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 | 显示全部楼层 | 阅读模式
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)。

佛州天桥坍塌 (1).jpg
佛州天桥坍塌 (2).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (3).jpg
佛州天桥坍塌 (4).jpg
佛州天桥坍塌 (5).jpg
佛州天桥坍塌 (6).jpg
佛州天桥坍塌 (7).jpg
佛州天桥坍塌 (8).jpg
该桥桥面板为悬臂结构,厚241~625mm。
佛州天桥坍塌 (9).jpg
佛州天桥坍塌 (10).jpg
佛州天桥坍塌 (11).jpg
从图纸可以看到,该桥的主跨和边跨预应力束是断开的。
佛州天桥坍塌 (12).jpg
主跨桁架立面
佛州天桥坍塌 (13).jpg
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。

佛州天桥坍塌 (14).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (15).jpg
佛州天桥坍塌 (16).jpg
平移施工时,蓝色部分的主跨总重为861吨。
佛州天桥坍塌 (17).jpg
佛州天桥坍塌 (18).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (19).jpg
佛州天桥坍塌 (20).jpg
佛州天桥坍塌 (21).jpg
佛州天桥坍塌 (22).jpg
佛州天桥坍塌 (23).jpg
佛州天桥坍塌 (24).jpg
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。

佛州天桥坍塌 (25).jpg
佛州天桥坍塌 (26).jpg
佛州天桥坍塌 (27).jpg
路过车辆行车记录仪拍到的视频截图
佛州天桥坍塌 (28).jpg
佛州天桥坍塌 (29).jpg
佛州天桥坍塌 (30).jpg
佛州天桥坍塌 (31).jpg
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)

佛州天桥坍塌 (32).jpg
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)
佛州天桥坍塌 (33).jpg
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)
佛州天桥坍塌 (34).jpg
5)自北向南,桁架节点(9-8和7-6节点)依次破坏(观察)
佛州天桥坍塌 (35).jpg
佛州天桥坍塌 (36).jpg
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。
bc.jpg
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。

佛州天桥坍塌 (37).jpg
佛州天桥坍塌 (38).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (39).jpg
设计方案中,斜腹杆(11)也没有预应力。
佛州天桥坍塌 (40).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (41).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (42).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (43).jpg
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。
佛州天桥坍塌 (44).jpg
佛州天桥坍塌 (45).jpg

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。

佛州天桥坍塌 (46).jpg

   
精彩评论倒序浏览

8687查看3评论

deus_ex7 发表于 2018-4-4 15:31:37
    分析的恨透彻和到位,学习了,谢谢
举报 回复
dingling32... 发表于 2018-4-4 15:36:54
分析思路清楚,看懂了!!谢谢分享
举报 回复
greetingpi... 发表于 2018-4-8 13:27:21
专家果然就是厉害  分析的虽然带有一定的推理性质,但句句切中要害  此处点一百个赞
ok   继续卖力赶工期去了   不是我等苦力有时间去研究推理的茬   欢迎更多专家大V们秀肌肉,我等苦力顺便受教育长见识
举报 回复
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

 
 
  • QQ:56984982
  • 点击这里给我发消息
    电话:13527553862
    站务咨询群桥头堡站务咨询桥梁专业交流群:
    中国桥梁专业领袖群
    工作时间
    8:00-18:00