摘 要: 對(duì)四川省宜賓市南門大橋發(fā)生斷裂事故的原因進(jìn)行了分析和探討, 并對(duì)中承式肋拱橋預(yù)防類似事故的發(fā)生提出了建設(shè)性意見。
1 前言
2001 年11 月7 日凌晨4∶30～ 5∶00 許, 四川省宜賓市金沙江南門大橋兩端先后發(fā)生斷裂, 兩輛汽車墜入江中, 一艘小型船只被毀, 造成宜賓市區(qū)南北公路交通中斷。
南門大橋于1990 年6 月建成通車, 橋長(zhǎng)384 m , 橋?qū)?3 m , 為單孔跨徑240 m 的鋼筋混凝土中承式拱橋, 橋面由17 對(duì)鋼纜吊桿懸掛于拱體。大橋設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)計(jì)2005 年車輛日通行量為7 760 輛, 而實(shí)際日通行量1998 年已達(dá)47 000 輛。此次事故中,連接拱體和橋面的4 對(duì)8 根鋼纜吊桿斷裂, 北端長(zhǎng)約10 m , 南端長(zhǎng)約20 m 的橋面發(fā)生垮塌。
本文在有限的資料基礎(chǔ)上, 對(duì)橋面發(fā)生垮塌事故的原因進(jìn)行初步分析和探討, 并對(duì)修復(fù)工作和避免類似事故的發(fā)生提出建議。
2 橋面垮塌原因
(1) 大橋橋面板為具有一定剛度的鋼筋混凝土預(yù)制板, 橋面板由17 對(duì)鋼纜吊桿懸掛于拱體, 如圖1 所示。在正常使用情況下, 荷載使橋梁各部分均產(chǎn)生彈性變形。由橋梁的結(jié)構(gòu)形式及材料性質(zhì)決定了大橋拱體產(chǎn)生的變形相對(duì)于鋼纜吊桿的變形可忽略不計(jì), 即在分析時(shí)可把拱體視為是剛性的, 而把長(zhǎng)鋼纜吊桿簡(jiǎn)化為長(zhǎng)彈簧K 2, 把短鋼纜吊桿簡(jiǎn)化為短彈簧K 1、K 3, 橋梁的分析簡(jiǎn)圖如2 所示。在設(shè)計(jì)允許荷載W 作用下, 彈簧K 1、K 3、K 2 均發(fā)生彈性變形, 由于長(zhǎng)彈簧的彈性變形能力大于短彈簧, 即K 2 產(chǎn)生的應(yīng)變小于K 1、K 3 的應(yīng)變, K 2 所受的力小于K 1、K 3。
車輛和行人對(duì)橋梁是一個(gè)加載、卸載過程, 即W 是一個(gè)交變荷載, 盡管一般情況下作用的荷載W小于橋的彈性極限值, 但在交變荷載的長(zhǎng)期作用下,受力較大的短吊桿將先于長(zhǎng)吊桿達(dá)到疲勞極限, 即短吊桿由于交變荷載長(zhǎng)期作用將先于長(zhǎng)吊桿產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。
(2)受溫度變化的影響, 橋梁各部分均產(chǎn)生溫度變形, 材料不同, 熱脹冷縮效應(yīng)也不相同。垂直方向,拱體與鋼纜吊桿的熱脹冷縮效應(yīng)在一定程度上相互抵消, 產(chǎn)生不良影響較小。在水平橫橋向, 拱體與橋面板熱脹冷縮同步, 也不產(chǎn)生不良影響。
但在水平順橋向, 由于拱體的熱脹冷縮效應(yīng)受拱體形式及橋基限制, 在水平方向拱體反映不出熱脹冷縮變形, 而橋面板順橋向熱脹冷縮變形就突出出來。由于橋面板的熱脹冷縮, 使各鋼纜吊桿在順橋向反復(fù)發(fā)生微幅擺動(dòng), 在鋼纜吊桿兩端部產(chǎn)生彎曲變形, 如圖3 所示。在橋面板相同的熱脹冷縮變形下, 短鋼纜彎曲變形大于長(zhǎng)鋼纜, 同時(shí)短鋼纜的變形能力小于長(zhǎng)鋼纜。因此, 反復(fù)發(fā)生的微幅擺動(dòng)將使鋼纜兩端產(chǎn)生疲勞損傷, 并且彎曲變形較大的短鋼纜先于長(zhǎng)鋼纜達(dá)到疲勞極限, 產(chǎn)生疲勞破壞。
這里所說的疲勞破壞是指由于鋼纜銹蝕或外部尺寸的突變、局部彎曲變形及材料不均勻等原因, 造成鋼纜某些局部的應(yīng)力較高。在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下, 應(yīng)力較高的點(diǎn)或材料有缺陷的點(diǎn), 逐步形成非常細(xì)微的裂紋, 裂紋尖端的嚴(yán)重應(yīng)力集中, 促使裂紋逐漸擴(kuò)展, 鋼纜截面不斷削弱。又因裂紋尖端材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài), 比單向拉伸更不易于出現(xiàn)塑性變形。所以, 當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度, 在偶然擾力作用下, 鋼纜就會(huì)沿削弱了的截面發(fā)生突然脆性斷裂。
(3)橋梁的振動(dòng)也是造成橋面垮塌的因素之一。由于目前我們還沒有來得及對(duì)大橋進(jìn)行全橋振動(dòng)實(shí)測(cè), 具體原因?qū)⒃谝院蠼o出分析結(jié)果。
在上述因素的綜合作用下, 使大橋北端已達(dá)到一定疲勞損傷程度的短吊桿在偶然擾力作用下發(fā)生斷裂, 一段橋面落入江中, 此時(shí), 整個(gè)橋面力平衡被打破, 就象蹺蹺板一樣, 北端的配重減掉了, 在南端產(chǎn)生上下擾力, 而南端的短鋼纜疲勞損傷程度本來就與北端相似, 已承受不住這個(gè)擾力作用, 這就發(fā)生了隨之而來的橋南端短吊桿斷裂和橋面的垮塌。
目前, 國(guó)內(nèi)類似于宜賓南門大橋結(jié)構(gòu)形式和使用狀態(tài)的橋梁還有多座, 防止類似事故的發(fā)生尤為迫切。
3 建議
(1) 吊桿的變形問題應(yīng)當(dāng)引起足夠重視, 嚴(yán)格控制吊桿的彈性變形, 如調(diào)整鋼纜直徑、材質(zhì)等, 其他類型橋梁鋼纜變形能力的差異也應(yīng)注意。
(2) 橋面板順橋向整體剛度可設(shè)計(jì)得再小一些,即整個(gè)橋面再柔一些, 允許局部變形更大一些, 允許伸縮變形更大一些。
(3) 用2001 年11 月2 日通過四川省科技廳組織鑒定的《工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力無損檢測(cè)方法》(鑒定證書[ 2001 ]第336 號(hào)) 作為檢測(cè)手段之一, 定期對(duì)該類重要工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 給出定量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 判定結(jié)構(gòu)的安全度, 從而避免事故的發(fā)生。
(4) 以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù), 采取相應(yīng)措施或定期更換鋼纜。
(5) 改善鋼纜與拱體, 鋼纜與橋面的連接方式。
(6) 在吊桿的承重鋼纜與外部保護(hù)鋼管之間不宜填充水泥砂漿等脆性物質(zhì), 而宜采用對(duì)鋼材無腐蝕性的柔性材料, 或不用保護(hù)鋼管以便維護(hù)。
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