即冲击力并没有通常想象的那样大。根据船长的经验，“以往一般船撞硬物后，会向反方向反弹，我开了10多年的运沙船，从来没发生过撞船而不反弹的。”这一描述明确地暗示了桥墩破坏的脆性性质。大桥被撞造成破坏是难免的，但关键的问题是如此的破坏过程显示出的脆性破坏性质是异乎寻常的。所谓脆性破坏，即在极限破坏之前结构没有出现较长的变形阶段和较大的变形量。因为脆性破坏与严重的后果相联系，正常的设计是决不允许发生的。这一事实暴露出桥墩的设计或者施工早已存在不容忽视的问题和隐患。因此可以说，事故的引发是偶然的，但一旦发生事故即会造成灾难性后果则是必然的。虽然不掌握桥墩的设计细节，但发生明显的脆性破坏这一事实本身就可作为证据，结构存在脆性破坏的可能性是设计或施工不当，存在安全隐患的表现，进一步的证明需要根据实际数据对桥墩的极限承载力进行模拟计算。（2）钢材脆性破坏通常表现为以下三个特征：1)低应力水平破坏，破坏应力小于材料屈服强度，有时仅为屈服强度的0.2倍；2）破坏之前没有显著变形，破坏中结构吸收能量很小，破坏突然发生，无事故先兆；3）断口平齐光亮。产生脆性破坏的主要原因有两个方面：一是材料方面的缺陷，如有害元素含量过高以及导致材质不均匀的冶金缺陷，如夹杂、裂缝和分层等；二是结构构件的几何突变造成的应力集中。北海油田“海宝”号海洋钻井平台事故是脆性破坏的典型实例。该平台由长75m，宽27.5，高3.95m的巨型浮船构成。1965年12月27日在气温为3C时突然发生井架倒塌和下沉。当时船上有32人，事故造成其中19人丧生。事后调查发现，事故是由某连接杆的脆性断裂破坏所致。该杆件破坏时的实际工作应力低于所用钢材的屈服应力；连接杆上部变截面处的过渡圆角半径很小，其应力集中系数高达7.0；同时，材料的冲击韧性很低，在0C时仅有10.831J，金相检查发现有粗大的晶粒。所有这些因素共同导致了连接杆的低温脆性断裂，从而导致整个结构的倒塌。作为一个对照的非脆性破坏的工程实例，我们可以举出老“渤海2号”事故的例子。这个海洋平台于1968年建于水深7.8m的浅水域，由一字排列的三个小平台组成，分别是生活平台、设备平台和钻井平台。三个小平台分别具有4、5、6条桩腿，并在水面以上互相连接形成一个整体。海底有很深的淤泥，桩柱入泥深度达28m。由于处于发展初期，平台未进行抗冰设计。1969年，渤海遭遇了特大冰情，海上冰厚约达60cm。在漂流冰排的持续推力作用下平台产生大幅度摇摆，上层甲板振动位移达70cm，灯线摆动达180度。平台的斜支撑杆焊缝首先断裂，使结构刚度降低，变形加大。随后是其它较小构件的连接依次被破坏，最后其4根腿柱在落潮时全部被厚冰推断，但因为与设备平台间存在上部结构连接还没有全部落入水中。2月21日13时，重新涨潮不久，生活平台被整体推倒。从生活平台最初的破坏到平台被彻底推倒全过程持续了十几个小时，这段时间足以使得全部人员和重要设备有机会联系到直升机安全地撤离。遭受冰严重破坏的设备平台和钻井平台一直坚持到3月8日，终于在强劲的北风和涨潮冰推力共同作用下全部倒塌于冰水之中。在这个例子中，平台所处的环境更为恶劣，冰载荷也大得多，但却没有造成人员损失，这充分体现了结构延性的作用，即在破坏阶段的后期具有大变形能力。另外，采用多腿平台形成多次静不定结构需要较长的破坏阶段才能使结构最终变为一个几何可变的机构而被彻底推倒，这对于提高结构的安全性也是十分重要的。（3）略6 相关链接我们的桥梁为何如此脆弱？2007年8月13日，湖南凤凰县沱江堤溪段在建大桥突然垮塌，造成了重大伤亡。截至8月18日，死亡人数以增加到47人，成为全国最大的公共安全事故。对于这次事故再没有人敢站出来说大桥没有问题了，因为问题太明显了，就连参加建设的农民工也直言不讳地指出这个大桥是豆腐渣工程，他们的依据浅显得很：石料尺寸大小不一；砂浆中沙子多，水泥少；以致桥上下雨，桥洞下面也下雨，水从1米多厚的石缝中渗漏下来，甚至带下砂石泥块。更令人震惊的是凤凰沱江大桥的建造者与广东九江大桥承建者为同一家公司湖南省路桥建设集团公司，设计单位也是同属湖南的设计院。8月15日，一辆总重达183.2吨的货车经过208国道太原市小店区段东柳林桥。造成了该桥