大型橋梁施工事故和施工力學問題

李郴娟

(貴州交通職業技術學院)

1 大型橋梁施工事故及分析原因

(1)1999 年1 月4 日，重慶綦江彩虹橋整體垮塌，受傷14 人，死亡40 人造成財產損失無數，事故調查結果，是由于監管部門疏忽，導致整個項目從立項開始，到設計施工，到驗收等等環節都不符合有關規定，具體調查下來，主要是因為鋼結構之間的焊接問題以及混凝土強度問題，其中混凝土的強度只有國家標準的1/3。

(2)2000 年11 月27 日，深證鹽壩高架橋坍塌，造成大量經濟損失與人員傷亡，經過調查發現，事故原因在于支架設計的問題，對活荷載與荷載分布狀況的估計不足，施工與監管部門的早做不利，最終導致事件發生。

(3)2001 年11 月7 日，重慶南門大橋斷裂，該橋跨度足有500 m，經調查發現，斷裂位置處于主橋于引橋結合位置，主要事故原因是橋面受力不均，造成雙邊垮塌。

(4)2005 年12 月14 日，貴州省貴陽市開陽縣公路小尖山大橋發生坍塌，導致5 人死亡，15 人受傷。

(5)2007 年8 月13 日，湖南省鳳凰縣堤溪沱大橋坍塌，坍塌時正在建設，受傷22 人，死亡64 人，屬于重大事故，并造成近4000 萬的經濟損失。經調查，起坍塌原因主要是由于石拱橋構造施工工序不合理，在拆除腳手架時由于施工單位配合失誤，導致大橋受力不均，最終形成連環倒塌。

2 大型橋梁施工力學

2.1 施工力學的重要性及意義

在人類發展歷史中，過去的半個多世紀，技術帶來的變化是史無前例的，而建筑行業也順應發展，在潮流中飛速前進，而在建筑效果上，新奇的造型，創新空間越來越多，隨著技術的發展，原本在力學上不可能的結構漸漸變為可能，由于建筑發展的需要，結構技術上的創新也就被帶動，傳統意義上，結構設計與施工是一個工程立項后的不同的兩個步驟，然而在近些年的研究結果表明，需要有一個理論，將結構設計與施工結合起來，在結構施工的時候，會產生一些意想不到的力學因素，這些因素有時甚至會導致事故發生。

結構設計與施工相互影響，施工方法的區別將很大程度上影響結構的內力與形變，如果控制不足，則會釀成大禍，因此，在結構設計的同時，也必須考慮到施工時的力學現象，施工力學的意義就被突顯出來。

2.2 主要問題

(1)施工階段的力學的不確定性

在建筑力學中，荷載分為永久荷載與活荷載，永久荷載是包括自重在內的一般恒定不變的荷載，大多數情況下不會產生變化，而活荷載卻是結構計算階段的一個不確定因素，在一般的施工圖設計階段，會根據經驗值來考慮。然而在橋梁施工的時候，活荷載的不確定性被無限放大，導致整個施工過程中施工力學的復雜與不確定。一般具體表現在兩個方面:臨時支架活荷載的不確定性，由于在工人施工時，支架的搭接位置，都著很大的不確定性，支架的自重也具有不確定性，造成活荷載的不確定。

施工過程的不確定性，施工工人數量區別導致活荷載區別，結構體系的區別導致不確定性，建造材料的不同，如鋼筋混凝土結構與鋼結構橋梁的不確定性，構造方式不同造成的不確定性等等。

(2)結構體系轉換

在建筑設計中，常常存在結構轉換，有時甚至會設計結構轉換層以保證建筑的使用合理，而在橋梁設計中，結構轉換也是非常常見的一種技術手段，除了要計算因施工程序不同、荷載不同而產生的不同施工內力外，還應計算各項次內力，包括施工過程中由于張拉預應力束引起的次應力和由于溫度變化、混凝土收縮徐變等因素所產生的次內力。多次體系轉換，加上鋼束的預加力沿程分布的變化，計算相當復雜，通常采用等效荷載法，將混凝土與鋼束分開來考慮，最后求得預應力對結構的總效應。而在面對如此復雜的轉換工程，轉換順序的選擇就顯得尤為重要，其需要達到的效果是讓連續梁最終的恒荷載內力均勻合理的分布，并盡量避免次內力造成的不良影響，一般在懸臂施工中，次內力對于橋梁的正彎矩有著比較大的影響。

一般的預應力混凝土結構梁，或者桁架梁鋼梁都會有結構轉換的問題，施工過程中，橋梁的靜力平衡體系一直處于變化中，結構中的應力重分布后的最終狀態經常不同于最優設計分布應力，有時需要調整橋梁內力。以杭州錢江錢江二橋為例，它的轉換特點本著將施工誤差盡量移至岸邊處理的原則，首先將相鄰兩個墩上的T 構合龍成Π 構，然后由中間固定墩按先近后遠的原則對稱順序向兩岸進行Π 構之間的合龍，誤差接近岸邊，是操作難度下降。

施工過程中有一個“先簡支后連續”的原則，具體來說，就是在簡支梁預支的時候，第一次進行預應力筋張拉錨固，以簡支梁受力狀態預制，完成后經過一系列調整，再第二次預應力筋張拉錨固，而第二次的終點是完成一系列的混凝土連續梁施工，與第一次的區別在于主梁的接頭使用鋼筋混凝土連接，以保證其連續性，形成連續梁結構。

(3)準確選定荷載組合分析結構內力及局部應力

大跨度的橋梁，結構非常復雜，例如西班牙建筑師卡拉特拉瓦，他的橋梁設計舉世聞名，同時他的作品的結構也非常復雜，在橋梁的建筑美學中，復雜的結構是體現它美的價值的重要因素，當然，這就需要極高的技術支持。

在結構的整體剖析中，荷載狀況非常復雜，需要多方面考慮，因為在施工過程中可能會產生兩種甚至以上的不穩定因素，或者意外狀況，而這些不穩定因素相互疊加，會使得整個應力產生意想不到的變化，很有可能出現意想不到的事故。

根據最新研究的經驗表明，同時考慮恒載，活載，溫度驟降，基礎不均勻沉降是目前比較普遍的方式。恒載是包括整個結構的自重在內的一般恒定不變的量，活載的變數很大，需要同時考慮到施工時期施工設備和人員的重量，還需要考慮到建成以后整個橋梁的極限載重量，并且還需要留下余量，以免發生問題。大跨徑連續梁橋在頂板配置有橫向預應力束的情況下，頂板和腹板交接處為控制設計斷面，預應力鋼筋錨固端的兩側和危險截面要加以驗算。如加拿大格朗梅爾大橋，設計中沒有考慮溫度應力問題，后來在加固階段經計算得出10 ℃的溫差在橋梁跨中產生的正彎矩值相當于中跨兩條車道布載所產生的正彎矩，這足以說明準確考慮溫度應力的重要性。溫度驟降會使得結構壓縮，需要考慮到當地氣候，在此基礎上，計算出一個余量值，使得結構受溫度影響之后依然能夠發揮作用。而基礎不均勻沉降是由于活荷載的分布不均，基礎土質不同而造成的，在設計之初，基地勘察的時候就需要將其考慮進來，基礎不均勻沉降如果考慮不周，那么在橋梁投入使用之后會產生大量的問題，尤其是橋身容易斷裂的問題。

(4)橋梁結構施工力學的計算

施工力學的計算非常復雜，并具有很大的不確定性，那么在研究的時候，則需要建立施工力學模型，來模擬施工過程，一個大跨度結構的施工過程，其實就是一個結構本身在不斷的變化的過程，換句話說，就是一個動態的結構力學，有非常多的因素能夠影響這個結構計算的結果，比如在施工過程中，構件的不斷增加而引起的自重變化，偶然荷載的出現，施工設施的變化產生的自重變化，溫度的驟然變化等等，而為了得到真實有效的結果，施工力學的計算要采用跟蹤計算的方式，將這些因素都考慮進去，目前比較主流的方法分別是時變單元法，拓撲變化法及有限元法等等。而在這些方法中，有限單元法比較實用，理論嚴謹，并且易于程序化，但是，傳統的有限元法并沒有提供公式，而是以經驗值來計算，所以在方法應用上，工程界的說法也兵不統一。

在模型建立上，建立精確的有限元模型在目前依然是大型橋梁結構最優施工的基礎方法，有限元結構一般能夠提供較為完整的參數及以供經驗參考，不過，這些經驗值常常會與實際值有偏差，這就需要不斷的進行結構模型的調整和修正，以保證模型參數與實際參數的動態的統一。

模型修正一般有下列方法:矩陣型法，子矩陣修正法和靈敏度法等等。每種方法各有千秋，而在模型修正的過程中，在適當的環境下使用適當的修正方法是一個亟待解決的問題。

3 結束語

在整個橋梁項目中，尤其是大跨度橋梁項目，需要做到立項，設計，施工，工程監理等等方面嚴格遵守標準，在施工過程中各部門必須認真負責，提高安全效應，避免橋梁塌陷事故的出現，保護人民的財產安全和人身安全，是每個工作者的責任所在。

［1］王鈞利，董旭.大型橋梁施工力學研究［J］.武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2010，(10):949－952.

［2］陳小才，秦文.大跨結構施工力學問題的淺析［J］.科學之友，2011，(5):44－45.