Sen Brady讲述了奥地利几座箱梁桥的失效,威尔士,德国和澳大利亚在20世纪60年代和70年代,并解释这些如何导致新的设计规则和工艺指导
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1969年11月6日在维也纳,奥地利三声巨响点缀着夜空。刘海起源于多瑙河岸,第四多瑙河大桥正在那里施工。412米长的连续箱梁桥没有倒塌,但它悬挂在空中,扭曲变形[1]。

7个月后,将近2个月,000公里之外,欧洲最长的桥梁之一正在威尔士的米尔福德港附近建造。它也是一座七跨的连续箱梁桥。采用自由悬臂架设法施工。1970年6月2日,它的一个悬臂跨度在克莱德道河上延伸61米,这时它突然在支撑物上弯曲而倒塌。有四人死亡。

快进到1971年11月10日,我们发现自己在西德,莱茵河上的一座连续箱梁桥正在建设中。这是西德第一座全焊接桥梁,它的中心跨度为236米,并且它也正在使用自由悬臂安装方法建造。然后,它的底部弦受到压缩破坏,桥发生弯曲——而不是在支撑物上方,但是沿着悬臂桥的一半。它像一只断颈的动物一样垂着——它的头在河里[1]。这次,有13人死亡。

然后,1989年11月9日,柏林墙倒塌了。随着时间的推移,东德档案又导致了另一起被保密的箱梁连续倒塌。回到1973年,Zeulenroda的一座桥倒塌了,距离莱比锡约100公里[1]。四人死亡,但是因为它发生在柏林墙建造12周年纪念日,它被隐藏在公众和更广阔的世界之外。

在这些箱梁故障中,还有一次坍塌。在箱梁桥的发展过程中,这是最灾难性的,并造成了这么多年来最大的生命损失。它会提醒我们,我们最大的教训是从失败中学到的,有时这些教训来之不易。然后我们去墨尔本,澳大利亚我们的专业为相信我们理解钢箱梁结构的微妙之处付出了最高的代价。

西门大桥


这个西门大桥墨尔本的计划是8条车道宽,2.6公里长。它将由67米长的混凝土引道跨度组成,5座连续钢箱梁跨度848m。箱梁的跨度将具有由三个单元组成的梯形截面,当他们伸展到下亚拉河上时,他们将被电缆支撑[2]。

设计由英国咨询公司Freeman完成,Fox&Partners——和英国米尔福德黑文大桥的顾问一样。在这个阶段,施工时西门大桥始于1968年4月,多瑙河上第一次重大的箱梁倒塌事故尚未发生。

从一开始就有挑战:大规模的劳动罢工,钢铁承包商必须在1970年更换。然后,随之而来的是米尔福德黑文失败的消息。Freeman福克斯&Partners声称它的崩溃是一生中只有一次的,但仍在西门大桥进行加固工程。他们还指出,墨尔本正在采用一种不同的施工方法:这座桥不是用自由悬臂架设法建造的,但是它正在构建的实际方法论将被证明是致命的。

半跨提升到位

图1:半跨升到位的图表,通过维多利亚州公共记录办公室的图像

承包商正在地面上制造每跨一半的跨度——想象一下沿着其长度切割每跨,留下两个半宽的跨度。每个半跨距都是,反过来,在空气中抬起50米并滑入位置(图1)。这样,承包商把每部电梯的负荷减半,尽管电梯数量增加了一倍。在米尔福德港崩塌的时候,西门大桥的东跨和西跨,每个112米长,准备勃起。

然后,东边的一个半跨桥出了问题。这是捏造的,但是当它从地面的临时栈桥上被抬起时,它突然在顶部自由法兰上形成了一个扣子,当连接另一半跨距时,该法兰将沿着桥的中心线延伸。

发生扣是因为决定分别提升每个半跨。当自由法兰纵向和横向加强时,这两组加强筋都有问题。横向加劲肋没有必要的刚度来约束纵向加劲肋,这种约束的缺乏导致纵向加强件具有比预期更长的有效长度(因此具有较低的屈曲载荷)。

此外,纵向加强筋每隔16m就有一个节点。这些接头由固定在每个加强件上的平板拼接板组成,但是这个板的横截面积比纵向加强筋要小,并且它在一个加强筋结束的点和另一个加强筋开始的点之间桥接了318mm的间隙。此外,盘子从加强筋上脱落,这种怪癖,结合较小的接合板面积和加强筋之间的间隙,在纵向加强筋的每个接缝处产生一个薄弱点。

屈曲与桥式升降机


所以,法兰盘上有个扣子,而不是把跨度降低回到它的栈桥上,并在它仍然在地面时卸下扣子,决定继续进行升降机,并在跨度处于其最终位置(高度为50米)时设法取下扣环。但是这个扣是显著的-380毫米-一旦跨度被放置到位,不可能卸下它。尽管如此,电梯开动了。

现在他们必须把扣子拉直,并且所选择的方法是从顶部法兰的一些横向接头上拆卸螺栓——基本上消除了顶部法兰局部承载压缩应力的能力。然后,随着压力的减轻,他们可以让两个法兰盘互相滑动,把扣子弄平。一旦肥胖,在重叠的板块上钻新孔或加宽现有孔,安装了新的螺栓。

注意力转向西跨。为了防止这些半跨的自由法兰发生屈曲,他们用额外的纵向加强筋加固了法兰本身,他们还增加了横梁,从顶部自由法兰向底部法兰斜行。这种布置起作用,并且在升降过程中防止了屈曲。但是,当他们去连接两个跨度,他们发现他们之间有一个115mm的垂直间隙。

当他们在东跨面临这种问题时,他们用液压千斤顶就能把它拆下来。但是西跨115mm的间隙太大,千斤顶无法靠近,因此,他们把51吨大型混凝土砌块放在一个半跨上,以弥补这一差距。它奏效了,两半都排成一行。但是突然,整个上部法兰在宽度上发生弯曲,这是他们一直试图阻止的事情发生了。虽然在升降过程中有足够的能力防止失稳,混凝土砌块的额外荷载太大了。

图2:坍塌后工人检查桥梁,通过维多利亚州公共记录办公室的图像

图2:坍塌后工人检查桥梁,通过维多利亚州公共记录办公室的图像

该跨的装配暂停了一个月,直到决定使用与在东跨上使用的相同的方法来卸下扣子——他们将从横向接头上拆下螺栓,减轻压力,把扣子拉直。但是,西跨与东跨之间有显著差异——西跨有来自混凝土砌块的附加荷载,并且屈曲明显大于东跨。

他们开始拔螺栓了。顶部法兰的其余部分的应力开始增加——随着每个螺栓的拆除,中性轴逐渐降低,截面积逐渐减少。他们拆除了16个螺栓。然后继续往前走。

拆下37个螺栓后,这座桥已经够用了:它的净截面已经失效,顶部法兰上剩余的螺栓被剪断。跨度成为一种机制。左手半跨开始下降。然后负荷转移到右手半跨,因为它是部分连接。然后整个跨度塌陷到地面50米(图2和3)。死亡35例。

吸取教训


钢箱梁桥在战后的欧洲很受欢迎,特别是在西德,他们需要更换二战中毁坏的桥梁。谣传钢箱梁的概念是由德国空军的工程师推动的,他们被阻止制造新飞机,所以他们把技能转向桥梁建设。同时,在塔科马窄桥坍塌〔3〕。

由于甲板建筑工人在大风条件下观察。崩溃之后,“飞奔的格蒂”在风中扭曲,撕裂自己的形象给这个职业留下了一种难以摆脱的紧张感。

从1969年到1973年的事件是一系列几乎史无前例的桥梁事故——5座桥梁和56人死亡。桥梁的迅速坍塌是十分严重的:多瑙河第四桥1969年11月,然后米尔福德黑文七个月后,四个月后,西门大桥接踵而至,后面跟着莱茵河大桥13个月后,以及泽伦罗达桥21个月后。

如此迅速的一系列事件表明,进行全面调查并把信息传播回该行业以阻止失败流是多么困难。尽管西门大桥在米尔福德黑文之后进行了加固,这不足以解决人们对薄板桥普遍缺乏理解的问题。

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图3:坍塌后的桥梁跨度,通过维多利亚州公共记录办公室的图像

三跨,连续第四多瑙河大桥由于温度效应而坍塌。在建造期间,中间跨度的两边相互悬臂。1969年11月6日下午,两个悬臂在中间相遇并连接在一起。但是下午温暖的气温使得横梁的挠度更大,顶部必须缩短15毫米。然后在晚上,气温下降,这使得顶部法兰处于张力状态。

随着温度继续下降,顶部法兰的张力增加,然后将整个底部法兰进行压缩。(最初的计划是在悬臂连接后降低两个内支撑,本来可以阻止这种行为的,但是已经决定在第二天进行这种降低。)下法兰的压缩,随着扁杆加强件的使用,导致大桥在三个地方发生弯曲,导致维也纳居民听到三声巨响。

米尔福德港的坍塌是由一个不够加强的隔膜引起的——当时的设计者并不知道隔膜板的复杂行为,而设计规范反映了这种知识的缺乏。西门大桥倒塌了,正如我们所知,是各种原因造成的,但中心问题是对加强板的行为缺乏了解。

莱茵河大桥坍塌是由其压缩法兰的屈曲引起的,不要过分支持,但是沿着悬臂的一半。(在这个不寻常的地方发生扣的原因有很多,其中之一是,这是在零力矩完成的桥梁中的预期位置,并且假定加强筋在此位置处被最小化。)还有一个问题与西门大桥相呼应——在纵向加强筋被拼接的地方发生弯曲。最后,Zeulenroda大桥的倒塌似乎是由于法兰板和纵向加强筋不足造成的,但这次破坏缺乏具体的细节。

故障调查


在四次已知失败之后,接踵而来的是一系列活动。在澳大利亚,曾有皇家委员会进入西门大桥失事;而且,在米尔福德海文大桥坍塌之后,Merrison委员会编写了一份临时报告,其中载有新的设计规则和工艺指导。本项研究已通过行业实践和既有桥梁加固。

失败永远是人类努力的一部分——主要是因为我们人类参与其中。结构工程,就像所有职业一样,没有失败,就不可能真正前进。这是我们行业的一个悲惨现实——我们没有机会构建原型并消除缺陷。假设和设计方法的测试发生在现实世界中,在公众看来,有时会带来悲剧性的后果。

确保从这些悲剧中吸取教训,和箱梁桥一样,永远不会带回那些死去的人或带走他们留下的痛苦,但是它可以阻止它发生在别人身上。

作者:肖恩·布雷迪是布雷迪·海伍德的总经理。该公司提供法医和调查性结构工程服务,并专门确定工程故障和不性能的原因。本文首次发表于2016年10月结构工程师,94(10),PP 26—28

参考文献:
[1]kesson B。(2008)了解桥梁坍塌,伦敦,英国:泰勒和弗朗西斯
[2]维多利亚州,西门大桥皇家委员会(1971)皇家委员会关于西门大桥失效的报告[在线]可在:www.westgatebridge.org/./default/files/downloads/.-of-royalcommission.pdf(获得:2016年9月)
[3]布雷迪·S.(2013)“30年失效周期”,,结构工程师,91(5),聚丙烯。14—15

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