深度！美国佛罗里达大学人行天桥坍塌原因解析

redflag · 发表于 2018-4-1 23:27:12

导语：3月15日，美国迈阿密一座新建的近千吨重的人行天桥突然坍塌，造成6人死亡、9人受伤。清华大学土木工程系博士生刘诚对该事故进行了详细分析。

1. 事故桥梁简介
佛州大学人行天桥建于迈阿密(Miami)郊区的佛罗里达州大学(FIU)，连接FIU校园和甜水区(Sweetwater) ，横跨SW 8街和一条水渠(canal)。

该事故桥为两跨人行天桥，跨径30m+53m，宽9.5m。其中，主跨53m段在施工过程中垮塌。其结构体系为预应力混凝土桁架桥(主)+索塔(辅)。预应力混凝土桁架中，下翼缘为桥面板(宽9.5m)，上翼缘兼做雨棚(宽4.8m)，翼缘中心距约5m ，两者采用单榀斜腹杆连接。而索塔仅提供对活载和风荷载的有限支撑。斜拉索为圆钢管截面(直径0.4m)，不具备张拉功能，主要为装饰效果。设计使用年限为100年，抗5级飓风，总投资1420万美元，预计2018年底使用。

以下是该桥梁的设计说明及图纸。

该桥桥面板为悬臂结构，厚241~625mm。

从图纸可以看到，该桥的主跨和边跨预应力束是断开的。

主跨桁架立面

腹板预应力设置

桥梁施工过程主要分为4步：
1、现浇主跨桁架；
2、浇筑混凝土墩；
3、移动主跨上支座；
4、现浇边跨桁架。

桥梁施工过程
桥梁在施工过程中使用了自驱动桥梁顶升模块(SPMT)，从而代替了传统的满堂脚手架施工模式。

平移施工时，蓝色部分的主跨总重为861吨。

该人行桥为预应力混凝土桁架桥，主跨和边跨均为简支桁架，两者并不连续。下翼缘处施加纵向和横向的预应力，上翼缘只施加纵向预应力，受拉腹杆也施加预应力。
在施工时，主跨在桥址附近现浇施工，之后采用SPMT平移上墩。

2. 桥梁坍塌事故
事故时间线
2018-03-10：移动主跨桁架上桥墩
2018-03-13：工程师发现桥梁北侧端部存在裂缝，并给佛州交通局发送语音报告，但并未得到重视。
2018-03-13：设计和施工团队随后在现场碰面，主设计师认为裂缝对桥梁整体安全没有影响。
2018-03-15 9AM: FIU一大学职工在等红灯时，听到一声如“打马鞭”的声响。
2018-03-15：当地镇长称桥梁正在进行受力测试。某参议员发推特，称工程师正重新张拉松掉的索。
2018-03-15 1:47PM: 桁架北侧端部首先垮塌，而后桁架多处折叠断裂，整个桁架砸向地面。事故造成6人死亡，9人受伤。

路过车辆行车记录仪拍到的视频截图

事故现场的照片

3. 事故原因分析
根据观察到的坍塌现场和一些视频记录，笔者推测佛罗里达大学人行天桥坍塌发生的次序如下：
1）斜腹杆（11）或节点（10-11）破坏（无直接证据，仅为推测）

2）桁架北侧上下翼缘剪切破坏（由行车记录仪视频观察可知）

3）北侧桁架垮塌，桁架下翼缘砸向地面（观察）
4）下翼缘和#12杆断开（观察）

5）自北向南，桁架节点（9-8和7-6节点）依次破坏（观察）

为什么斜腹杆（11）或节点（10-11）会破坏呢？

结合以下资料初步推测，事故原因为施工中错误张拉预应力，导致11杆失效，进而支座处上下翼缘剪坏，支座形成活动机构，结果中跨节点依次破坏。

参议员Marco Rubio在事故当晚发的推特称工程师正重新张拉松掉的索：
“The cables that suspend the #Miami bridge had loosened & the engineering firm ordered that they be tightened,” Rubio tweeted after 11 p.m. “They were being tightened when it collapsed today.”
由于当时还没有架设索塔，推测他所指的cables应该是桁架桥的预应力筋（tendon）。
事故后在支座处发现破坏的千斤顶和崩出的预应力筋
目击者Jose Mejia称：桥梁坍塌时，有个蓝色盒子从起重机掉下来，导致坍塌发生。

为什么预应力筋会松驰呢？推测为施工荷载与设计荷载不同的构件，比如斜腹杆（11）。
原设计方案中，斜腹杆（11）是受压杆。

设计方案中，斜腹杆（11）也没有预应力。

但是在施工过程中，斜腹杆所处北端形成了悬臂段，斜腹杆（11）为受拉杆。

施工过程中的桁架顶升位置
为此，推测施工方因此调整设计方案，给11杆施加预应力。

顶升装置撤除后，11杆受压，预应力筋松弛；
施工人员本应该撤除11杆的预应力，但是可能错误地重新张拉了11杆的预应力；
同时还在进行的受力测试，增大了11杆的压力；
最终，11杆混凝土压溃，引发后续破坏。

4. 经验和教训
当然，上述原因分析有着诸多推测，真正的原因还有待调查。
但从目前的分析上看，该事故有不少过度设计的地方，“创新”的同时造价惊人，且项目管理混乱。

桥自身的设计也不太合理，若采用钢混组合结构造桥，可大大减轻自重和造价。而减轻自重，恰恰是结构工程师最重要的任务之一。