钢箱梁的四次事故与一份报告

19世纪中叶在英国建成的不列颠尼亚桥康威桥，可以算是金属箱梁的鼻祖。这两座大桥均由杰出的土木和机械工程师乔治·斯蒂芬森设计。由于造价昂贵，在斯蒂芬森之后，管梁在桥梁界被遗忘了，同类跨度的桥梁，几乎无一例外地采用桁架梁构造。直到一百多年后，管梁才以钢箱梁的形式重新出现。这一次，钢箱梁不再昂贵，相反，正交异性板的研发正是为了减少材料用量和减轻构件自重；而焊接技术的应用，大大减少了薄壁结构制造中连接材料的用量，使得轻型正交异性板的制造成为可能，也大幅度降低了制造费用。

在20世纪30年代，美国的大量旧桥改造为适应活荷载的增加，希望尽量减轻结构自重。为此美国钢结构学会（AISC, American Institute of steel Construction)引入了一种被称为“战舰甲板”(battle deck floor)的钢板桥面体系，用来替换旧桥的桥面系。AISC推荐的结构是典型的纵横梁体系，9.5-19毫米厚的钢板，由工字型纵梁支撑，通过横梁将桥面荷载传至主梁。在这个体系中，桥面板不参加主梁受力。

第二次世界大战期间，焊接技术开始于造船。战后亟待重建的德国面临严重的钢材短缺。不少学者和工程师致力于正交异性桥面板的构造和分析工具的研发。普遍认为第一座现代钢箱梁桥是1948年建成的科隆-杜茨桥(Cologne-Duetz Bridge)。这是一座三跨连续钢箱梁桥，全长为437米，跨度为132、184和121米，宽度为20.60米。主梁的梁高呈曲线变化，支座处高度为7.8米，跨中梁高仅为3.3米，正交异性钢桥面板上面铺设混凝土桥面。值得一提的是，这座桥节段间的连接是铆接而不是焊接。

1951年德国重建的杜塞尔多夫-纽斯大桥（Düsseldorf-Neuss bridge, 或Josef-Kardinal-Frings-Brücke），将正交异性板桥面与钢箱梁结合在一起，充分发挥了桥面的抗弯刚度与闭合箱形截面抗扭刚度的优势，实现了减少材料用量、降低结构自重的优化目标。新建的钢箱梁桥沿用了在二战中被毁的旧桥的跨径布置，即103+205+103米。与1929年建成的变截面桁架桥相比，用钢量减少25%。与纵横梁桥面系不同，正交异性板箱梁的优势，是正交异性板的双重功能，将桥面与主梁上翼缘结合成为一体。纵向加劲肋和横隔板构成的桥面，能够承载重型车轮荷载而不会产生过大的局部弯曲和变形，同时又是主梁的上翼缘，成为抵抗竖向弯矩的重要构件。因此，正交各向异性桥面板的发展与钢箱梁的发展密不可分。

在杜塞尔多夫-纽斯大桥之后，钢箱梁在桥梁建设中大受欢迎。不仅用于200米左右跨径的梁桥，也用作斜拉桥和悬索桥的主梁。1967年，美国在加利福尼亚州建设了圣马特奥-海沃德大桥（San Mateo—Hay ward Bridge）。这座桥采用分离的两个箱梁作为主梁，主航道中心跨度为228.6米（750英尺）。这座桥是在近桥位处完成单片梁的拼装，用水上吊机整体吊装就位。建设承包商为这个项目专门设计和建造了起重能力550吨的海霸吊机“Marine Boss”。

科罗纳多桥

从1850年不列颠尼亚桥巨大笨重的锻铁管梁，到1951年杜塞尔多夫-纽斯大桥纤细轻盈的钢箱梁，在这一百年间，跨度在100-200米范围内的桥梁，几乎一直是桁架梁一统天下。为舰船甲板研发的正交异性钢板，在钢箱梁桥的构造中发挥了关键作用。杜塞尔多夫-纽斯大桥的成功，激活了钢箱梁桥的生命力。这一过程又一次反映了技术创新的实施与社会力量的影响之间的复杂互动。

现代钢箱梁的诞生，是技术创新和行业间的互相促进和推动的结果。而钢箱梁的设计理论和架设技术的成熟和完善过程，则是从失败中学习、在事故中接受教训，不断改进的过程。在某种意义上，介绍工程史，就是讲述从失败中学习的故事。没有失败，意味着没有新事物的尝试；没有新事物的尝试，技术就会停滞不前。新事物的探索过程，就是工程师向外拓展知识的过程。在二十世纪六十年代后期，钢箱梁设计和施工的创新显然超出了业界认知的界限，“轻质”和“薄壁”越过了极限。导致在1969年至1971年间，发生了四起钢箱梁在架设过程中的垮塌事故。

起初，钢箱梁的设计缺乏规范的指导，各国的钢箱梁设计都基本上沿用和参照德国的成功经验。美国的AISC颁发了“正交异性桥面板桥梁的设计手册“（Design Manual for Orthotropic Steel Plate Deck Bridges.），只是针对用于各种桥型的正交异性钢桥面板的设计和构造要求，并未涉及钢箱梁。大约在1965年后，英国的桥梁界已经意识到，当时的钢桥设计规范BS 153明显不适用于箱梁的设计。因此，英国标准委员会起草了一份新的钢桥规范研究草案，为薄壁钢板结构行为的研究申请资金。遗憾的是，这份申请未被批准，理由是航空业的薄壁结构的研究已经十分深入，钢箱梁的设计可以借鉴飞机制造相关的设计指南。

从理论研究的角度，薄板的屈曲不是新问题。英国的工程师在一百年前的不列颠尼亚大桥的设计中，就已经认识了金属板件的局部屈曲现象，也懂得采取有效的措施防范。但时隔一百多年，依据航空工业的薄壁结构理论来指导大型箱梁的设计，二者无论从设计荷载、构件体量、制造工艺、架设过程等都有很大差异，对新一代的工程师而言，实在是一个不小的挑战。悲剧就这样发生了！

1969年11月，奥地利维也纳的多瑙河四桥(施工进入最后阶段。多瑙河四桥是一座三跨连续钢箱梁桥，全长412米，主跨210米(如图)。主梁是两个分离的钢箱梁，梁高5.2米，桥面宽32.0米，两个箱梁的中心距离为11.8米。为了尽量减少对多瑙河上航运的干扰，主梁采用悬臂拼装的方法架设。11月6日，合龙节段与两端的悬臂焊接完成，三跨梁连成一体。按计划将在第二天调整支座高度，进行体系转换，按照设计要求实现恒载弯矩的重分布。在体系转换之前，尽管梁已经连成整体，但其弯矩分布仍处于合龙时的状态，即受力状态类似跨中为零弯矩的两个单跨梁，且由于长达105米的悬臂自重，整片梁处于负弯矩受力。当日天气晴朗，合龙时温度比设计合龙温度略高，合龙段顶部长度临时缩短了15毫米，以适应两端悬臂的温度伸长。晚上温度骤降，钢梁已经连成整体，冷缩产生的附加压应力，导致图中红点标注处的下翼缘连续发生局部屈曲，突发钢板失稳变形发出犹如爆炸的三声巨响。

边跨和中跨靠近支座处的屈曲容易理解，因为是负弯矩较大之处；接近跨中的屈曲，则是因为这里的截面设计完全没有考虑下翼缘受压的可能。负弯矩区产生的受压板件局部屈曲，是由于受压区加劲肋设置不足所致；而跨中的屈曲则是没有考虑到施工阶段可能出现的临时受压状态。如果当日合龙完成之际，及时调整支座高度，完成体系转换，这个事故可以避免。所幸这是双主梁构造，结构体系本身有一定的冗余度，局部的板件屈曲，没有造成结构的重大损毁，没有造成人员伤亡。结构损伤部分花费了大桥总造价的3.5%原地修复，大桥得以按时投入运营。修复后的大桥更名为普拉特大桥（Prater Bridge）。

接下来在三座钢箱梁架设过程中发生的事故，就没有这么幸运了！

1970年6月2日，英国在建的米尔福德港大桥在边跨的主梁架设过程中垮塌，致四人死亡。米尔福德港大桥是多跨连续钢箱梁桥，主梁是单室梯形钢箱梁，垮塌的是南岸的第二个边跨，跨度是76.8米。主梁采用节段悬臂拼装的方法架设。当时正在从伸出的悬臂部分运送这一跨的最后一个节段，桥墩附近的主梁突然折弯，外伸的悬臂段跌落至地面。事故原因是主梁在支座处的横隔板失效引发主梁的腹板失稳。米尔福德港大桥最终经过设计变更，于1975年3月20日建成通车，并更名为克莱道（Cleddau）大桥。

事隔不久，在1970年10月15日，位于澳大利亚墨尔本的·雅拉河（Yarra）河上正在建造的西门大桥发生垮塌。西门大桥是一座钢箱梁斜拉桥，垮塌的是主桥西侧的一个边跨。这个边跨的跨度是112米，梁截面为单箱三室，混凝土桥面板。顶板的设计考虑了混凝土桥面板与钢桥面的组合作用，但忽略了施工阶段的局部稳定性。主梁的架设是将梁沿着纵向中线分为两片，整跨在地面完成纵向拼装，整体吊装就位后完成顶部和底板的纵向拼接，以及横隔板等构件的连接。在两片梁的起吊过程中，外伸的薄钢板沿中心线的自由边缘发生翘曲，就位后的两片梁的挠度不一致，在纵向连接处最大相差114毫米。为了完成纵向连接，采用混凝土压重调整挠曲的差异，同时解除一些约束。正是这个措施导致了坍塌。在纵向连接完成、解除架设约束之际，一整跨112米钢箱梁跌落至地面。事故导致35人死亡。

一年后，1971年11月10日，德国跨越莱茵河的科布伦茨（Koblenz）钢箱梁桥在架设过程中倒塌，造成13人死亡。这是一座103+235+103米的三跨连续梁桥，单箱单室截面。在悬臂拼装中央跨的时候，由于纵向加劲肋对接的构造细节为了工地焊接的方便，牺牲了结构设计的合理性，导致此处两个节段之间连接处的临时弯矩超过了梁截面的抗弯能力，垮塌就在接近合龙时发生了。

短短两年间，四座钢箱梁桥在架设过程中发生事故，其中三座桥的倒塌损失惨重。调查事故原因，制定钢箱梁桥的设计和施工指导原则，防范事故再次发生，成为整个桥梁工程界的共识。1970年12月，英国环境部成立了一个独立的技术委员会。委员会一共五位成员，由布里斯托大学的副校长，物理学家麦里逊（Merrison, A. W.）博士领衔。委员会有三个基本任务：

1．针对米尔福德港桥和雅拉桥的坍塌，研究任何正在英国建造的钢箱梁桥，重新设计和重新制定安装方法的必要性。

2．审视大型桥梁钢箱梁桥面结构的设计规则和分析方法，并草拟临时技术备忘录，及时为桥梁工程师提供指导，规定在设计和建造此类桥梁时应采用的规则和方法，接受此类设计的范围，以及影响合同程序的任何特殊事项。

3．就此类工程应进行的进一步研究和发展提出建议。

1971年9月，委员会提交了一份临时报告《钢箱梁桥设计基础和架设方法探讨:中期报告》，为正在进行中的钢箱梁设计和施工临时提供最新指导。完整的报告，即麦里逊报告，在随后的1973年2月提交。麦里逊报告有六章和三个附录。第一章是整份报告的综述介绍，在第二章论及在米尔福德港桥和雅拉桥的坍塌事故中的教训，第三章涉及合同和程序，第四章是有关撰写附录一的注释，以及将一些设计和制造工艺规则深化成为标准规范的思考，这些思考在第五章得到进一步讨论。最后一章是结论和建议。临时的钢箱梁设计及工艺规则，作为麦里逊报告的附录一，以《设计和工艺暂行规则》（Interim Design and Workmanship Rules，缩写为IDWR）单独成册，由四部分组成。第一部分是荷载和总体设计要求，第二部分是设计规则，第三部分给出设计规则的依据和一些特殊结构的设计，第四部分是材料和工艺。

这份在米尔福德港桥垮塌32个月之后的研究报告，综合了米尔福德港桥和雅拉桥的事故调查分析，相关的诸如偏心荷载、剪力滞后、平板大挠度变形、焊接残余应力等多种因素的参数研究和模型试验成果，不仅成为当时正在进行中的钢箱梁桥的设计和施工实践最有用的参考资料，更引领了此后的桥梁薄壁钢结构研究和钢结构设计规范的修订。在1971年发布《设计和工艺暂行规则》的时候，英国有49座在建的钢箱梁桥处于不同的施工阶段，正在设计的钢箱梁桥有30多座。这份中期报告成为最及时的审核指南。一些项目根据这份规则对钢箱梁进行了临时或永久的加强。麦里逊报告附录一中的许多内容，成为英国标准协会（The British Standards Institution）1982年颁布的桥梁设计规范BS5400的条款，后又被欧洲标准规范EN1993沿用。

麦里逊报告答复了两个业界普遍关心的问题：1）结构力学理论是否能为钢箱梁的设计提供足够的依据，钢箱梁桥是否安全？2）业界是否为工程师设计薄壁钢结构提供了细致的指导？第一个问题，报告认为作为桥梁构件的箱梁并不复杂，结构力学的知识足以支撑钢箱梁的理论计算，因而对这种桥型的恐惧是没有根据的；但是在使用大面积薄钢板时，需要设计人员和施工人员更多的技巧，采取更加谨慎的措施。针对第二个问题，报告认为，发生的钢箱梁事故表面，按照常规的设计流程，工程师没有能够发现结构不能承受特定的载荷，说明对于薄壁结构的设计指导是不充分的。

更为可贵的是，麦里逊报告不是仅仅涉及了工程事故的技术方面，还考察了工程管理，并将关注的重点投向更为广泛的工程伦理的范畴。

在技术方面，除《设计和工艺暂行规则》之外，麦里逊报告建议持续进行钢箱梁相关的科研课题，在车辆荷载疲劳谱和风效应方面需要做更多的研究工作；应该通过静载和动载作用下的破坏试验，深入研究计入制造缺陷的钢桥面板的疲劳和屈曲性能。这些建议成为二十世纪七十年代之后，各国的桥梁钢结构研究的主要方向，相关的研究成果与概率理论的结合，构成以可靠度和极限状态设计为基础的新一代标准规范的核心内容。

在工程管理方面，麦里逊报告建议对大型钢箱梁桥建造项目，必须对施工图设计进行独立审查；架设方法应该经过设计和施工之外的第三方的独立审查，并征得设计工程师的认可；施工现场必须有设计方和承包商双方的监督人员，并明确规定监督人员的技术资格、任务和职能。麦里逊报告指出，明确划分工程师和承包商之间的责任至关重要，在重大桥梁工程中，承包合同应明确界定各自的职能和任务。

麦里逊报告的内容还延伸到委员会职责范围之外的劳动安全和工人保护问题。提醒施工人员在设计架设方案时，要将主要操作过程中可能的危险降到最低，要仔细考虑施工顺序中的安全因素。并举例说明，从提供安全通道的角度来看，事先在箱梁的某些部分安装栏杆操作顺序更可取。此外还建议为桥梁的定期维护提供安全的检修通道；由于在箱形梁等封闭空间内焊接产生的烟雾可能会造成健康危害，应该在设计阶段考虑箱梁内焊接时的通风等等。

麦里逊报告对于此后的大型工程管理中的独立审核、施工监理、劳动保护等，都产生了深远的影响，是研究桥梁钢结构和设计规范发展历程的重要文献。