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发表于2018-05-18    826人浏览    2人跟帖    筑龙币+50  复制链接  只看楼主

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叶子451

2018年1月,哥伦比亚的Chirajara混凝土斜拉桥,在施工中半幅突然垮塌了。这让我想起了同样是在施工中半幅突然垮塌的四川达州州河大桥。
距州河大桥发生垮塌事故至今,一晃已过去30多年了。今天,年轻人大都不知道当年那起轰动业界的桥梁事故,中老年人的记忆估计也慢慢模糊了。即便在图书馆里和网络上,与这事故有关的图片资料也几乎绝迹。前事不忘,后事之师。笔者以为,回顾与反思这次事故,并与大家分享珍贵的图片资料,是有必要的。
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我国早期斜拉桥发展
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为便于理解州河大桥事故的历史背景,先回顾一下我国早期(1975-1982年)斜拉桥的发展情况。
现代斜拉桥始于20世纪50年代的欧洲。在我国,斜拉桥建设是从20世纪70年代开始起步的。早期开展斜拉桥科研和工程实践的技术力量,主要集中在四川、上海、山东和铁路部门。
我国建成的第一座试验性斜拉桥,是重庆云阳县云安镇的汤溪河桥,1975年2月建成,见图1。这桥采用双塔双索面体系,长153m,宽3.7m,主桥分跨34.91+75.84+34.91m,主梁是由钢筋混凝土槽形箱和预制钢丝网水泥正交异性桥面板组合而成的单箱。为保证三峡三期蓄水后的通航安全,在2006年10月把这桥爆破拆除了。
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图1  四川云阳汤溪河桥(1974-2006)
1980年,四川建成了三台涪江大桥(也是一座带试验性质的桥梁)。这是一座双塔双索面预应力混凝土斜拉桥,长560.3m,宽12.5m,主桥分跨56+128+56m,主梁采用开口双箱;后在2002年被爆破拆除。
在上海,1975年10月,松江新五桥合龙。这是一座双塔双索面试验性斜拉桥,桥长105.2m,桥宽6.60m,主桥分跨24+54+24m,主梁采用混凝土箱梁。新五桥的建成,为接下来泖港大桥的建设提供了宝贵经验。
泖港大桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥,是中国第一座跨度突破200m的公路预应力混凝土斜拉桥。该桥全长391.8m,主桥分跨85+200+85m,主梁由分离式双箱梁与车道板组成,1982年6月竣工通车,见图2。
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图2  上海泖港大桥
1982年7月,济南黄河大桥竣工通车。这座预应力混凝土斜拉桥采用双塔双索面体系,主桥长488m,行车道宽15m,分跨40+94+220+94+40m,主梁为半封闭双室箱梁,是当时跨度最大的预应力混凝土斜拉桥。
铁路斜拉桥的试点工程,是位于广西来宾的红水河斜拉桥。这桥位于湘桂铁路上,采用双塔双索面体系,单线,主梁为箱梁,分跨48+96+48m;边跨支架现浇,主跨悬臂浇筑,1981年建成(见图3),是我国铁路上的第一座预应力钢筋混凝土斜拉桥。
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图3  湘桂铁路红水河斜拉桥
基于上述描述,可以看出:第一,尽管我国斜拉桥起步较欧洲晚了20年,但仍从中小跨度的试验桥开始做起,以便积累经验,避免失误;第二,斜拉桥获得大家青睐,工程师们争相尝试,积极实践,发展势头较猛。
还可以看出,早期(1975-1982年)斜拉桥的共同构造特点是:
(1)多采用预应力混凝土斜拉结构体系(用不起钢结构,而预应力可控制梁体混凝土开裂);
(2)采用构造相对简单的、布置在竖直面内的双面索(对空间索的力学分析,把握性还不大);
(3)采用抵抗压弯扭更强的实腹式箱梁(对混凝土空腹结构,如桁架,过去积累的成功经验很少);
(4)主跨多采用悬臂浇筑施工(以保证钢筋连续,接头可靠)。
当时的科研和工程实践证明,采用这样的构造,能使公路斜拉桥的跨度达到200m级,铁路斜拉桥的跨度达到100m级。
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州河大桥工程概况
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州河大桥位于四川达州,由当时的达县热电厂与达县地方政府共同投资,要求桥梁满足双车道行车、行人、供热管道和水管过江以及环境美化等多种功能。
1983年立项得以通过,1984年11月底开始初步设计,同年12月中旬通过初设鉴定;到1986年1月底,完成施工图设计;1986年2月破土动工,计划1986年竣工通车。
这桥的设计,由兰州的一所大学和一家工程设计单位承担。设计负责人在高校工作,擅长于结构力学分析,针对斜拉桥结构,提出过当时认为先进的设计理论和方法,包括:基于“施工动态图示”的恒载设计,“索面单元”(可用于空间索内力分析)和索力“一次张拉”(即不用调索,简化施工)等,并将其应用于州河大桥设计。这桥的施工,由四川省南江县的某建筑工程公司承担。
州河大桥的立面布置,见图4。结构为钢筋混凝土空腹梁独塔斜拉桥,主跨190m,边跨70m,桥宽12m。这桥的最大亮点,是利用地形,将桥一侧的拉索直接锚固于山体上,这样,不仅与周边环境协调,还可省去一个索塔。坦率地讲,即便用今天的美学眼光看,这样的造型也是相当有创意的。
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图4  州河大桥立面布置
州河大桥的设计特点,主要有以下几点:
(1)充分利用桥位处环境条件。桥北端有一小山,名龙爪山,山上有座龙爪塔(相传始建于唐代,现为省重点保护文物)。于是,以山代塔,以桥连山,既可设计出跨度达190m的独塔斜拉桥,还可把桥梁建筑与周边自然及人文景观联系起来。
(2)第一次采用空间索。桥梁南岸采用在竖面内布置的双面索,而在靠山一侧,则第一次布置下窄上宽的空间索(双索面),以便增加桥梁的“俯视美”(设计者语)。拉索由平行钢丝构成。
(3)采用带悬臂(宽2.5m)的钢筋混凝土倒梯形空腹箱梁。主梁高3.3m,顶板全宽12m,底板宽4.5m,两板均为实心板,厚15-20cm。斜腹板为X形腹杆(采用透空腹板,是为了减少箱内供热管道的温度影响),腹杆截面尺寸15×20cm。主梁预制节段长2.4m,节段两端布置一片0.4m厚的隔板。隔板的断面形式(参见图5),是在空腹主梁的基础上,内加人字形斜杆,外加两根斜拉杆(将顶、底板外缘连接起来)。拉索的下锚座,就设在隔板顶面的外缘处。
(4)采用“叶脉”状拉索。这是指将一根拉索在靠下端的某处,分散成三根更细的索股,分别锚固在三片隔板上。设计者认为,“叶脉”状拉索集稀索与密索长处于一体,既可使锚座轻型化,造型又美观。
(5)采用预制、吊装、拼接、一次张拉的施工方案。主梁按节段(由一段空腹箱和一片隔板组成,长2.8m)预制,吊装就位后再现浇0.2m的拼接层。梁体拼装时,就位一节,张拉一节,全桥吊装完成后无需进行索力调整。
图5为施工中的州河大桥,这可能是垮塌之前最后留下的桥影。
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图5  施工中的州河大桥
顺便提及,尽管在文章里、网络中甚至某些电子地图上,都用“洲河大桥”而不是“州河大桥”,但那是错的。因为,在达州,历来只有州河而无洲河。另外,达州宣汉县也有一座州河大桥,建成于2004年,此桥非彼桥,两者别混淆。
事故过程及原因分析
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1986年10月29日,大桥合龙在即,在吊装北岸某一梁段(位置见图4中的红色圆框示意)时,北岸主梁突然破断(位置见图4中的红色短线示意)垮塌。事故造成16人死亡(不知多少人受伤),直接经济损失近400万元。
桥梁垮塌的一些照片,由西南交大桥梁专业的师生拍摄于事故发生后的数日内,见图6-11。
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图6  北岸主梁破断处
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图7  仰视主梁破断处
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图8  北岸上锚于岩体的拉索松弛
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图9  未垮塌的南岸结构
事故的原因,可分为施工、设计和工程管理几方面论述。
在施工方面,问题主要出在施工单位的技术水平上。当施工技术低下时,再好的设计意图也难以实现。因施工单位是一家只有丙级资质的建筑工程公司,先前也无任何桥梁建造的经验,这就不可避免地会导致一系列的施工质量问题,如主梁预制的精度太差,部分构件的混凝土强度不合格,钢筋漏装等。从图10和图11看,垮塌的梁体均已“粉碎性骨折”,钢筋材料(包括拉索防护)破损不堪,保护层厚度严重不足,质量问题显而易见。
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图10  垮塌在河中的梁体残骸
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图11  结构残骸近观
另一方面,囿于当时的技术条件,现场没有施工监控措施,也无有效的测试手段,这就导致主梁线形和索力几近失控。这给一根压弯构件(悬臂主梁)带来的风险,不言而喻。
在设计方面,尽管新的构造很多(大概空间索、预制空腹箱梁、“叶脉”状拉索等都是在国内斜拉桥中首次采用),但似乎缺乏有力的试验验证、技术支撑和类似成功经验。若让今天的桥梁工程师来讨论前述州河大桥5大设计特点,笔者猜测,除了前2点尚可得到认可外,对后3点均会产生质疑。例如,不加预应力的空腹单箱主梁与钢筋混凝土桁架相差不多,其整体和节点受力性能如何?混凝土开裂如何控制?再如,将一根索的一部分拆分成三股,构造和传力可靠吗?如何控制“就位一节、张拉一节”时各股的内力?还有,如何在构造上保证预制节段间现浇接头的质量?诸如此类的问题,不知当时是如何考虑的;但可知的是,这些质疑均与桥梁安全有密切关系。
依笔者看法,“叶脉”状拉索可能是设计上的一个缺陷。一来,北岸拉索的倾角过小(最小的水平夹角只有约13°),这加大了主梁所承受的水平压力;二来,在当时的技术条件下,采用“一分为三”的拉索构造及配套的张拉方式,极易导致北岸空间索的计算与实际情况出现大的偏差。
在工程管理方面,据笔者记忆,当时采用的是设计施工总承包的方式,也还没有实施监理制度。设计施工总承包本身没有任何问题,有问题的是,设计负责人并不专长于桥梁施工,而施工单位的桥梁建造技术能力又严重不足,这就基本上让一座大桥的工程管理流于形式。可以设想,如此状况下,即便风险就在眼前,大家也可能浑然不觉。
简而言之,这桥的施工质量差,现场监测失控,工程管理也不给力;尽管设计大胆新颖,但设计相当仓促,所采用的梁索构造与当时经过实践验证的大跨斜拉桥者差异较大。这些不利因素的综合效应,最终导致了当北岸悬臂施工接近最不利状态时,在压弯(也不排除因上下游索力不均产生的扭矩)共同作用下,主梁在其质量和受力最薄弱之处轰然断裂。
到1987年11月,州河大桥垮塌事故得以处理完毕。随后,对州河大桥进行重新设计,1988年12月在垮塌原址上重建了一座三跨钢筋混凝土箱形肋拱桥(2005年进行过一次封闭维修),见图12。
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图12  今天的州河大桥
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结   语
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州河大桥事故发生在我国改革开放的初期。那时的社会,百废待改,几乎一切都在摸索中前行。事故的发生,是前述施工、设计等直接原因造成的,但也受到当时外部条件的间接影响,如缺乏工程市场准入制度等。今天,在经历了几十年的桥梁工程实践后,在汲取了一次次的事故教训后,我国的桥梁建设管理水平已有了显著提高。
从州河大桥事故中,让笔者受教最为深刻的,是以下三个“不等同于”,即:力学不等同于工程,图纸不等同于实物,创新不等同于成功。遵循工程规律办事,是我们应该谨记在心的。
有些往事,可以如烟;有些往事,并不如烟。尽管州河大桥事故已过去几十年,但不该被遗忘,也该有所记录和评论,以便后来者参考借鉴。这正是笔者编写这篇文章的出发点。
 (本文承蒙达州冯春勇先生提供图5的照片,承蒙西南交通大学桥梁工程系尚久驷教授提供图6-11的照片,作者谨表诚挚谢意!本文参考了诸多文献资料,不一一列出,在此一并致谢!)
 作者李亚东:博士,教授,博士生导师。兼任中国土木工程学会桥梁及结构工程学会常务理事,中国钢结构协会桥梁钢结构协会副理事长,中国铁道学会工程分会桥梁专业委员会副主任。
来源:西南交大桥梁
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