大型橋梁施工事故和施工力學若干問題

陸旭日，蔣燦燦

(浙江正方交通建設(shè)有限公司，金華 321025)

大型橋梁施工事故和施工力學若干問題

陸旭日，蔣燦燦

(浙江正方交通建設(shè)有限公司，金華 321025)

該文在分析了我國近年來發(fā)生的幾起橋梁施工事故基礎(chǔ)上，研究了事故發(fā)生的原因，提出了質(zhì)量控制的一些建議，并且總結(jié)了施工中應(yīng)注意的力學問題。

大型橋梁； 施工事故； 施工力學與控制

在我國的道路橋梁交通事業(yè)發(fā)展的同時，由工程質(zhì)量問題引起的橋梁裂縫、垮塌事故不容忽視，橋梁施工質(zhì)量問題不僅影響道路交通的正常運行，還給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大的隱患。因此，施工單位和相關(guān)部門應(yīng)提高對橋梁施工質(zhì)量的重視，采用必要的施工質(zhì)量控制措施，確保工程質(zhì)量滿足工程的正常使用需求。

對于橋梁工程施工事故的等級劃分有以下規(guī)定：由于質(zhì)量問題引起的安全事故，經(jīng)濟損失不超過20萬元的屬于一般質(zhì)量問題；工程質(zhì)量與標準要求嚴重不符，需要修補措施，且導(dǎo)致經(jīng)濟損失在20～300萬之間的，被界定為一般質(zhì)量事故。根據(jù)經(jīng)濟損失數(shù)目的不同，可將質(zhì)量指事故分為三個等級，損失金額在20～50萬之間的為三級質(zhì)量事故；損失金額在50～150萬之間的為二級質(zhì)量事故，損失金額在150～300萬之間的為一級質(zhì)量事故。若工程出現(xiàn)嚴重的責任過失，以致出現(xiàn)橋梁倒塌、報廢甚至出現(xiàn)人員傷亡的，被評定為重大質(zhì)量事故。工程出現(xiàn)特大型主體結(jié)構(gòu)垮塌、工程事故中導(dǎo)致死亡人數(shù)超過30人或者經(jīng)濟損失超過1 000萬的，為一級重大質(zhì)量事故；工程事故導(dǎo)致死亡人數(shù)在10～29人之間、導(dǎo)致經(jīng)濟損失金額在500～1 000萬之間或者存在大型橋梁主體垮塌現(xiàn)象的，為二級重大質(zhì)量事故；工程事故存在人員傷亡，但傷亡人數(shù)小于10人、經(jīng)濟損失在50～300萬之間或出現(xiàn)中小型橋梁主體結(jié)構(gòu)垮塌現(xiàn)象的，為三級重大質(zhì)量事故。

1 大型橋梁工程施工中導(dǎo)致安全事故的主要因素

工程施工前沒有進行充分的調(diào)查分析、缺乏科學施工方案的設(shè)計、施工工藝不合理、施工材料不符合工程施工要求、施工過程監(jiān)管工作不到位、后期缺乏必要養(yǎng)護工作等，都是導(dǎo)致橋梁工程施工安全事故的主要因素。以下以近年來我國在大型橋梁施工中出現(xiàn)的安全事故為例，對出現(xiàn)安全事故的原因進行分析。

1.1 湖南鳳凰縣堤溪沱大橋

2007年湖南鳳凰縣堤溪沱大橋坍塌事故引起了社會的廣泛關(guān)注。在湖南湘西土家族鳳凰縣堤溪沱大橋的施工中，橋體發(fā)生坍塌，直接導(dǎo)致64人失去生命，22人重傷，經(jīng)濟損失高達3 900萬元。經(jīng)過多方事故調(diào)查研究，最終確定事故是由施工中的違規(guī)行為導(dǎo)致的。在該橋梁工程施工中，施工單位和建設(shè)單位為了節(jié)約成本，提高施工效率，不顧工程實際需要，盲目趕工期，施工過程混亂，監(jiān)管部門監(jiān)管工作不到位，設(shè)計單位沒有做好技術(shù)交底工作，導(dǎo)致整個工程質(zhì)量與設(shè)計標準不符，橋體主拱圈主體材料不符合施工標準要求，拱橋上部構(gòu)造的施工工序不合理，拱圈砌體的強度沒有達到工程要求；在施工負荷的不斷累積下，1號孔主拱圈在距離0號橋臺較近的一側(cè)出現(xiàn)了3～4 m的坍塌范圍，在連拱效應(yīng)的影響下，整個大橋出現(xiàn)了坍塌事故。

大跨徑石拱橋自重很大，與此相比，側(cè)向推力遠遠高于拱橋自重的多倍，在工程施工結(jié)束后，腳手架一旦拆除，地面和橋的兩端就會完全承受大橋的自重和側(cè)向推力，因腳手架的拆除是工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在拆除腳手架的危險期，要待拱橋達到預(yù)定的強度后方可進行，而且腳手架拆除時要遵循一定的操作順序，幾個支點同時進行拆除，保證拆除平衡，以免由于石拱受力不均導(dǎo)致拱圈推力失衡而引起連環(huán)倒塌事故。在湖南鳳凰縣堤溪沱大橋施工中，由于工程施工結(jié)束后，將手腳架的拆除工作分給了不同的施工隊伍，拆除時沒有做到操作平衡，橋墩無法承受巨大的側(cè)向力而導(dǎo)致一端出現(xiàn)斷裂，進而引發(fā)全橋倒塌的重大安全事故。

1.2 廣東增槎路高橋支架坍塌

2004年廣東省廣青高速公路施工中，增槎路高架橋出現(xiàn)了坍塌事故，引起3人死亡、7人受傷的悲劇。經(jīng)事故調(diào)查分析得出結(jié)論：支撐棚架不穩(wěn)是導(dǎo)致這起工程安全事故的主要原因。致使棚架不穩(wěn)主要有以下因素：首先，支撐棚架的受力計算不準確，導(dǎo)致立桿之間單位距離、橫桿高度等設(shè)計不合理；其次，支撐棚架質(zhì)量不符合工程標準要求，承載力不夠，導(dǎo)致支架出現(xiàn)坍塌。

1.3 重慶南門大橋斷裂事件

2001年重慶南門大橋出現(xiàn)了斷裂，此次事故中沒有人員傷亡。重慶南門大橋是一座提籃式的跨江大橋，主橋跨徑超過500 m。從事故發(fā)生的情況來看，此次倒塌事故是由主橋與引橋受力不均導(dǎo)致的，斷點恰好出現(xiàn)在二者的結(jié)合點處，此處也正是吊橋動態(tài)與靜態(tài)的結(jié)合點，在受力不均的情況下，致使橋的一側(cè)出現(xiàn)垮塌，橋面的支撐轉(zhuǎn)移到另一邊。由于承載力不足而發(fā)生波浪形擺動，超過承載極限后，另一邊也出現(xiàn)垮塌。通常中承式拱橋、拱圈附近的吊桿較短，而中間位置的吊桿較長，其線剛度較大，應(yīng)付變形能力不強，在受力較大的情況下極易出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致整個橋體坍塌。

1.4 深圳鹽壩高架引橋坍塌

2000年，深圳的一座鹽壩高架引橋出現(xiàn)了坍塌，雖然沒有造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，但是造成了該工程效益損失，影響了道路交通的正常運行。事故調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)引橋的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計存在嚴重的問題，而且施工中采用的施工方法和施工工藝不符合工程實際需要。在出現(xiàn)坍塌的第七跨在支架設(shè)計中沒有設(shè)計橫向的剪刀撐，而縱向只是設(shè)置了少量剪刀撐，導(dǎo)致支架穩(wěn)定性不強。施工中的測量工作不精確，立桿垂直高度誤差較大，有些扣件沒有擰緊，水平桿件的搭接不合理，影響支架整體穩(wěn)定性。

此外，1998年發(fā)生的招寶山大橋主梁斷裂事件、1999年重慶基江步行橋坍塌事故以及2005年遵義公路大橋垮塌事故等都是由施工過程不當引起的。因此施工中，對工程橋梁進行科學的力學分析研究以及嚴格施工管理是十分重要的。

2 大型橋梁結(jié)構(gòu)施工力學問題研究

大型橋梁施工過程復(fù)雜，施工難度較大，氣候環(huán)境、施工材料、施工精度等都會影響施工效果。施工中，為了確保橋梁工程的強度和穩(wěn)定性，對其進行科學的力學分析是十分必要的。

2.1 大型橋梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)分析

工程結(jié)構(gòu)分析是工程結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)保證，施工中，需要對各個階段橋梁的受力狀態(tài)進行預(yù)測和分析，得到結(jié)構(gòu)力學結(jié)構(gòu)計算的精確數(shù)據(jù)來反映整個施工過程中的結(jié)構(gòu)受力行為，以此為依據(jù)確定出結(jié)構(gòu)各個階段的理想狀態(tài)來指導(dǎo)施工。目前常用的橋梁結(jié)構(gòu)力學分析法有正裝分析法、倒裝分析法，大型橋梁施工中常將二種方法結(jié)合使用。

2.2 大型橋梁施工力學的主要問題

2.2.1 施工中存在的不確定性

與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的力學設(shè)計有所不同，施工階段的力學過程復(fù)雜，存在一系列的不確定因素，需要做好前期的基礎(chǔ)調(diào)查工作。充分考慮到基礎(chǔ)條件、負載、支架連接等的不確定性后，方可進行臨時支架的計算。對于橋梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的力學分析也是如此，結(jié)構(gòu)體系、材料特性、構(gòu)造細節(jié)等的不確定性分析是力學計算前的必要工作。

2.2.2 結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換

結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換是大型橋梁施工中需要面臨的主要問題，施工中由于程序不同會產(chǎn)生施工內(nèi)外力、拉張應(yīng)力引起的次應(yīng)力、溫度變化或混凝土收縮等產(chǎn)生的次應(yīng)力，這些都是結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時需要計算的量。整個過程中涉及到多次體系轉(zhuǎn)換，而且鋼束預(yù)加力處于不斷變化中，計算過程十分繁瑣。等效負載法是體系轉(zhuǎn)換計算中常用的方法，計算時要將混凝土與鋼束進行單獨的考慮。值得注意的是，在設(shè)計體系轉(zhuǎn)換順序時，要將連續(xù)梁進行合理布局，確保該體系的內(nèi)力合理分布，同時最大限度降低次內(nèi)力產(chǎn)生的影響。

對于連續(xù)鋼構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土或桁式組合拱橋來說，通常的施工都面臨體系轉(zhuǎn)換的問題，例如通過懸臂澆筑法施工的大跨徑連接結(jié)構(gòu)，要由靜定懸臂鋼構(gòu)狀態(tài)經(jīng)過一系列的合龍過程形成橋狀的超靜定結(jié)構(gòu)。在體系轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要在合龍梁段上對連續(xù)預(yù)應(yīng)力束實施拉張拉操作，以上操作是在超靜定體系上進行的。

橋梁的靜定平衡體系會隨著施工的進行而發(fā)生變化，在實際的施工中，受多方因素的影響，結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力分布狀態(tài)會與原有設(shè)計分布情況有所差異，因此需要進行相應(yīng)的調(diào)整。例如，錢塘江二橋體系轉(zhuǎn)換時是將兩個相鄰的墩上的T結(jié)構(gòu)合攏成Ⅱ結(jié)構(gòu)，再按由近至遠的順序?qū)ⅱ蚪Y(jié)構(gòu)由中間至兩端進行合攏，盡量將施工誤差集中到岸邊，便于后期處理。

根據(jù)簡支梁的受力情況來確定第一次預(yù)應(yīng)力筋的張拉錨固，安裝結(jié)束后要進行位置調(diào)整、墩頂接頭澆筑、支座等一系列操作，緊接著進行二次預(yù)應(yīng)力筋的張拉錨固，操作方法與一次預(yù)應(yīng)力筋的方法一致，這樣混凝土的連續(xù)施工就完成了。主連續(xù)梁在形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)時，主梁接頭采用的是普通鋼筋混凝土，在負載不變的情況下，通常呈簡支架受力狀態(tài)，在負載變化時，呈現(xiàn)出連接梁的受力特點。

2.3 荷載組合分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力與局部應(yīng)力的選定

大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的施工工藝較多，對施工技術(shù)水平要求嚴格，在對其進行結(jié)構(gòu)分析時，要考慮到所有的負載工況以及它們同時發(fā)生時出現(xiàn)的疊加效應(yīng)，是否使得梁體的應(yīng)力超出了能夠承受的應(yīng)力極限值，所以要在恒載、活載、溫度驟降、基礎(chǔ)不均勻沉降的條件下進行負載設(shè)計。此外，還要仔細分析橋梁構(gòu)建的細部，確保局部構(gòu)件質(zhì)量符合工程質(zhì)量標準要求，避免由于局部構(gòu)建損傷導(dǎo)致的橋梁損壞。

在大跨徑橋梁頂板具備橫向預(yù)應(yīng)力束時，頂板與腹板的結(jié)處作為控制設(shè)計斷面，為了確保工程施工的精確性，要考慮到溫度應(yīng)力的變化，對預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端兩側(cè)以及危險界面進行驗算。加拿大格朗梅爾大橋施工時正是由于忽略了溫度應(yīng)力的影響導(dǎo)致橋梁跨中出現(xiàn)了彎矩。

2.4 橋梁結(jié)構(gòu)計算模型修正技術(shù)

在大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)控中，要依靠有限元建模技術(shù)，來實現(xiàn)施工過程的控制。有限元建模作為一種新型的技術(shù)在大型工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用，高技術(shù)能夠為施工中的結(jié)構(gòu)分析工作提供完整的理論參數(shù)集，由于得到的參數(shù)通常會與實際結(jié)構(gòu)得到的參數(shù)存在差異，所以要對理論模型做出適當?shù)恼{(diào)整和修正，使二者保持一致。將實驗結(jié)構(gòu)所反映出來的記錄與模型計算結(jié)構(gòu)做出科學的對比分析的過程稱為模型修正，通過直接或間接得到的參數(shù)來作為數(shù)據(jù)修正的主要參考依據(jù)，來修正模型中的信息量，獲得結(jié)構(gòu)變化的整體信息。

模型修正法主要包括3種：

1)矩陣型法。矩陣型法是模型矩陣修正的常用方法，此方法的優(yōu)點是準確度高、簡便易操作，但是所修正的模型的物理意義不明確，沒有保持原有限元模型帶狀的特點。

2)子矩陣修正法。該方法最突出的特點是能夠保持修正后剛度矩陣的對稱性和稀疏性，在對待修正的子矩陣或單元矩陣進行修正系數(shù)的定義時，通過調(diào)整子矩陣修正系數(shù)來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整。

3)靈敏度法。該方法是利用結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的修正來實現(xiàn)對有限元模型的修正。由于大型橋梁屬于非線性問題，因此靈敏度法適用于大型橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正，從敏感分析的中間結(jié)果可以反映出參數(shù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

2.5 可視化技術(shù)在施工演示分析中的應(yīng)用

采用先進的虛擬技術(shù)搭建的模擬環(huán)境系統(tǒng)能夠更直觀地得到實際結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的差距，隨時了解施工情況，及時發(fā)現(xiàn)施工中出現(xiàn)的問題并采取相應(yīng)的解決措施，有效地控制施工過程，提高工程施工質(zhì)量。大型連接橋梁的理想后退分析、實時前進分析等都是橋梁施工中的必要工作，首先建立有限元結(jié)構(gòu)分析施工階段模型，再將拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點信息、邊界條件等參數(shù)輸入到模型中。在可視化技術(shù)的應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)倒拆動態(tài)、結(jié)構(gòu)理想施工線性、施工主要梁形心線的設(shè)計曲線和實測擬合曲線等的演示，實現(xiàn)施工過程的動態(tài)控制和動態(tài)演示。

3 結(jié) 語

大型橋梁施工過程復(fù)雜，施工中的影響因素眾多，需要采取有效的質(zhì)量控制措施，加強施工過程的監(jiān)督管理，規(guī)范施工過程。通過歷年來橋梁工程出現(xiàn)的安全事故可以看出，施工過程的力學分析是十分重要的，因此設(shè)計、施工、監(jiān)理部門應(yīng)提高重視程度，共同做好施工質(zhì)量的控制工作，確保工程質(zhì)量。

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Large Bridge Construction Accidents and the Construction Mechanics Issues

LU Xu-ri，JIANG Can-can

(Zhejiang Zhengfang Traffic Construction Co,Ltd，Jinhua 321025，China)

Based on the analyses of several large-scale bridge collapse accident,this paper summed up some mechanical problems should be paid attention in the process of construction ,to the greatest extent ensure the construction quality and construction safety.There shoud be perfected in the construction monitoring.

large brige; construction accident; construction mechanics and control

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.012

2014-11-15.

陸旭日(1978-)，工程師.E-mail:luxuri@163.com