FIU人行桥倒塌事故分析（汇总）

2018年3月15日，美国迈阿密在建人行天桥倒塌，已致6死9伤，引发国内外的广泛关注。本文结合现场视频和倒塌后残骸照片，对事故进行初步的分析。FIU人行桥位于佛罗里达州迈阿密，全桥长320英尺（约97.5m），跨越道路那段175英尺（约53.3m），中央主塔高出地面108英尺（约32.9m），自重950t。天桥造价1420万美元（约合人民币8975万元）。采用快速建桥技术(Accelerated BridgeConstruction，ABC)兴建，3月10日只用了6小时便安放在桥墩上。桥的设计，可抵御5级飓风，寿命100年。该座行人桥是全球首条完全使用自行清洁混凝土兴建的桥梁，建筑中使用的二氧化钛(titaniumdioxide)，当暴露于阳光下，可吸走空气中的污染物，令桥身保持洁白。

1.基于残骸照片的人行桥结构三维几何信息获取

根据照片和相关效果图导入CAD进行描出立面图，以USA TODAYNEWS发布的信息：图1主塔高为79.91m，预制主塔高为13.92m，由已知主塔高度32.9m，按比例确定预制主塔高度为5.73m。以预制主塔高度为参考，由图2，可估算中间腹板沿桥长方向尺寸由东往西依次为0.7m、0.45m、0.6m、0.45、0.5m、0.4m、0.4m、0.4m、0.4m和0.4m。

图1 桁架整体立面图

图2 腹杆桥长方向截面尺寸图

图3 腹杆桥宽方向截面尺寸图

图4 顶板及底板截面尺寸图
由图3可大致认为沿桥宽方向各腹杆截面尺寸相同，根据比例可估算沿桥宽方向截面尺寸为0.4m。根据图4可估算上顶板厚度为0.7m，宽度为4m；下底板厚度为0.5m，宽度为7m。

2.基于倒塌视频的事故原因分析

FIU人行天桥采用桁架式结构，上下弦杆采用预应力混凝土结构，而斜腹杆采用变角度的混凝土杆件结构。桁架结构的破坏型式主要包括上弦杆、下弦杆、斜腹杆和节点破坏这四种模式中的一种或几种。事故发生后，研究团队收集整理了大量视频和照片资料。
其中在YouTube上一段由行车记录仪拍摄的倒塌视频资料（https://youtu.be/p6L20i6_gzE）最为清晰。
以下是对该倒塌视频的分析。
http://static.video.qq.com/TPout.swf?vid=y1335fmorn5&width=500&height=375&auto=0&auto=1
从图5可以看出，直至视频8.229秒，人行天桥结构仍保持完好。
引发了人行天桥上弦杆①和下弦杆②显著向下的变形，如图7所示。

图5 8.229秒各腹杆笔直，结构完好
然而，在视频8.530秒，发现吊车在③处有一个动作，如图6所示，为进一步方便看清楚相关施工操作，特将视频中与吊车相关施工过程关键帧做成动图，如图7所示。

图6 8.530秒吊车施工操作导致结构振动

图7 施工动作
为描述外荷载作用下桥梁的振动，以图6中红色长方形标出的信号灯是否被遮挡为参考，来描述人行桥倒塌前的振动信息，如图8-图11所示。

图8 8.603s斜腹杆1失稳，能看到信号灯

图9 8.612s桥整体下降，看不到信号灯


图10 8.624再次看到信号灯，腹杆1出现失稳，丧失抗压承载力

图11 8.857秒最后一次阻挡信号灯
为了更加直观的表现人行桥在施工荷载作用下的变形过程，根据时间先后顺序，将上述在上述视频片段上用多条线段描出上弦杆、下弦杆和腹杆的位置，具体标记过程如图11所示。

图12 倒塌过程中人行桥各构件位置标记
通过标记发现，人行桥倒塌过程分为三个阶段，首先是施工荷载导致结构振动。在8.229s时，人行桥在节点1处向下发生变形，在8.530s时结构向上振动，在8.545s时，结构向下，节点1在8.229s到8.545s间发生了先向下，后向上，然后再向下的运动过程，如图13所示。

图13 节点1在施工荷载作用下的振动
第二阶段是以斜腹杆1的失去稳定为标志，在这一阶段，结构的整体变形很小，但是，斜腹杆1发生了很大的弯曲变形，说明斜腹杆1在失去稳定后丧失了抗压承载力，如图14所示。

图14 腹杆1发生失稳
第三阶段，斜腹杆1失稳后，人行桥无法继续承受自重，引发连续倒塌，如图15所示。

图15 失稳后人行桥迅速倒塌为进一步方便看清楚三阶段倒塌过程，将倒塌视频中的几个关键帧做成动图，如图16所示。

图16 三阶段倒塌过程
因此，通过视频信息，可以初步判断，在施工荷载作用下，导致斜腹杆1发生失稳破坏，丧失抗压承载力，进而引发人行桥连续倒塌。

3.倒塌过程有限元分析

依据上节所述图片量测数据，运用ABAQUS有限元软件建立简化模型，采用混凝土C40弹性模型，单元类型采用C3D8R单元，顶底板与斜腹杆节点位置采用固结，计算在简支状态、吊机扰动荷载作用等状态下的结构受力状态。在正常简支状态下，靠近主塔方向斜腹杆1为最大压应力杆件，斜腹杆2为最大压应力杆件，斜腹杆1为受力较危险杆件，如图17所示。在腹杆1及腹杆2节点部位有吊机作业，存在扰动荷载。因荷载大小未知，本模型施加了一个荷载为50t的较小的节点荷载，研究在加载及卸载后杆件应力的变化。

图17 状态1（简支状态）作用下结构应力云图
图18为扰动荷载完全加载时杆件应力云图，可知腹杆1压应力由39.4MPa增加到44.03MPa（弹性模型），在荷载卸载后，结构会出现小幅度振动，如图19所示，腹杆1应力最大值突增至68.67MPa，相较于状态1扩大约2倍，腹杆1在突增的应力下失稳。

图18 状态2（吊机扰动）作用下结构应力云图

图19 状态3（吊机扰动荷载卸除后）作用下结构应力云图变化
为模拟腹杆1失效后的结构的变形性能，拆除腹杆1继续计算。图20为拆除腹杆1后结构竖向位移云图，在图示靠近主塔黑色图框附近，出现最大竖向位移，结构进一步的失稳破坏，同时在节点1变形激增，与事故现场视频显示的结构变形一致。


图20 状态4（最大压应力杆件失效后）结构竖向位移云图

4.结论

基于目前掌握的视频资料分析和数值模拟的结果，初步认定：在自重作用下，结构最大的压应力发生在斜腹杆1，同时在施工荷载的作用下，导致人行桥斜腹杆1发生失稳，丧失抗压承载力，进而引起连续倒塌。另外，从数值分析的结果上看，在简支状态下，该人行桥仅在自重作用下，斜腹杆1已经存在接近于失稳的较大压力，在斜拉索施工完成前，撤去施工时临时支撑存在较大安全隐患。
上述工作由浙江工业大学研究团队5位教师和10位学生合作完成。其中彭卫兵教授负责事故分析方案的确定和整个报告的撰写，并与范兴朗讲师共同指导周志平、应黄诚、章伦、林佳辉和叶芸等五位本科生，负责基于现场视频的倒塌过程分析；西弗吉尼亚大学戴飞博士和张豪教授指导研究生许文煜、邓崇涛和郭晓豹，负责基于残骸图片的结构三维几何信息重建；徐晓兵副教授指导研究生赵航、本科生杨宇辉和向云燕，负责结构有限元分析。另外，感谢交通运输部公路科学研究所张劲泉、吕建鸣、宋建永研究员和清华大学陆新征教授等合作研究人员对团队桥梁倒塌反演研究多年的支持。本文也受到了西南交通大学李亚东和李小珍教授相关工作的启发，一并表示感谢。限于本人的认知水平，文中可能有很多不当之处，敬请各位大家批评指正。
  

       3月15日，美国佛罗里达国际大学（Florida International University, FIU）一座在建人行天桥（FIU–Sweetwater UniversityCity Bridge）垮塌，数辆正从桥下经过的汽车被压，据媒体报道该事故已造成6人死亡、9人受伤。

在建的FIU人行天桥位于迈阿密西部郊区的西南第8街和西南109大道交叉口，计划连接FIU校园和Sweetwater住宅区。


FIU人行天桥是一座两跨预应力混凝土斜拉桥，全长约98m，横跨一条公路（西南第8街）和一条平行河道。垮塌部分为主跨，跨越公路，长53m，于5天前（3月10日）架设就位。桥塔及跨越河道的边跨尚未建成。

FIU人行天桥的主梁为预应力混凝土桁架（工字形截面），上弦杆（翼缘）窄、下弦杆（翼缘）宽，上弦杆兼做顶棚，下弦杆兼做桥面板，上、下弦杆通过倾斜腹杆连接成整体。这座桥梁的设计很有特色，不仅结构新颖，而且完全采用自洁混凝土建造，FIU在其网站上用“First-of-its-kind”来形容。自洁混凝土是在混凝土中加入二氧化钛，在紫外光和二氧化钛发生反应时，可以自动分解各类污染物，使混凝土始终洁净如新。

FIU人行天桥的主跨采用先进的快速桥梁建造（Accelerated Bridge Construction, ABC）方法进行施工，主跨梁体预制好后，通过自行走式模块化运输（Self-Propelled Modular Transportation）提升预制梁使其脱离临时支承，然后旋转90度安装至桥位永久支承上并完成组装。ABC方法的现场安装只需要数小时，对交通影响小，也大大降低了施工过程中对工人、行人的潜在风险。FIU在其官网上自豪地宣称这是美国历史上采用这种方法施工的最大人行桥，但当把这项主要用于常规中小桥梁的施工方法应用于构造较复杂、预制构件较多、接头较多的桥梁时，西南交通大学李亚东教授对其可靠性打了一个问号。http://static.video.qq.com/TPout.swf?vid=v1335g19o0i&width=500&height=375&auto=0&auto=1

一行车记录仪拍摄下了FIU人行天桥垮塌的整个过程，在河道一侧距离支点10m左右，上翼缘、下翼缘与斜杆相交处突然断裂，重达860t的梁体坍塌。佛罗里达州参议员卢比奥在推特上说“天桥在事故发生前进行了某种压力测试，发现缆绳有松动”，另外有工程师在垮塌事故发生前发现梁体有裂缝但认为对结构安全性没有影响，显然具体情况及垮塌原因还需要进一步的专业调查。
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西南交通大学李亚东教授在微信公众号“西南交大桥梁”中对FIU人行天桥的垮塌进行了初步分析：
“1,国外网站上有一段半跨主梁垮塌的视频，可看到主梁是从靠近一端（估计离梁端5-6m）的地方开裂的。因视频没照全，还不好评判。2,有视频显示主梁架设就位后的地面交通情况，从中没见任何支撑结构，视频借此显示ABC技术不长期中断交通的优点。3,对抗弯而言，主梁的构造，大致相当于两块平板，离散斜杆的作用估计有限。若施工质量控制不到位，构件接头不牢靠，稳定性也会降低。4,主梁架上后五天没事，那应该说自重作用下的强度和稳定性就没问题。剔除强风、环境振动、撞击等因素，只能推断是某种人为操作导致了失衡。”

结语：美国西北大学Zdeněk P. Bazant教授在一篇文章中所说到“搞清楚重大工程事故的原因一直是促进结构工程进步的重要机会”。目前，我国正在大力推广建筑工业化，我想桥梁的工业化建造一定能从这些事故中够吸取经验教训。
               

「完成状态的人行天桥结构体系」

查阅FIU网站和当地的施工单位MCM的网站，可知完成后这是一座两跨预应力混凝土斜拉桥。

下图红圈中的斜腹杆即为彭卫兵、戴飞认为发生失稳的斜腹杆。

当然，具体情况及倒塌原因尚需等待美国国家运输安全委员会（National Transportation Safety Board, NTSB）的官方调查结果。

资料非常好，谢谢分享！

向专家和前辈们表示敬意，在下要收藏起来多学习学习。

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其实如果按照图示的杆件截面，受力最大的是另一端的那根斜杆，施工单位不知道做了什么操作。