WA特別報道組/WA Special Report Team
作者單位:WA特別報道組
更大、更長、更輕、更帥的橋自19世紀以來一直就是結(jié)構(gòu)工程師的夢想,而其中一些最著名的橋的坍塌則是他們乃至整個技術(shù)文明的夢魘。近期發(fā)生的熱那亞波爾策維拉高架橋的坍塌就是由夢想變?yōu)閴趑|的最新實例。
2018年8月14日上午11時35分,連接A10高速公路與熱那亞(Genova)城西部的主要公路橋波爾策維拉高架橋(Polcevera Viaduct)——也被稱為莫蘭迪橋(Morandi Bridge)——發(fā)生近百米的橋面坍塌,造成43人死亡,9人傷勢嚴重(圖1、2)。該公路橋建于1960年代,橋長1182m、寬18m,最高處離地面90m。
8月18日,針對波爾策維拉高架橋的坍塌,《世界建筑》聯(lián)系了長期研究莫蘭迪及波爾策維拉高架橋的都靈理工大學(xué)的研究助理、建筑師艾多爾多·布魯諾博士(Edoardo Bruno, PHD., Architect,Research Assistant - Politecnico di Torino,Department of Architecture and Design),他為本文提供了詳實的資料,本節(jié)基于他所提供的文件精簡整理而成。
波爾策維拉高架橋的設(shè)計者意大利工程師里卡多·莫蘭迪(Riccardo Morandi,1902-1989,圖3)因其預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的研究與運用而享譽國際。1930-1940年代,他積極參與民用項目建設(shè)的同時,研究和實驗如何將預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)整合到結(jié)構(gòu)設(shè)計中,在同時代業(yè)界主流為鋼構(gòu)懸索橋的背景下,成功搭建了復(fù)合材料共同受力的橋梁。[1]1949年,他注冊了莫蘭迪體系(the Sistema Morandi)的專利,并于1957年隨著位于委內(nèi)瑞拉馬拉開波大橋(General Rafael Urdaneta Bridge,圖4)的建造而聲名鵲起。
莫蘭迪通過精確的靜力學(xué)配置將預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)應(yīng)用至橋梁設(shè)計,他的實踐有力地推動了該技術(shù)的工程應(yīng)用發(fā)展。他設(shè)計的著名橋梁還包括南非的暴雨河橋(the Storm River Bridge,1953)、意大利卡坦扎羅的菲米拉河橋(the Fiumarella River Bridge,1956)等。他在整合結(jié)構(gòu)和形狀方面的能力使他能夠?qū)⒀芯抗ぷ鲝臉蛄恨D(zhuǎn)移到建筑方面。得益于與建筑師的合作,他參與完成了羅馬機場的波音747維修中心(the Maintenance Centre for Boeing 747 in Rome Airport,1969)、與奧斯卡 · 尼邁耶(Oscar Niemeyer)合作的羅馬聯(lián)邦貿(mào)易局總部(the F.A.T.A. Headquarters,1976)等建筑項目,這些作品如他在許多出版物中所表達的那樣,他希望發(fā)掘技術(shù)進步與形式構(gòu)成之間的密切關(guān)系。
波爾策維拉高架橋,也被稱為“莫蘭迪橋”,是莫蘭迪在贏得國際競賽之后,于1960-1964年設(shè)計建成的。波爾策維拉山谷地區(qū)的城市化形成了鐵路線路、化工廠和住宅區(qū)等既有設(shè)施,對橋梁設(shè)計的最終方案產(chǎn)生了非常大的影響。莫蘭迪從場地限制條件入手,合理布置橋墩位置,并形成了不同的跨度。
橋梁結(jié)構(gòu)體系由兩個并列的子系統(tǒng)構(gòu)成:在接近橋墩的位置,可認為是雙向懸臂粱支撐于兩組傾斜的橋墩上;在跨度大的位置,平衡受力的懸索系統(tǒng)起主要作用。通過兩個子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件勾勒出此橋獨特的造型,也清晰地表達出結(jié)構(gòu)體系的受力原理。“H”形混凝土框架聯(lián)立為橋面主梁提供支撐。索塔由四肢斜柱通過水平梁聯(lián)系形成,索塔與混凝土框架、橋面都是完全脫開的(圖5)。斜拉索外包裹預(yù)應(yīng)力混凝土殼,可減小索的受拉變形,同時保護索不受環(huán)境侵蝕。
實際上,于此之前(1957)這套結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)在委內(nèi)瑞拉的馬拉開波大橋上得以應(yīng)用,不同的是馬拉開波大橋的橋索并沒有包裹混凝土殼,而是使用了環(huán)氧涂料。同一時期,斜拉橋系統(tǒng)進一步發(fā)展,并隨著較為成熟的懸索橋系統(tǒng)在工程實踐中得以應(yīng)用,莫蘭迪更多地將關(guān)注點聚焦于暴露在環(huán)境中的索的腐蝕問題。因此在此后的項目中,他更傾向于使用混凝土殼來保護橋索。1979年,在題為《高架橋在交通繁忙和環(huán)境惡劣的環(huán)境中的長期反應(yīng): 熱那亞的波爾策維拉高架橋》(The Long-term Behaviour of Viaducts Subjected to Heavy Traffic and Situated in an Aggressive Environment: the Viaduct on the Polceverain Genoa)的論文中,莫蘭迪列舉了橋梁受環(huán)境侵蝕的案例,并以此論證了強化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的必要性,因為此項目不僅要面對強腐蝕性的海洋大氣的影響,還受到周圍化工排放的酸性氣體的威脅。他在論文中對當(dāng)時的結(jié)構(gòu)可靠性給予了肯定答復(fù):在成橋使用階段,經(jīng)歷了車輛的振動,橋體混凝土并沒有出現(xiàn)裂縫,并指出對于全混凝土的結(jié)構(gòu),需要有針對性地實施維護策略,以確保結(jié)構(gòu)完整、可靠。
1 垮塌后的波爾策維拉高架橋,2018.8.15(圖片來源:https://static.dezeen.com/uploads/2018/08/morandi-bridgegenoa-collapse_dezeen_2364_col_0-852x568.jpg)
2 垮塌前的波爾策維拉高架橋,作為該橋維修腳手架遭受熱那亞強風(fēng)威脅問題的新聞配圖,2018.2.7(圖片來源:https://www.primocanale.it/immagininews/thumbs/194642-420x236.jpg)
3 里卡多·莫蘭迪(圖片來源:https://webapi.ingenio-web.it/immagini/file/11824)
4 馬拉開波大橋(圖片來源:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Rafael_Urdaneta_Bridge_3.jpg)
5 莫蘭迪體系的平衡系統(tǒng)模型(圖片來源:https://webapi.ingenio-web.it/immagini/file/11825)
6 Autostrade公司招標書顯示該修繕工程主要針對波爾策維拉高架橋的拉索和部分混凝土構(gòu)件[3](圖片來源:http://www5.autostrade.it/applica/gare/gareapp.nsf/0/3ADE03A BCBEFAB35C1258282004A763A/$file/A10%20Retrofitting.pdf?openelement)
7 幾個歐洲國家在交通建設(shè)花費上的對比(圖片來源:https://edition.cnn.com/2018/08/15/europe/italy-genoamorandi-bridge-collapse-intl/index.html)
在過去的30年間,波爾策維拉高架橋經(jīng)歷了多次維護,例如1993完成的對一座橋架上的鋼纜和混凝土殼的替換。 從1950年代開始,專家和學(xué)者對混凝土殼包裹的預(yù)應(yīng)力鋼索有效索力的爭論就沒有停止過,尤其是考慮到鋼和混凝土長期荷載下的不同蠕變性能以及其通過材料界面互相影響。因此,意大利所有涉及預(yù)應(yīng)力索的項目都需要通過權(quán)威機構(gòu)的審查和檢測。莫蘭迪體系標志性的預(yù)應(yīng)力混凝土多塔稀索斜拉橋體系從來都稱不上主流橋梁設(shè)計趨勢,但在他的那個時代毫無疑問是具有創(chuàng)新性的。波爾策維拉高架橋是上個世紀在斜拉橋中最大膽的混凝土預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用之一,在技術(shù)效率和設(shè)計輕盈之間探索替代金屬結(jié)構(gòu)的解決方案,是富有價值的嘗試。
2016年,有結(jié)構(gòu)專家對其穩(wěn)固性提出了公開且理由完備的質(zhì)疑[2],但負責(zé)運營該橋的民營企業(yè)Autostrade per l'Italia并沒有對此直接回應(yīng)。而在2018年6月,Autostrade公司還完成了帶限制條件的工程招標,預(yù)計在5年時間內(nèi)投入逾2000萬歐元用以更換部分橋部件及修繕[3]。有媒體認為這次修繕可能是造成莫蘭迪橋倒塌的罪魁禍首[4]。目前,該公司表示已經(jīng)準備好了5億歐元,用于死難者撫恤、受災(zāi)者遷徙,以及在獲得建橋許可證之后的8個月內(nèi)完成新橋的建設(shè)[5]。
針對該橋的事故,我們也對艾多爾多·布魯諾博士進行了簡短的采訪。
WA:截止到目前為止,就您所知,該橋結(jié)構(gòu)坍塌的原因是什么?
艾多爾多·布魯諾(簡稱為EB):現(xiàn)在確定橋梁坍塌的確切原因還為時過早。到目前為止,已經(jīng)排除了人為因素,這場悲劇似乎只可能是結(jié)構(gòu)問題。有必要強調(diào)指出,波爾策維拉高架橋是20世紀工程史上的標志性項目,雖然以現(xiàn)在的標準衡量那時的結(jié)構(gòu)稍顯脆弱。在1960年代,為了滿足建設(shè)需要,許多當(dāng)時最新的研究成果被廣泛應(yīng)用。同時考慮到三維設(shè)計手段的局限性,結(jié)構(gòu)設(shè)計處在一個龐大而復(fù)雜的環(huán)境中。從現(xiàn)實角度來說,這個時期的項目應(yīng)當(dāng)以其重要的社會意義而被繼承下來,并接受現(xiàn)代化的改進。
WA:在這次災(zāi)難之后,莫蘭迪體系仍然被認為是可靠的嗎?
EB:莫蘭迪畢生致力于研究和應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的設(shè)計方案,這在他的時代絕對是創(chuàng)新。在熱那亞使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計,曾于1957年在馬拉開波(委內(nèi)瑞拉)經(jīng)過實踐,后來在其他項目中反復(fù)應(yīng)用,被作為斜拉橋體系鋼結(jié)構(gòu)的替代方案,無論是在維護成本方面還是在長期抗腐蝕方面都具有優(yōu)勢。隨著近幾十年來結(jié)構(gòu)計算手段、設(shè)計能力的巨大發(fā)展,市場從經(jīng)濟性的角度更傾向于選擇其他的混合設(shè)計方案。但是,除了他對結(jié)構(gòu)設(shè)計的探索之外,莫蘭迪挑戰(zhàn)了最先進的工藝及其審美價值,至今仍有積極的意義。
WA:我們能做些什么、應(yīng)該做些什么來避免這種悲?。?/p>
EB:發(fā)展中國家在經(jīng)濟蓬勃發(fā)展時期的基礎(chǔ)設(shè)施的迭代升級一直是一個特殊的問題。波爾策維拉高架橋以及意大利許多其他類似的1950-1960年代建成的設(shè)施,構(gòu)建起了戰(zhàn)后建設(shè)的圖景。像莫蘭迪、皮埃爾·路易吉·奈爾維(Pier Luigi Nervi)或塞吉奧·穆斯梅奇(Sergio Musmeci)這樣的工程師完全知道,工程結(jié)構(gòu)必須不斷地測試、升級和監(jiān)測,這類工作要貫穿構(gòu)筑物的全壽命周期。如今,“老齡化城市”正成為支持未來城市化的一個強有力的概念,在這種情況下,設(shè)計實踐必須更多地考慮時間因素,進一步明確包含若干學(xué)科的戰(zhàn)略方針,以確保公共安全與持續(xù)不斷地修造與重置。這一概念必須放在當(dāng)代城市議程中間,以免在生活環(huán)境總體持續(xù)提升的過程中有任何因素缺席。
有關(guān)波爾策維拉高架橋坍塌的爭論自橋梁坍塌的那一刻持續(xù)至今。
其中最容易得出的一種觀點是當(dāng)日惡劣天氣導(dǎo)致了事故的發(fā)生。據(jù)悉在事故發(fā)生當(dāng)日,當(dāng)?shù)卣幱诶妆┨鞖庵校瑫r伴隨有30-50km/h的強風(fēng)。這一天氣狀況極大的影響了橋體的穩(wěn)定性[6]。
當(dāng)然也有人指出,年久失修才是事故發(fā)生的主要原因。熱那亞大學(xué)的安東尼奧·布倫契奇(Antonio Brencich)教授指出,雖然意大利的眾多橋梁工程在設(shè)計之初被按照預(yù)計荷載的2.5倍以上進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,但是在10~20年后,結(jié)構(gòu)的失效就開始逐漸顯露[7]。倘若沒有持續(xù)不斷的結(jié)構(gòu)維護,斷裂的出現(xiàn)是必然的。這一觀點似乎極為具有著預(yù)見性,早在2016年的一份研究報告也指出,意大利政府專注于新橋的建設(shè),而忽略對舊有橋梁的維護[8]。報告調(diào)查了整個利古里亞地區(qū)的5000余座橋梁,其中大部分建造于1940-1950年代,并已經(jīng)有部分的橋梁坍塌。
來自美國新墨西哥礦業(yè)協(xié)會,同時也是2014年美國橋梁坍塌研究報告撰寫者的工程師韋斯利·庫克(Wesley Cook)指出了老舊橋梁維護上的困難。當(dāng)橋梁的年限大于25年時,維修和檢查工作就需要持續(xù)進行?!霸跇蛄航ǔ?5年之后,40年和140年的坍塌風(fēng)險是差不多的”,他說[7]。
當(dāng)然,在基礎(chǔ)設(shè)施疏于維護的現(xiàn)實背后,是整個意大利政治局勢的不穩(wěn)定,多黨輪流執(zhí)政使得大規(guī)模的維修和更新計劃難以實施。根據(jù)歐盟的報告顯示,意大利在道路等基礎(chǔ)設(shè)施上的投資僅排名歐盟第十七[9]。
這種說法雖然廣泛地被大家接受,但是在其中也有不同的聲音。政府工作人員阿馬利婭·泰代斯基(Amalia Tedeschi)告訴媒體在此之前沒有任何的有關(guān)橋坍塌的征兆。而且,針對波爾策維拉高架橋的維修計劃從2016年就開始實施,橋梁受到了定時的檢查,甚至在橋梁倒塌時,基礎(chǔ)部分還在進行著維修[10]。
除此之外,第三個但是也是最讓人不安的原因是結(jié)構(gòu)體系自身的不穩(wěn)定。安東尼奧·布倫契奇教授在事故發(fā)生的多年以前就提出,此橋的預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系之間存在著不均衡,這類不均衡有可能會導(dǎo)致橋體的開裂[11]。他甚至在2016年的一次采訪中稱其為“失敗的工程(A Failure of Engineering)”, “這座橋是一個錯誤,在以后應(yīng)該會被重建。雖然我不知道是什么時候,但是應(yīng)該會在維修的費用比重建更高昂之后”[2]。雖然事故的原因尚在調(diào)查之中,但是初步的調(diào)查確實已經(jīng)顯示是部分豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂導(dǎo)致了事故的發(fā)生?;蛟S有些危言聳聽,但是韋斯利·庫克也持有了類似的觀點,他認為普遍來講,懸吊式橋梁的坍塌風(fēng)險要比其他橋梁更大[7]。這主要是指“臨界破裂”現(xiàn)象產(chǎn)生的風(fēng)險:它是結(jié)構(gòu)中某一單一構(gòu)件的破壞會引發(fā)大面積的破壞或結(jié)構(gòu)失效。
一個多世紀以來,跨越峽谷或是海洋的橋梁使得人類的交通得以突破自然的局限,然而,在人們實現(xiàn)一個個技術(shù)上的突破的同時,這些工程上的奇跡也同時面臨著種種危機,不但會因人為的失誤而毀于一旦,也在經(jīng)受著時間、自然等多重因素的考驗。在熱那亞波爾策維拉高架橋坍塌的事件發(fā)生之后,我們所要做的,也許不僅僅是重新反思和檢驗這次眼前的事故,也應(yīng)該重新回顧這百年來橋梁建設(shè)和坍塌的歷史,這也許會為將來建造更加安全美觀的橋梁提供一個更加清晰的思考。
倒塌原因:設(shè)計和行政失誤
魁北克橋是一座位于加拿大魁北克附近的跨越圣勞倫斯河的公路鐵路兩用橋,是加拿大著名的歷史紀念建筑和國家歷史遺址。該橋于1903年開工,全長986.9m, 主跨跨度548.64m,橋懸臂長177m,支撐著長195m的中心結(jié)構(gòu)。
該橋梁由當(dāng)時著名的橋梁建筑師美國的特奧多羅·庫帕(Theodore Cooper)進行指導(dǎo)設(shè)計和技術(shù)決策,建造方鳳凰橋梁公司(P·L·Szlopka)具體設(shè)計,采用了當(dāng)時流行的懸臂構(gòu)造。為使之成為世界上最長的橋,庫帕在鳳凰橋梁公司設(shè)計方案的基礎(chǔ)上將中心跨度增加了60.96m。而致命的是,設(shè)計的改動忽略了對橋梁重量的重新計算。雖然在早期施工時早已發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的問題,但由于溝通和行政原因,并未及時處理。1907年8月29日,當(dāng)主跨懸臂已懸拼至接近完成,南側(cè)一側(cè)弦桿由于綴條薄弱等原因而突然崩塌,19,000t鋼材和86個正在施工的工人掉入了圣勞倫斯河中,死亡75人。1916年9月11日,該橋梁在二次設(shè)計建造過程中再次坍塌,造成13名作業(yè)工人身亡(圖8、9)。[12]
倒塌原因:超載及不合理維護
銀橋建成于1928年,是一座眼桿式懸索鋼橋,全長681m,由兩座塔橋支撐,它跨越俄亥俄河將西維吉尼亞和俄亥俄州相連,是美國35號國道上的交通樞紐。
1967年12月15日,正值班交通高峰時期,銀橋突然坍塌,造成46人死亡。后續(xù)對殘骸的分析表明,該事故源于單個眼桿上大約2.5mm深的結(jié)構(gòu)瑕疵,是不合理的維護以及遠遠超出設(shè)計時預(yù)估荷載的行駛量造成這次慘?。▓D10、11)。[13]
倒塌原因:設(shè)計及施工問題
西門橋位于澳大利亞維多利亞州墨爾本市的雅拉河上,橋墩最大跨度長達336m,橋面高于水面58m,總長度2852.6m,為斜拉箱梁結(jié)構(gòu)。作為連接墨爾本中央商務(wù)區(qū)和西部之間的交通要道,該橋現(xiàn)今仍保持著每天20萬次的車流量,是澳大利亞最繁忙的道路之一。
1970年10月15日, 該橋在施工時發(fā)生垮塌事故,造成35名工人死亡,事故原因最終歸結(jié)于結(jié)構(gòu)設(shè)計上的失誤和施工的不規(guī)范。事故當(dāng)天,兩個本應(yīng)相連成拱形的半梁間出現(xiàn)了11.4cm的間距,因此施工隊使用了10個8t重的水泥體塊拉低橋體,這些體塊的重量使得橋體扭曲,并最終坍塌(圖12、13)。[14]
倒塌原因:雨水自然沖刷
斯科哈里河橋位于紐約洲高速公路斯科哈里河上,全長155m,橋梁由混凝土墩架支撐,座落在河床中的擴展式基腳上,橋身的骨架是由鋼縱梁構(gòu)成的。
8 建設(shè)中坍塌的魁北克橋(圖片來源:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/Quebec_Bridge_Collapse_of_1907.jpg)
9 完成建設(shè)的魁北克橋(https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/Pont_de_Qu%C3%A9bec_vu_du_Parc_aquarium_du_Qu%C3%A9bec.JPG)
10 完成建設(shè)的銀橋(https://timeline.com/deadliest-bridgecollapse-in-american-history-silver-bridge-ohio- west-virginiaefa5b3b140d2)
11 倒塌的銀橋(圖片來源:https://cdn-images-1.medium.com/max/2000/1*lva8BZQ6gN6koxM04e8gmg.jpeg)
12 建設(shè)中坍塌的西門橋(圖片來源:Image via Public Record Office Victoria, http://www.engineersjournal.ie/wp-content/uploads/2016/10/Emergency-services-personnel-view-thedevastation-PROV-VPRS-24-P3.jpg)
13 完成建設(shè)的西門橋(圖片來源:http://www.abc.net.au/news/image/234800-3x2-940x627.jpg)
1987年4月5日,橋身基座由于季候性雨水的長期沖刷架空,導(dǎo)致橋梁整個坍塌,造成10人身亡。此次事故促使了美國有關(guān)部門在紐約州以及其他地區(qū)對于橋梁設(shè)計和監(jiān)測的程序進行大規(guī)模的改善(圖14、15)。[15]
倒塌原因:橋梁老化和颶風(fēng)
金祖阿橋位于美國賓夕法尼亞州,是跨越金祖阿河的鐵路橋梁,橋梁為空間桁架結(jié)構(gòu),高92m,全長625m。橋梁的設(shè)計者本想使之成為“世界第八大奇跡”和世界上最高的鐵路橋梁,橋身由鑄鐵建造,后經(jīng)數(shù)次維修更新,成為美國的國家歷史地標工程。
2003年7月21日,在強大的過境颶風(fēng)作用下,該橋的20個高塔中的11個倒塌,導(dǎo)致橋梁坍塌的原因還有橋基位置的錨點螺絲因為歲月老化所受的侵蝕(圖16、17)[16]。
倒塌原因:設(shè)計問題
位于昆迪納馬卡省和梅塔省交界處的赤拉哈拉橋,全長446m,高280m,為兩個橋體支撐的斜拉橋,該橋?qū)⒊蔀檫B接首都波哥大和比亞維森西奧高速公路的一部分,而發(fā)生倒塌事故時并未公開投入使用。
2018年1月15日,橋梁西側(cè)橋塔坍塌并倒入峽谷之中,造成最少10名工人遇難。對于橋梁橋墩的調(diào)查發(fā)現(xiàn),該次坍塌的原因部分歸咎于該橋的拉力構(gòu)件的設(shè)計不足(圖18、19)[17]?!酰╓A特別報道組:張利,葉揚,艾多爾多·布魯諾,潘奕,溫子申,張靚秋/ZHANG Li, YE Yang, Edoardo Bruno, PAN Yi, WEN Zishen, ZHANG Jingqiu,校對:湯理達/TANG Lida)
14 完成建設(shè)的斯科哈里河橋(圖片來源:http://s3.amazonaws.com/ogden_images/www.leaderherald.com/images/2017/04/08230402/web-BRIDGE01.jpg)
15 倒塌的斯科哈里河橋(圖片來源:https://www.newyorkupstate.com/capital-region/2017/04/on_this_date_thruway_bridge_collapses_into_schoharie_creek_in_1987.html)
16 完成建設(shè)的金祖阿橋(圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/File:Phot_kinzuabridge2.jpg)
17 倒塌的金祖阿橋(圖片來源:http://www.smethporthistory.org/kinzuaviaduct/kinzuacollapse.jpg)
18 建設(shè)中的赤拉哈拉橋(圖片來源:https://bilder2.n-tv.de/img/incoming/origs20233761/9972536925-w1280-h960/4 ec47107fccca9cd25459bf7b699cd2f.jpg)
19 倒塌的赤拉哈拉橋(圖片來源:https://i.dailymail.co.uk/i/pix/2018/01/16/07/482C8DB400000578-5273177-image-a-18_1516089295829.jpg)