【桥梁档案】美国100年钢桥破坏实例分析

魁北克桥跨越圣劳伦斯河，是一座中跨悬臂钢桁架梁


桥，首次建于1907年。

美国土木工程师特奥多罗·库帕（Theodore Cooper）为了超过苏格兰的建于1890年的福斯桥（Forth Bridge），改变了魁北克桥的设计，忘乎所以地把大桥的长度加长，使其跨度创纪录。福斯桥是当时世界上最大的悬臂式钢梁桥，库帕的新设计使魁北克桥长出福斯桥一米。然而，增加的重量使钢的应力非常高，大桥的设计单位凤凰桥梁公司（Phoenix Bridge Company）却没有计算加长后的重量。而库帕本人过于自信，既没有做足够的设计验算，也没有重新计算桥梁的重量，并且不允许任何人检查他的工作。

重大问题在施工开始不久就出现了。最终，悬臂跨倒塌：南塔坍塌在河中和岸边，北塔解体。事故夺走了75人的生命。

10年后，建设工作才又开始。新设计加强了悬臂。然而在1916年，灾难再次发生，新的中跨滑落坠入河中，11人丧生。

至此，魁北克桥已经先后断了两次，共有86人丧生。魁北克桥倒塌的悲剧为桥梁工程师敲响了警钟：

◆ 设计需要外界审查










◆ 材料性能应受约于规范，而非个人意见










◆ 材料要接受检查与核准










◆ 施工安全是每一位工程师的责任

美国最著名的钢桥破坏事故是塔科马海峡吊桥。这座桥建于1940年，然而，它的遭遇又如何呢？

塔科马海峡吊桥的设计于1929年开始计划，但因为资金短缺而被推后。鉴于魁北克桥的失败，该桥采用了前人未曾尝试过的悬索桥方案，即桥面狭窄而跨度创纪录。桥面下的加劲钢板梁有2.5米厚。该桥面系统的选用引起了人们的忧虑，却得到了一位知名顾问的认可。

该桥刚投入使用就出现了上下起伏的现象，其桥身在微风中垂直弹跳。由于大桥对风的动态响应惊人，为了感受其震荡的刺激，不少人慕名而来。4个月后，大桥在70km/h的风速下失去控制地弯曲扭转。最终，于同年11月倒塌。

重建的塔科马海峡吊桥采用了桁架式加劲纵梁以增加刚度，新跨建于2005年。

虽然引发倒塌的其他原因仍在讨论之中，但是塔科马海峡吊桥的风毁，让桥梁工程师发现了桥梁抗风研究的重要性和必要性。事故发生后，人们开始研究风载对桥梁的空气动力学效应，后来的桥梁增加了桥面结构的厚度并增加宽长比。

Silver Bridge跨越俄亥俄河（Ohio River），建于1927年，其关键构件为强度高但韧性低的销孔拉杆。

大桥于1967年倒塌，91人丧生。该桥以单一销孔拉杆作为结构杆件，破坏始于销孔拉杆与栓销的环形连接，一个销孔拉杆端部由应力腐蚀引起了裂纹。当时，对于桥梁还没有韧性要求或任何韧度检验协议。桥检不够深入，只是象征性的检查，无法检查到关键部位。裂纹很小，难以发现，最终导致全桥毁灭。

重建桥为桁架桥，也出现了裂纹。新的裂纹是由焊接修补引起的。

Silver Bridge的倒塌启发了立法，开始了全美桥梁常规检查计划和对钢桥韧性的要求。事故警示桥梁工程师：

◆ 关键的销孔拉杆上的未被察觉的应力腐蚀断裂破坏了整座桥梁

◆ 单一的销孔拉杆不可靠

◆ 单荷载通道桥梁需要新的设计规则

1983年，I-95 Mianus Bridge的挂跨坍塌。

这座桥建于1958年，两边的悬臂跨用栓销和吊杆来支撑挂孔，每个挂孔上有3条车道，挂孔的每一角由两个吊杆和两个栓销支撑，挂跨的每一角有两组吊杆和栓销。

由于吊杆与栓销连接处遭受腐蚀，锈蚀从吊杆延至栓端，从而引起栓销断裂,而栓接于栓销的盖板掩饰了吊杆欲从栓销上滑脱的迹象。最终，一个挂孔分离而坠入水中。

I-95 Mianus Bridge坍塌事故给人以工程教训：












◆ 桥梁结构缺乏冗余度












◆ 栓销与吊杆的连接被盖板遮掩难于检查












◆ 桥面排水系统的机能不良导致栓销与吊杆的连接处遭水侵蚀












◆ 锈蚀膨胀迫使栓销与吊杆脱离

最近发生的一次坍塌事故是美国明尼阿波利斯(Minneapolis)的I-35W Bridge。该桥于2007年全桥坍塌，致使12人丧生。

I-35W Bridge建于1964年，主跨为上承式桁架，杆件与节点板的连接为铆接，钢材屈服强度为345MPa。这座桥桥检频繁，被认为虽有缺陷但是安全。大桥坍塌时，桥面正在修补。其坍塌原因归结为节点板的破坏所致。

事故调查中，拍摄于2003年的照片表明节点板产生弯曲变形。节点板连接主要杆件，如果它们被破坏，桥梁即倒塌。

事故发生后，全美所有类似桥梁的节点板都进行了检查。I-35W Bridge的倒塌带给桥梁工程师的工程教训有以下几点：

◆ 节点板应该设计得更精密，检查得更仔细

◆ 需要考虑在维修过程中放置在桥上的荷载

◆ 基于桥梁的设计分析，检查应该涵盖该桥所有关键部件

◆ 现存桥梁的节点板应该仔细检查以避免破损

新的I-35 Bridge将要建成。但是，不论你怎么做，一些问题还是防不胜防。有时即便桥梁不倒，也能引起一系列代价昂贵的后果。

在匹兹堡西面的俄亥俄州河内维尔岛（Neville Island）上有一座新桥——I-79 Neville Island Bridge。当一艘拖船经过它的时候，拖船船长看到了桥上



的裂缝。

I-79 Neville Island Bridge是非冗余结构的双孔钢板梁桥，厚板翼缘板用电渣焊焊接在一起。因为焊区的韧性低，电渣焊在美国许多州不被允许使用。虽然电渣焊接难于质量检查，但用于焊接厚板时较经济。

这座没有冗余度的桥并没倒塌。里海大学应邀进行公认断裂区的法庭分析，在该桥的断裂表面发现了电渣焊处有原始裂纹；在去掉梁上的涂层后发现许多加工时焊接修补的痕迹。裂开的梁被修复后，顶回至原位并用镙栓拼接。修补后的桥梁看起来很新，但断裂使问题升级。

其他一些电渣焊接的桥梁经检查也发现了断裂。有问题的焊接处用栓接拼接板加固以保安全。桥梁焊接点的检查费用昂贵且耗时。

I-79 Neville Island Bridge引发了人们对电渣焊在桥梁上使用的担忧。目前，美国禁止在桥梁上使用电渣焊；要求检查焊接点；启动程序以找到裂缝来源；改善进程以允许再次引入桥接焊。但大部分州还没有批准此项进程，桥梁焊接仍被检查。