摘 要: 对四川省宜宾市南门大桥发生断裂事故的原因进行了分析和探讨, 并对中承式肋拱桥预防类似事故的发生提出了建设性意见。
1 前言
2001 年11 月7 日凌晨4∶30～ 5∶00 许, 四川省宜宾市金沙江南门大桥两端先后发生断裂, 两辆汽车坠入江中, 一艘小型船只被毁, 造成宜宾市区南北公路交通中断。
南门大桥于1990 年6 月建成通车, 桥长384 m , 桥宽13 m , 为单孔跨径240 m 的钢筋混凝土中承式拱桥, 桥面由17 对钢缆吊杆悬挂于拱体。大桥设计时预计2005 年车辆日通行量为7 760 辆, 而实际日通行量1998 年已达47 000 辆。此次事故中,连接拱体和桥面的4 对8 根钢缆吊杆断裂, 北端长约10 m , 南端长约20 m 的桥面发生垮塌。
本文在有限的资料基础上, 对桥面发生垮塌事故的原因进行初步分析和探讨, 并对修复工作和避免类似事故的发生提出建议。
2 桥面垮塌原因
(1) 大桥桥面板为具有一定刚度的钢筋混凝土预制板, 桥面板由17 对钢缆吊杆悬挂于拱体, 如图1 所示。在正常使用情况下, 荷载使桥梁各部分均产生弹性变形。由桥梁的结构形式及材料性质决定了大桥拱体产生的变形相对于钢缆吊杆的变形可忽略不计, 即在分析时可把拱体视为是刚性的, 而把长钢缆吊杆简化为长弹簧K 2, 把短钢缆吊杆简化为短弹簧K 1、K 3, 桥梁的分析简图如2 所示。在设计允许荷载W 作用下, 弹簧K 1、K 3、K 2 均发生弹性变形, 由于长弹簧的弹性变形能力大于短弹簧, 即K 2 产生的应变小于K 1、K 3 的应变, K 2 所受的力小于K 1、K 3。
车辆和行人对桥梁是一个加载、卸载过程, 即W 是一个交变荷载, 尽管一般情况下作用的荷载W小于桥的弹性极限值, 但在交变荷载的长期作用下,受力较大的短吊杆将先于长吊杆达到疲劳极限, 即短吊杆由于交变荷载长期作用将先于长吊杆产生疲劳断裂破坏。
(2)受温度变化的影响, 桥梁各部分均产生温度变形, 材料不同, 热胀冷缩效应也不相同。垂直方向,拱体与钢缆吊杆的热胀冷缩效应在一定程度上相互抵消, 产生不良影响较小。在水平横桥向, 拱体与桥面板热胀冷缩同步, 也不产生不良影响。
但在水平顺桥向, 由于拱体的热胀冷缩效应受拱体形式及桥基限制, 在水平方向拱体反映不出热胀冷缩变形, 而桥面板顺桥向热胀冷缩变形就突出出来。由于桥面板的热胀冷缩, 使各钢缆吊杆在顺桥向反复发生微幅摆动, 在钢缆吊杆两端部产生弯曲变形, 如图3 所示。在桥面板相同的热胀冷缩变形下, 短钢缆弯曲变形大于长钢缆, 同时短钢缆的变形能力小于长钢缆。因此, 反复发生的微幅摆动将使钢缆两端产生疲劳损伤, 并且弯曲变形较大的短钢缆先于长钢缆达到疲劳极限, 产生疲劳破坏。
这里所说的疲劳破坏是指由于钢缆锈蚀或外部尺寸的突变、局部弯曲变形及材料不均匀等原因, 造成钢缆某些局部的应力较高。在长期交变应力作用下, 应力较高的点或材料有缺陷的点, 逐步形成非常细微的裂纹, 裂纹尖端的严重应力集中, 促使裂纹逐渐扩展, 钢缆截面不断削弱。又因裂纹尖端材料处于三向拉伸应力状态, 比单向拉伸更不易于出现塑性变形。所以, 当裂纹扩展到一定程度, 在偶然扰力作用下, 钢缆就会沿削弱了的截面发生突然脆性断裂。
(3)桥梁的振动也是造成桥面垮塌的因素之一。由于目前我们还没有来得及对大桥进行全桥振动实测, 具体原因将在以后给出分析结果。
在上述因素的综合作用下, 使大桥北端已达到一定疲劳损伤程度的短吊杆在偶然扰力作用下发生断裂, 一段桥面落入江中, 此时, 整个桥面力平衡被打破, 就象跷跷板一样, 北端的配重减掉了, 在南端产生上下扰力, 而南端的短钢缆疲劳损伤程度本来就与北端相似, 已承受不住这个扰力作用, 这就发生了随之而来的桥南端短吊杆断裂和桥面的垮塌。
目前, 国内类似于宜宾南门大桥结构形式和使用状态的桥梁还有多座, 防止类似事故的发生尤为迫切。
3 建议
(1) 吊杆的变形问题应当引起足够重视, 严格控制吊杆的弹性变形, 如调整钢缆直径、材质等, 其他类型桥梁钢缆变形能力的差异也应注意。
(2) 桥面板顺桥向整体刚度可设计得再小一些,即整个桥面再柔一些, 允许局部变形更大一些, 允许伸缩变形更大一些。
(3) 用2001 年11 月2 日通过四川省科技厅组织鉴定的《工程结构动力无损检测方法》(鉴定证书[ 2001 ]第336 号) 作为检测手段之一, 定期对该类重要工程结构进行监测, 给出定量的实测数据, 判定结构的安全度, 从而避免事故的发生。
(4) 以实测数据为依据, 采取相应措施或定期更换钢缆。
(5) 改善钢缆与拱体, 钢缆与桥面的连接方式。
(6) 在吊杆的承重钢缆与外部保护钢管之间不宜填充水泥砂浆等脆性物质, 而宜采用对钢材无腐蚀性的柔性材料, 或不用保护钢管以便维护。
