世界第三大钢桁架桥倒塌事故分析

2024年3月26日，美国东部时间1点27分左右，巴尔的摩港附近一新加坡集装箱船撞击Francis Scott Key Bridge，引起桥梁倒塌，导致来自墨西哥和中美洲的6名移民工人死亡。

图3 Francis Scott Key Bridge

图4 巴尔的摩桁架习题（来源：桥梁之声微信群）

图5 日本Ikitsuki Bridge 与美国Astoria-Megler Bridge

图6 Francis Scott Key Bridge倒塌后残骸

据报道，发生碰撞事故的是“达利号”（DALI）大型集装箱货轮，如图7所示，详细信息包括：

• 制造商：韩国现代重工（Hyundai Heavy Industries）；
• 持有方：Grace Ocean Private Ltd. （新加坡）；
• 租赁方：丹麦航运巨头马士基（Maersk）；
• 管理方：Synergy Marine Group（新加坡）；
• 人员及货物：乘船海员23名，装载集装箱约4700个；

事故发生时，船上共有船员23人，包括21名机组人员和2名领航员，驾驶船只的是印度籍海员。现已证实，网上传播的CNN报道“一艘满载中国商品的货船袭击了我们的大桥”为谣言。

图7 “达利号”大型集装箱货轮

图8 “达利号”大型集装箱货轮行驶路线

此次发生倒塌的Francis Scott Key Bridge为飞燕式钢桁架拱桥，两边跨为半跨悬臂上承式拱、主跨为中承式钢桁架拱，通过两边跨来平衡主跨大部分水平推力，中间桥墩不用承受过大的竖向荷载，可以采用轻型桥墩代替传统拱桥的重力式桥墩，如图10所示。

图10 Francis Scott Key Bridge结构示意图

倒塌过程如以下视频所示。“达利号”货轮撞击左中墩后，主拱圈一侧丧失支撑，导致左边跨与主拱圈向下变形。变形过程中，分别在左边跨跨中，中跨靠近右中墩侧以及中跨跨中附近对应的桁架位置观察到明显断裂，随后主桥分为多段坠入水中；右边跨靠近右边墩处先被翘起，随后坠落并砸毁右边墩，导致右侧引桥发生坍塌。

对发生碰撞后的主桥受力简单开展分析。碰撞后，桥墩并未立即丧失承载力，假设在此位置发生竖向强制位移，桁架变形形状及相对轴力大小如图12所示。可知事故桥桁架断裂前，变形形态与数值分析结果基本一致，且桁架断裂位置集中在支承截面两侧轴力较大、截面收窄位置。限于时间，具体破坏顺序、位置有待进一步分析。飞燕式钢桁架拱桥在船舶撞击条件下冗余度低，一旦桥墩位置失去支撑，桁架内反力重分布可能导致钢桁架自身发生破坏，导致整桥倒塌。

图12 Francis Scott Key Bridge倒塌过程桁架破坏位置示意图

根据公开报道的资料，“达利号”货轮长约300米（984英尺），宽约48米（157英尺），标准排水量超9万吨，满载排水量超11万吨。按照欧洲船舶划分，排水量大于10万吨的船舶属于超大型货轮。有报道称，事故发生时航行速度约为15 km/h，如图13所示。

图13 船舶撞击示意图

AASHTO GVCB明确给出了5种常用的桥墩防撞措施，如图14所示。

1、护舷式防撞设施（Tender System）：一类通过装置溃缩吸能、弹性体耗能以消减撞击能量的防撞措施，应用广泛，常见材质有木制、橡胶、混凝土、钢等种类；

2、防撞岛（Island Protection）：在脆弱桥墩处堆积沙石形成的桥墩防护岛，冲上岛屿的船只不会直接撞击到桥墩，并要求传递到桥墩的冲击作用在安全范围；

3、系船柱式防撞设施（Dolphin Protection）：大直径的重力式系船桩，在圆柱形薄壳内填充大量混凝土、沙石或其他松散材料，放置在桥墩之前，通过撞击后系船桩位移耗能减少或避免失控船只的直接冲击，在美国广泛使用。

4、桩支承式防撞设施（Pile-Supported System）：桥墩附近设置单桩或桩群的刚性承台，可以独立于墩外，也可以附着在桥墩上；

5、漂浮防撞设施（Floating Protection System）：利用高强度拉索受碰撞时较小的力和较大位移，实现碰撞能量耗散或或使失控船只偏向，一般用于深水区域桥墩防撞。

中国公路桥梁抗撞设计规范（JTG/T 3360-02-2020）规定了结构性防撞措施的设计方法及选用原则，并根据防撞措施与桥墩位置分为一体式、附着式和独立式。与AASHTO GVCB相比，两国防撞设施类型基本一致。

图14 美国防撞设置对比示意图

图15 事故前Francis Scott Key Bridge桥墩防撞情况示意图

美国领航员协会（American Pilots39; Association）执行董事克莱·戴蒙德（Clay Diamond）在采访中描述了对船舶失控后的应急处理情况，可以总结为以下几点：

（1）尝试指挥失控船舶以避免事故，但未取得实质效果。当“达利号”货轮失去动力并偏航后，向港口的船舶调度中心发出求救警报，领航员了解情况后立即通过无线电下令将方向舵硬向左转，以防止船向右转弯，并下令放下左舷锚。

（2）立即切断桥上交通，避免了更大程度的人员伤亡。接到警报后，领航员做出紧急状态的判断，并且立即联系了Francis Scott Key Bridge的调度室，暂时封闭了桥上交通。据了解，由于事故桥是港口公路交通的重要部分，进出需要通过收费站，能够在第一时间在关键站点对交通流进行管控。

（3）下达桥面人员撤离命令，但未能及时完成通知。领航员在接报后立刻向相关人员发出了桥上人员撤离的命令，并通知到了桥上施工的负责人。但是据事后报道，在负责人联系上桥上工人之前，大桥已经被撞倒塌，撤离工作并未及时执行。

（1）加强结构防撞 ：Francis Scott Key Bridge采用轻型桥墩的大桥，桥墩自身抗撞击能力较差，所处主航道繁忙，应更关注防撞措施是否到位。

（ 2）避免船只失控 ：加强大型货运船只的日常管理，从船员专业素养和船只行驶控制系统两个方面，确保在正常行驶过程中，船只行驶不失控。

（3）紧急事件预警 ：应建立重要结构紧急事件预警快速响应机制，在得到可能引起桥梁倒塌的紧急事件消息后，信息联动确保现场交通、施工和航运快速预警和响应。

本次事故中，危险预警未及时传达至桥上人员是导致事故伤亡的主要原因。未来建议主航道交通量大的关键桥梁上，安装桥梁紧急状态警告装置，在出现可能引起船撞、倒塌等风险情况后快速发出警告，以降低事故人员伤亡。