重庆綦江虹桥垮塌事故的力学分析

第18卷󰀁第1期江西科学Vol.18󰀁No.12000年3月JIANGXI󰀁SCIENCEMar,2000文章编号:1001_3679(2000)01_0058_02重庆綦江虹桥垮塌事故的力学分析汪󰀁礼󰀁顺(重庆建筑大学结构力学系,重庆󰀁400045)摘要:根据工程结构专家组报告的有关尺寸,结合虹桥垮塌遗址的实地考察,从结构力学的角度出发,提出了虹桥本身设计计算方面的若干力学问题。关键词:力学分析;綦江虹桥;垮塌事故中图分类号:U44󰀁󰀁󰀁文献标识码:CTheMechanicsAnalysisofChongqingQijiangRainbowBridgeCollapseAccidentWANG󰀁Li_shun(ChongqingArchitectureUniversity,Chongqing400045PRC)Abstract:Accordingtothemeasurementreportedbythespecialistgroupofengineeringstructrureandtheinvestigationsonthecollapsedspot,someproblemsofmechanicsaboutthedesignandthecalculationandtheconstructionsoftheQijiangRainbowBridgeitselfarecriticized.Keywords:Mechanicanalysis;Qijiangrainbowbridge;Collapseaccident󰀁󰀁綦江虹桥是提篮式钢管混凝土大跨度拱结构,桥的构造设计太粗糙,施工及焊接质量等不合格。工程管理混乱,加之有违规违法行为,又未做试验,建成后3年左右,出现粉碎性的垮塌,造成40人死亡和14人受伤的重大惨案,使国家和人民的生命财产受到重大损失。听了电视台有关虹桥事件宣判大会后,本着理论联系实际,百闻不如一见,亲赴綦江虹桥遗址调查访问,抵綦江直奔桥头岸边,只见一节节类似火腿肠式的钢管混凝土残段,散布河边;粉碎性的,垮塌水中,又是一项豆腐渣工程。断裂口都在焊缝处,断裂面基本平整。两个钢管混凝土中间用薄钢板加肋的构造也很清晰。又乘小船到对岸考察,两个独立桥墩的强度似乎不够。北岸桥台附近破损严重,有一桥座混凝土粉碎性旋转破坏。岸上桥台护墙八字形裂纹正对着6m宽的两个拱座,显然剪切破坏。从虹桥照片上显示出下承式拱架由一节节钢管混凝土离散单元连接而成,接缝十分明显。群众反映,先从南岸出现扭曲破坏,顷刻间全部垮塌。我是结构力学工作者,认为虹桥垮塌事故,要认真查明各种原因,使悲剧今后不会再重演,同时也应作为结构力学史上一大教训。唯物主义者认为,外因是通过内因起作用的。虹桥施工除质量不合格外,还存在着若干力学问题。1󰀁自重太大󰀁河面宽140m,只采用一个大跨度结构,除开支墩,拱净跨120m,太冒险了。从结构力学观点看,河面太宽,必须采用连续梁或连续拱,否则自重会把它压垮。同一綦河,位于虹桥西边约500m以远,有一座三跨钢󰀁󰀁收稿日期:1999_06_28作者简介:汪礼顺(1926_),男,江苏南京市人,重庆建筑大学教授,1958年毕业于清华大学附设工程力学研究生班,国务院政府特殊津贴享受者.筋混凝土连续拱公路桥。河中有两个桥墩,样式也较美观。桥梁可以美化城市风景,是国家的文化象征之一。虹桥拱座跨距120m,抛物线拱矢高24m,拱轴线孤长132.8m。截面所谓亚铃式,就是用40cm高薄钢板加肋的钢管混凝土构造。其意图是欲增加竖向刚度,然而这种措施弄巧成拙,截面侧向容易屈曲失稳。拱体自重,分别按钢材和混凝土所占体积计算,一片拱架自重达330t以上,提篮式双拱自重共达660t以上。每端两个拱座相距6m,下承式桥面宽5m多,框架式梁板构造,由28根吊杆连接在拱上,连桥面装饰设备等,其重量至少在300~400t以上。这么大的自重,每片拱的水平推力H至少在350t以上。拱座承受过大的水平推力,强度不够会导致拱的破坏。北面桥台地基及岸边建筑大片被撕裂,这就是拱座强度不够的事实。一个弱基座重拱体的桥,必垮无疑。从结构矩阵分析的观点看,可以事先让拱脚产生水平位移而引起的内力计算进去,增加拱的刚度,加大拱座强度。我国古代赵州桥,是隋朝巨匠李春主持建造的。桥净跨37.02m,矢高7.23m,位于河北赵县氵交水上。大约经过1400年的雨、雪、洪水侵蚀,战火洗礼,以及若干次大地震的摇撼,至今巍然屹立,成为我国的重点文物。1966年邢台大地震,我有机会参加地震灾害调查组,并亲临赵州桥参观。桥基特别稳固,拱圈砌筑,采用多道纵向并列砌块,中间间隔对称还夹有加固刚度的构造[1]。这座闻名于世的大石桥,为我们树立了工程质量千年大计的光辉典范。而綦江这座虹桥与市区建筑根本不协调,涂刷红油漆有毒造成污染,群众反感。2󰀁加肋截面侧向屈曲失稳[2]󰀁拱架钢管混凝土截面中间用钢板加肋,表面上看铅直方向刚度EIz增大了,而侧向刚度EIy却被削弱了。刚度EIz与EIy之比相差太大,截面会在刚度最小的平面内开始弯曲,产生屈曲丧失稳定性。一旦出现绕轴线扭曲,对焊缝极不利。根据截面尺寸,按弹性稳定理论计算,拱单元截面内临界力矩很低,必产生侧向失稳。该桥早该禁止使用。3󰀁截面内的扭矩󰀁除侧向屈曲形成扭矩外,提篮式拱架、拱轴线和两端支座反力不在一个铅直平面内。从结构矩阵分析的观点,或取脱离体来看,不难导出扭矩方程。还有传递桥面重量给拱体的14根吊杆,每根杆与拱轴线的偏心,又会形成扭矩。扭矩使截面产生剪应力,平行于焊缝的剪应力最危险。因为焊缝抗剪强度比抗压强度低,容易产生裂纹。根据塑性力学屈瑞斯加屈服条件,剪切屈服应力󰀁s是单向拉伸试验屈服应力󰀂s的一半,即󰀁s=󰀂s/2。加之焊接质量部分不合格,很容易产生裂纹。一旦出现裂纹,该截面只能当作铰接。4󰀁温度应力󰀁温度变化对静定结构引起变形,不产生应力,对超静定结构会产生应力。虹桥拱架主要属于钢结构,而且是超静定拱。重庆地区,夏季长,5、6、7、8、9等5个月可以算为夏季,最热天气是7月下旬8月上旬,室外温度高达42󰀂左右。钢结构的变温应力不能忽视。重庆大礼堂圆屋顶钢屋架,当年建造安装时,静定结构边上滚轴支座,为了保证它的水平自由移动,设有油槽。铁路钢轨留有连接缝等,都是为了防止变温产生应力,引起构件弯曲出事故。虹桥是大跨度超静定拱,受压力为主的结构,温度变化也会引起加肋钢板变形而出事故的。5󰀁计算简图󰀁虹桥计算简图是一个几何不稳定结构。桥基弱,二铰拱。推力大,拱座应力集中,会出现塑性变形。从有限元分析观点看,拱架由离散钢管混凝土若干段焊接而成。管壁不足1cm,焊接质量差,有的断面没有焊透。整个拱只要有两个焊接断面不合格,就会形成几何可变的不稳定结构。从虹桥垮塌后的现场照片上看,完全是粉碎性的,都是从焊缝处断裂成若干段,足以说明该桥在垮塌之前早已形成几何不稳定体系了。几何不稳定结构体系是禁止使用的。另外虹桥结构基频很低,也说明刚度不够。事先不做试验,建成后又不进行应力应变的观测,不重视科学方法。如果早采取措施,也许有办法补救,不致于造成震惊全国的桥垮人亡的大惨案。最后,专家组有关虹桥存在的十分严重的质量问题的检查鉴定报告,听后启发很大,除支持外,我从结构力学角度出发,并根据工程结构专家组报告的有关尺寸,以及我亲自调查的印象,本着查清问题的根源,吸取教训,希望这种桥垮人亡的惨案悲剧不要再重演。故提出虹桥本身设计计算方面存在的若干力学问题,供有关方面参考研究。参考文献:[1]󰀁陆德庆.中国石桥[M].北京:人民交通出版社,1972.[2]󰀁 !∀#∀∃%&∋( ,)∗(!+∀∋,∃.结构理论[M].第3卷.北京:高等教育出版社,1955. 59 第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁汪礼顺:重庆綦江虹桥垮塌事故的力学分析