大陆学者分析台湾南方澳大桥倒塌事故


  2 019 年 1 0 月 1 日上午9 时许,台湾宜兰县南方澳跨港大桥发生意外垮塌事故,一辆油罐车随桥掉落水中,事故已造成1 0 人受伤 5 人失踪。该事故引发了国内外广泛讨论与关注。本文通过现场监控视频和现场残骸照片,对事故进行初步分析。

事故概况

  台湾南方澳跨港大桥为亚洲第一座双叉式单拱桥,桥长 140 米,桥宽15 米,桥下至海面高度18.5 米,桥面至拱顶25.27 米。主体钢材为耐候性高强度低合金钢,钢板总重1535 吨,支承型式为750 T 单向活动钢支座,该桥于 1998 年6 月20 日完工。桥樑为繫桿拱结构,主梁採用斜桿与主拱圈相连,形成尼尔森体系,钢主梁受拉自平衡的水平推力。这一结构特点可从倒塌前现场照片中得到验证,如图 1 所示。

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图1 澳跨港大桥(图片来源:苏奥观光旅游网)

倒塌过程分析

  2.1 确定初始破坏位置/根据东森新闻和来自网页的两个视频,均可发现,在油罐车驶过跨中后不久,跨中靠右侧第一根吊桿与拱圈连接部位最先发生断裂,为本起事故的起始破坏点,如图2 所示。

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图2 初始断裂吊桿
  2.2 剩余吊桿的连续断裂
  第一根吊桿断裂后,左侧吊桿几乎在同一时间发生与拱圈连接部分的断裂,而右侧吊桿则发生与桥面连接的失效,如图 3 所示。在正常桥樑设计中,一般会保留一定的安全储备,即使其中一根吊桿的失效后,其余吊桿仍可保持结构正常工作。而在本事故中,首根吊桿失效后产生的内力重新分布,导致剩余吊桿受力增加,并引发吊桿连续断裂失效,可以推断吊桿与拱圈或桥面的连接部位发生了一定程度的损伤。

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图3吊桿连续破坏过程示意图
  2.3 主梁倒塌及残骸分析
  根据现场残骸照片,推断主梁为钢樑,如图 4 所示。

大陆学者分析台湾南方澳大桥倒塌事故图4 主梁结构形式推断
  由视频中可见,主梁在吊桿破坏后,由于弯矩持续增加,主梁挠度立刻增大;变形增大到一定程度在跨中产生塑性铰,主梁出现裂缝;随着挠度继续增加,裂缝开展;挠度增大到一定程度主梁突然发生断裂,结构在断裂处发生不连续相对转动变形;主梁断裂后,结构变成可变体系,发生连续倒塌,如图 5 所示。

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图5 主梁变形过程示意图
  2.4 主拱圈倒塌过程分析
  在倒塌前,从视频中可以看出,主拱圈在倒塌过程中,发生的变形并表现出了拱顶和拱脚的相对位移,但拱圈未发生强度破坏;在繫桿拱整体滑落后,拱与桥面连接的交叉桿受到冲击发生断裂。

  2.4.1 吊桿失效,拱顶向上回弹,拱脚发生相向位移
  由视频中可见,主拱圈在事故过程中拱顶上拱,拱脚向跨中方向发生位移。
  就拱顶变形看,第一根吊桿断裂时,吊桿拉力释放后,作用在主拱圈的拉力消失后,主拱圈出现轻微回弹,略微向上拱起;吊桿连续断裂,主拱圈继续向上拱起,幅度增大,但无论是拱脚还是拱顶,结构位移较小,如图 6 所示。

  2.4.2 主梁向下变形,拱脚继续发生相向位移
  主梁形成塑性铰后,并继续垮塌时,主拱圈明显向上拱起,结构发生破坏。在所有吊桿都发生断裂瞬间,拱顶竖向变形较小,但当跨中产生塑性铰时,可以看出拱顶发生明显的向上位移,同时拱脚位移迅速增大,随后主拱圈整体垮塌,如图 7 所示。

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图6 拱顶变形过程示意图

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图7 拱脚变形过程示意图
  由此可以得出,拱圈的出现落樑的主要原因:
  ( 1 )吊桿释放后拱顶回弹,在拱圈长度不变的情况下,拱脚发生相向位移
  ( 2 )主梁受弯出现塑性铰后,主梁跨中位移引起主樑与拱连接处进一步发生相向位移。
  上述两个位移的叠加导致繫桿(主梁)和拱整体从支座上滑落。

倒塌过程总结

  通过上述视频图分析,本团队将倒塌过程通过示意图更好的展示,见图7 。澳跨港大桥坍塌可分为以下 4 个阶段:1 . 第一根吊桿发生断裂,内力发生重分布,超出剩余吊桿承载能力,导致吊桿连续破坏; 2 . 吊桿破坏后导致作用在拱圈上的内力释放,主拱圈拱顶发生较大的向上恢复变形,拱顶向上回弹,由于拱圈轴向变形可以忽略,因此,拱顶向上回弹必然导致拱脚向跨中方向收缩; 3 . 吊桿破坏后,主梁无法承受自重而发生弯曲变形,挠度大大增加,导致拱脚处受到较大拉应力向跨中收缩。4 . 主梁变形到一定程度产生塑性铰,在跨中开裂;同时拱脚明显相对位移,繫桿拱发生落梁,进而整体坍塌。

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图8 桥樑倒塌过程示意图

基于虚位移原理的繫桿拱拱脚相对位移分析
根据虚位移原理,有式 1 。

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图9 拱顶位移引发拱脚相对位移示意图
大陆学者分析台湾南方澳大桥倒塌事故——(1)从式1 中可以看出,在拱顶位移方向单位力作用下,在忽略轴向变形和剪切变形的前提下,拱顶位移将引发结构弯曲变形和拱脚位移。同理,当主梁发生一定弯曲变形后,跨中的挠度将引发两拱脚发生水平的相向位移。因此,可以认为在保持繫桿拉力不变的前提下,繫桿拱在吊桿断裂和主梁弯曲后,繫桿拱拱脚有内生的发生相向位移的趋势,这个趋势可能导致繫桿拱整体落梁。

结论与建议

  ( 1 )澳跨港大桥坍塌,可初步推断是大部分吊桿存在损伤,某一吊桿断裂后,损伤后的吊桿无法承担主樑自重引发的各吊桿内力重分布带来的各桿内力的增加,进而引发连续倒塌。
  ( 2 )包含繫桿的上部结构的落梁是在吊桿发生破坏的条件下,三个原因导致上部结构滑落,拱顶向上位移和主梁向下挠度均会引发拱脚发生相向位移,导致上部结构在支座上移动,第三,当结构变成机构后,进一步从支座上滑落,引发结构整体发生坍塌。
  ( 3 )由于繫桿拱在倒塌过程中,在发生吊桿连续断裂后,繫桿主梁仅形成塑性铰,不发生彻底断裂的前提下,具有天生的拱脚发生相向位移的特点,建议加强繫桿主樑与相邻跨主樑的连接,避免繫桿拱上部结构整体滑落。
  ( 4 )建议加强吊桿与拱圈和主梁连接处的强度检查,及时发现吊桿钢结构鏽蚀或疲劳引发的强度损失。

  以上工作由浙江工业大学彭卫兵教授、戴飞教授和浙江工业大学青年教师李翠华博士以及两位研究生朱志翔和陈林立合作完成。限于本团队的认知水平,文中可能有很多不当之处,敬请大家批评指正。

  ●彭卫兵,工学博士、教授、博士生导师,长期致力于桥樑倒塌事故分析和新型桥樑结构研究,提出了典型的独柱墩樑桥倾覆破坏模式,提出并建立了基于刚体和变形体转动的梁桥倾覆计算方法。主持国家自然科学基金 3项、主持浙江省省自然科学基金、浙江省科技厅和交通部西部课题分项课题多项。

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  ●戴飞,博士、教授、博士生导师,长期致力于建设工程信息化、安全与健康风险等方面的基础理论、技术、及应用研究,并在工程视觉传感研究领域做了一些国际有影响力的工作。目前担任美国土木工程师协会建设工程与管理杂誌( Journal of Construction Engineering and Management )编委,及美国土木工程师协会可视化信息建模与仿真委员会秘书。

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