綦江虹桥事故的工程力学分析.doc

綦江虹桥事故的简单力学分析1999年1月4日晚6时50分左右，重庆市綦江县城跨越綦江（长江支流）两岸、连接城东城西的“虹桥”在使用了2年零322天后，突然整体垮塌，包括18名年轻武警战士在内的40人遇难，直接经济损失600多万元。1月8日，经事故调查组调查，彩虹桥突然垮塌是由两方面的原因造成的。一是工程质量问题：彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面和拱架的拉索、锚具和镏片严重锈蚀。二是工程承发包不合法：到8日止，事故调查组找不到工程设计专用章，设计手续不全，实际上是私人设计。调查结果表明，彩虹桥垮塌，40人殒命的惨剧不是天灾，而是人祸。在此，我仅从工程的角度对虹桥的从设计到垮塌的过程中出现的不合理处进行分析，以解释桥梁垮塌的原因，锻炼自己理论联系实际的力学分析能力。以下从设计计算阶段，施工阶段，使用阶段三个方面来分析桥梁垮塌的原因。1、 设计计算阶段：桥的构造设计太粗糙，事先不做试验，建成后又不进行应力应变的观测，完全不重视科学方法，是造成事故的重要原因，以下指出虹桥设计上的一些力学问题。(1) 自重太大：綦江虹桥是提篮式钢管混凝土大跨度拱结构，河面宽140m，只采用一个大跨度结构，除开支墩，拱净跨120m，。从力学观点看，河面太宽，必须采用连续或连续拱，否则自重会把它压垮。虹桥拱座跨距120m,抛物线拱矢高24m,拱轴线弧长132.8m。拱体自重，分别按钢材和混凝土所占体积计算，一片拱架自重达330t以上，提篮式双拱自重共达660t以上。每端两个拱座相距6m，下承式桥面宽5m多，框架式梁板构造，由28根吊杆连接在拱上，连桥面装饰设备等，其重量至少在300-400t以上。这么大的自重经过简单的受力分析就可得出每片拱的水平推力H至少在350t以上。拱座承受过大的水平推力，强度不够会导致拱的破坏。北面桥台地基及岸边建筑大片被撕裂，这就是拱座强度不够的事实。一个弱基座重拱体的桥，必垮无疑。因此增设桥墩在确保桥梁强度上还是必要的。(2) 加肋截面侧向屈曲失稳：截面所谓哑铃式，就是用40cm高薄钢板加肋的钢管混凝土构造。其意图是欲增加竖向刚度，然而这种措施弄巧成拙，截面侧向容易屈曲失稳。铅直方向刚度EIx增大了，而侧向刚度EIy却被削弱了。刚度EIx与EIy之比相差太大，截面会在刚度最小的平面内开弯曲，产生屈曲丧失稳定性。一旦出现绕轴线扭曲，对焊缝极不利。根据截面尺寸，拱单元截面内临界力矩很低，必产生侧向失稳。(3) 截面内的扭矩：除侧向屈曲形成扭矩外，提篮式的拱架、拱轴线和两端支座反力不在一个铅直平面内。还有传递桥面重量给拱体的14根吊杆，每根杆与拱轴线的偏心，又会形成扭矩。扭矩使截面产生剪应力，平行于焊缝的剪应力最危险。因为焊缝抗剪强度比抗压强度低，容易产生裂纹。根据力学知识，剪切屈服应力是单向拉伸试验屈服应力的一半。加之焊接质量部分不合格，很容易产生裂纹。(4) 计算简图：虹桥计算简图是一个几何不稳定结构。桥基弱，二铰拱。推力大，拱座应力集中，会出现塑性变形。管壁不足1cm，焊接质量差，有的断面没有焊透。整个拱只要有两个焊接断面不合格，就会形成几何可变的不稳定结构。从虹桥垮塌后的现场照片上看，完全是粉碎性的，都是从焊缝处断裂成若干段，足以说明该桥在垮塌之前早已形成几何不稳定体系了。事先不做试验，建成后不进行应力应变的观测是造成如此大的错误的重要原因。2、 施工阶段：虹桥事件背后的利益关系我们在此不做讨论，但是有一点可以肯定的是此项工程是一项彻头彻尾的豆腐渣工程，无论在设计上，还是施工上，无论是施工材料，还是施工人员技术方面都存在着严重问题。(1) 焊接严重不合格：断裂是粉碎性的，断裂口都在焊缝处，断裂面基本平整。官方调查报告也说“彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性裂痕”。这些都说明焊接质量的严重问题是导致这次事故关键原因。据做了43年焊接的退休焊工周耀琪观察，彩虹桥施工时，拱架钢管焊接有两个重要问题，一是焊口问题，二是结构问题，这两个问题都是显而易见的原则性错误。焊口问题：他发现钢管与钢管连接时两管的横切面完全抵拢，这样就使钢管之间的焊接面减到了最低限度，只在表层焊接，而且没有加强块，这些都使焊缝的强度受到一定的影响。结构问题：钢管、钢板、钢管三部分合成的构件焊缝在一条线上，犯了焊接技术上的大忌。稍懂焊接的人都会将钢板的接头与钢管的接头错开，就像砌墙码砖一样。因为焊缝及其附近的热影响区会不可避免的使得焊缝处的强度较低，如果三部分合成的构件焊缝在一条线上，那么从整体上看，此处必然成为整个结构的强度缺口，极容易在应力的作用下产生裂缝，而把钢板的接头与钢管的接头错开，就会使得整体上不出现非常薄弱的地方，大大提高结构的强度。(2) 建筑材料质量不合格，强度不够。官方调查报告中说：“钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一。”这些都是建材质量不合格造成的。水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标，氧化钙在凝结过程中水化很慢，在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用，可破坏已硬化的水泥石，使混凝土抗拉强度下降。砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌合水用量加大，影响混凝土的强度，使混凝土收缩率加大，砂石中云母含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低混凝土强度。正是由于某些人为因素的作用，使得工程使用了不合格的材料，才使得混凝土的强度受到了严重影响。3、 使用阶段：虹桥仅使用了2年零322天就断裂坍塌，尽管之前说的桥梁在设计和施工方面的问题已经使得桥梁的坍塌变得不可避免，但是在使用阶段桥梁所承受的各种应力是桥梁坍塌的直接原因。(1) 武警战士整齐的脚步：在40人遇难中有18名年轻的武警战士，这是因为当时一队战士正从桥梁上跑过，也正是这些战士整齐的脚步直接引发了这场事故，尽管假使这队战士这晚不从桥梁上整齐地跑过，桥梁依然会塌，但是这队战士几乎每天的跑步的确是造成桥梁坍塌的一个原因。据清华大学范钦珊教授的试验，人在走路尤其是跑步时对地面实际上有着让人意想不到大的冲击力，而这队战士整齐的脚步实际上的冲击力相当大，而且振动的频率有可能与桥梁的固有频率相同，这样产生的共振现象对桥梁的寿命更是有着严重的影响。武警战士每天的跑步产生的冲击力加上每天通过的车辆，行人，使得桥梁在设计和施工上的缺陷处产生裂纹并逐步扩大，强度不断下降，直致应力大于强度极限时断裂。(2) 温度应力：材料力学中对温度变化产生的应力已有介绍，温度变化对静定结构引起变形，不产生应力，对超静定结构会产生应力。虹桥架主要属于钢结构，而且是超静定拱。重庆地区，夏季长，5、6、7、8、9等5个月可以算为夏季，最热天气是7月下旬8月上旬，室外温度高达42度左右。钢结构的变温应力不能忽视。引起温度应力的主要因素主要有：年温差：四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，而当桥梁位移受到限制时会引起温度裂缝。日照：桥面板，主梁或桥梁侧面受太阳曝晒后，温度明显高其他部位，温度梯度呈非线性分布。由于受到自身的约束作用，导致局部拉应力过大，出现裂缝。骤然降温：突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度，易产生温度应力，引起裂纹。(3) 发现桥梁裂缝后，有关部门没有足够重视并采取有效措施：一位小学生刘某，他在1998年11月23日的一篇彩虹桥要垮的练习作文中写道：“桥上的铁棒有裂缝，我看见了好几条，我觉得太危险了，好像马上会落下来，我飞快地跑下了大桥。”可见桥梁上的裂缝在坍塌之间已经十分明显，但是有关部门没有采取有效措施，仍然继续正常使用桥梁，产生裂缝本身已经说明桥梁在某些部位的强度不够，而且产生裂缝又会使得桥梁的强度继续下降，直到强度下降到不足以承受应力时，就断裂坍塌。结语：以上是对綦江虹桥事故的简单力学分析，从中可以看出：一座桥梁从设计到建成再到使用，涉及到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。设计疏漏、施工低劣、监理不力、使用不当，均可对桥梁产生不同程度上的损坏。因此，严格按照国家有关规范、技术标准设计、施工和监理，是保证桥梁结构安全耐用的前提和基础，在桥梁设计，施工，使用中运用科学的力学和其他的分析方法，对桥梁中可能出现的问题进行模拟、试验是避免同类事故的重要手段。在桥梁使用中进一步的巡查和管理，及时发现和处理问题，也是相当重要的一个环节。