大跨径桥梁施工事故分析.docx
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大跨径桥梁施工事故分析
大跨径桥梁施工事故分析
一、大跨径桥梁施工塌桥事故
1湖南凤凰县堤溪沱大桥
新闻背景：
正在建设的堤溪沱江大桥发生坍塌事故
垮塌后的凤凰桥.jpg（44.77KB）
2007-8-2410:
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垮塌前的凤凰桥.jpg（21.53KB）
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垮塌后的凤凰桥.jpg（44.77KB）
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图为垮塌前的凤凰桥
图为垮塌后的凤凰桥
垮塌前的凤凰桥.jpg（21.53KB）
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湖南凤凰大桥垮塌疑惑之一：
乱石拱还是料石拱？
下图的桥墩断面，同样是惨不忍睹。
除了窟窿，混凝土砂浆标号也是个问题。
这次事故的责任，出在设计不当，施工单位出问题的可能性比较小。
更具体一点，就是整体方案严重错误。
从目前披露的情况看，该桥是一座多垮高墩的拱桥，桥墩高达40多米。
纯由岩石堆砌而成。
这是出问题的关键。
拱桥和梁桥的一个重大区别是，梁桥的桥墩只承受纯向下的压力和垂直的水流冲击力。
水流的冲击力和桥梁的正压力相比，很小。
也就是说，桥墩主要是承受正压力。
拱桥不同，桥墩除要承受全部的正压力和水平的水流冲击力外，还要承受极大的侧向力，侧向力的大小由拱桥桥拱的弯度确定，桥越越弯曲，侧向力越小，桥拱越平，侧向力越大，甚至可以达到正压力的数倍。
现代拱桥都比较平，可以肯定，侧向力一定超过了正压力，非常大。
古代和平常所见的石拱桥，为了抵消这个巨大的侧向力，一个办法是将桥拱修得很弯曲，像苏州小河上的石拱桥那样，几乎成半圆型。
另一个办法是不修桥墩，直接将侧向力引到江河两岸的堤坝上。
因此，拱桥是不适合修高墩桥的。
高墩拱桥稳定性会很差。
凤凰桥设计者没有考虑到拱桥的这个特点，在这样高的位置修拱桥就是一个极不明智的选择，甚至可以说是错误的选择；
高桥墩的抗侧推力的能力很差，因此，高墩一定要用钢筋混凝土筑墩。
这样，才有比较强的抗侧向推力能力。
恰恰相反，设计者将桥墩设计为不用钢筋的石块堆砌，这样高度的砌石墩，只能承受正压力，不能承受侧向力。
一旦有侧向推力产生，桥墩必垮无疑！
这样高大的桥梁，其自重就很大，侧向推力更是自重的数倍。
随着大桥完工，脚手架拆除，大桥自重和侧向推力就完全传到地面和大桥两端，一定会产生向下的沉降和向两边推移。
于是，巨大的侧向力全部由不能承受侧向力的桥墩承担，桥墩必然向一侧断裂，导致全桥垮塌。
2深圳盐坝高架引桥
2000年11月27日，深圳盐坝高架引桥突然发生坍塌，该桥位于盐田港附近，自7月份开始施工，预计12月底完工。
坍塌桥面宽20*30米，高20多米，坍塌长度约30*50米，当时桥面施工情况为部分已浇灌混凝土，部分仍为钢筋铁丝网结构。
原因
经过一个月的调查，“11.27”盐坝高速路高架引桥倒塌事故原因现已查明，支架构造和设计存在缺陷、施工方法和工艺不当等综合因素，是导致盐坝塌桥的罪魁祸首。
导致盐坝塌桥的原因主要是：
施工中立杆垂直高度误差偏大，部分扣件未能完全拧紧，同时水平杆件连接未采用搭接方式，削弱了支架整体稳定性；
坍塌的第七跨在支架设计中横向未设剪刀撑，纵向虽设置了剪刀撑，但数量不够，造成支架主体稳定性不足；
支架设计中对不利荷载因素及荷载分布状况认识不足，未采取相应的对策和措施，使支架整体稳定性存在安全隐患。
施工单位、监理部门管理不力，安全质量意识淡薄也是不容忽视的原因之一。
3泸州大桥桥墩坍塌
2001年12月21日，泸州大桥桥墩坍塌。
隆叙铁路泸州大桥全长1400余米，总投资1．6亿元，2000年11月动工，工期两年。
据施工队负责人介绍，晚9：
10，工人在位于长江中心的正在施工的2号桥墩捆钢筋外膜时，突然发生坍塌事故。
4浙江省海宁市硖石镇新虹桥倒塌
2000年5月27日，浙江省海宁市硖石镇正在建设中的新虹桥轰然倒塌，未造成人员伤亡。
5招宝山大桥主梁断裂
1998年9月24日，招宝山大桥主梁断裂。
位于甬江入海口的宁波大桥是规划中我国沿海快速通道的主要桥梁，因发现两处梁体断裂，建筑工人们不得不开凿已造好的桥面。
大桥梁体上下晃动、跳动，经检查，发现梁体出现两处断裂，断裂处都在桥板的底部。
据施工人员说，该设计方案技术比较先进，但也比较边缘，安全系数不大。
6广东增槎路高架桥支架坍塌
2004年12月13日，广东增槎路高架桥支架坍塌。
广清高速公路增槎路江南农贸市场路段正在施工的一段高架桥支架忽然发生坍塌，事故造成2人死亡，7人受伤（其中重伤1人）。
现场也有施工工人认为，是因为脚手架各个接口的螺丝没有上紧，导致高架桥受力不均才塌方的。
7重庆綦江步行桥发生整体垮塌事故
1999年1月4日，重庆綦江步行桥（綦江彩虹桥）发生整体垮塌事故。
横跨重庆綦江县新旧城区的一座步行桥突然整体垮塌。
据不完全统计，截至5日18时，已死亡24人，轻重伤16人，十几人下落不明。
这座长约102米的中承式拱形桥，是綦江县城主要的人行桥，建成还不足三年。
专家组认为：
中承式拱形桥的拱架钢管焊接存在严重缺陷，个别焊缝出现痕缝性裂痕；焊接质量不合格；混凝土强度不足，普遍低于设计标号的1／3；连接桥梁、桥面与钢拱架的拉索、铆片、铆具都有严重锈蚀。
另外，已发现工程承发包不符合国家建筑管理规定和要求，施工单位系个人挂靠行为，不具备市政工程施工资质，该桥实际属私人设计、组织施工。
8重庆南门大桥
2001年11月7日，重庆南门大桥位于宜宾城内的长江（长江上游也称金沙江）上，连引桥在内，大桥全长约1000米左右，主桥横跨度500余米，是一座提篮式跨江大桥。
据宜宾市曾参加过泸州大桥、岷江大桥、马鸣溪大桥施工的吴工程师讲，这种动态式的悬吊式设计很可能有问题。
从南门大桥断裂的状况看，两边的断裂处都是在主桥与引桥的结合点，恰恰也是吊桥动态与静态的结合点。
因受力不均，一边垮塌后，使桥面的支撑力发生波浪形摆动，造成另一边也垮塌。
吴工程师还说，从现场看桥的伸缩缝过大，部分施工材料不合格也是造成桥面断裂的原因之一。
桥梁专家、重庆交通学院教授顾安邦分析，作为中承式拱桥，越靠近拱圈的吊杆就越短，相对于其他位于桥中间、较长的吊杆，它的线刚度较大，而应付变形的能力就越小，相应受力就较大。
相对而言，它最易断，从而引起大桥坍塌。
9遵义公路大桥跨塌
2005年11月5日14时许，遵义市务川至彭水公路珍珠大桥悬拼拱架发生跨塌事故，19名施工工人落下河谷，确认死亡13人，3人下落不明。
10贵阳大桥垮塌
2005年12月14日凌晨5时30分左右，位于贵阳市开阳县龙广村的贵（阳）开（阳）高等级公路第五标段，正在修建的小尖山大桥突然垮塌，桥面上正在施工的22名工人飞落下50米深的深谷。
事故共造成7人死亡，15人重伤。
11福建漳州大桥坍塌
2006年4月11日2时18分许，正在拆迁中的福建漳州大桥突然整体坍塌300米，正在桥上施工的8名工人落入江中，造成当场死亡1人，失踪1人，4人受伤。
该大桥全长438米，建于1975年。
12北京悬索桥测试承重被压塌
2006年12月9日下午2时40分，北京顺义区卧龙环岛北侧一条横跨减河的景观悬索步行桥在测试承重时坍塌，10辆用来测试的卡车随桥身坠下后报废，一名司机在事故中骨折，另有两人轻伤。
13江西修水县湾台大桥坍塌
2007年3月23日，由于层层转包，随意变更大桥设计，江西省修水县湾台大桥在施工过程中发生坍塌，造成施工人员2人重伤、10人轻伤。
二、在桥梁工程中质量事故的原因分析
1当前桥梁工程质量事故责任现状
一个大型桥梁工程是由立项、规划、勘察、设计，再由施工将图纸变为工程实体，建成能满足使用要求的交通设施，因此，从质量形成全过程来看，决不能把所有桥梁工程质量问题看成是由施工企业造成的，必须实事求是地分清各方应负的责任，对于各自存在的问题采取相应对策，这样才能从根本上保证重点大型桥梁工程的实体质量。
据文献［1］及英国建筑研究院最近一项统计产生工程质量事故原因的比例见表1
表1工程质量事故分析
项目
质量事故责任方
广东省某高速公路
英国建筑研究院统计资料
设计责任
40.1%
50%
施工责任
29.3%
40%
其他责任
30.6%
10%
由表1看出：
由勘察设计原因造成的工程质量事故居首位，其次是施工过程所造成的事故，另外由于材料原因、使用等原因所造成的损失也占一定比例。
2桥梁工程项目中的层层分包，为工程质量埋下隐患
随着经济改革的深入，经济指标已成为业主、勘察、设计承包商、施工承包商以追求的首要目标，这些承包商为追求短期经济指标而忽视工程质量的事时有发生。
为了追求高额利润，在设计中常常暗藏分包的现象，使得设计人员资质远不能达到工程招标时的要求，而且总承包商为追求短期经济指标往往对工程项目投入的人力不足，没有起到组织、协调、管理的作用。
3地质勘探资料不可靠而造成的质量事故
在公路桥梁建设中，一座桥梁桩基础施工中，有些区段实际地质情况与图纸所提供的地质资料严重不符。
某特大桥主桥上，实际地质情况与设计资料相差甚远，设计柱桩长为40米（1.8米桩径），而实际地质情况需要桩长近60米。
这需要大吨位的钻机，给施工造成很大不便，延误了工期，引起索赔。
在其它一些桥梁也出现过类似情况。
4由于设计图纸与实际地况不符、甚至设计图纸的错误造成的工程质量事故
某特大桥主桥，由于地方桥梁的实际标高提高，宽度加大，地方排水管道的影响。
原设计是37.5米跨的预应力工字梁，在施工时才发现，按这种设计方案不能满足地方道路净空要求，几经周折，变更为50米跨径的变截面预应力连续箱梁，使工程费用需重新报价，延误了工期，造成不必要的损失。
另外，在此桥的预应力箱梁的设计中，将12束钢铰线与7束钢铰线的连接设计不当，造成钢铰线在张拉时拉断。
最后只有变更为8束钢铰线的张拉力，使箱梁的预应力减小了三分之一，箱梁强度储备下降。
在某高速公路的关键工程某特大桥的施工中，由于对交叉道口设计与实际地况不符，若按原设计施工，有的桩位将在行车道上，无法施工，不得不变更设计，增大桩径，变T梁为连续箱梁。
将主孔桩径由2.2米变更为2.5米，过渡段桩径由2.5米变更为3.0米。
这样需要重新购置大型钻孔设备，给施工带来很大难度，引起索赔。
由于施工难度加大，在灌桩时控制不当，施工过程中发生了有两根桩基断桩。
既造成了数百万元的损失，又使关键线路上的关键工程工期延误。
5由于设计人员的疏忽而造成质量事故
在某高速公路一大桥的图纸中将桩位标错。
在另一桥中，将桥的墩帽标高写错。
据统计在该线路的大桥中，出现了不少由于设计不当或设计人员的疏忽而造成的如桩位不当及桥梁上部的跨径净空不能满足使用要求，从而影响了工程质量及工期。
6在勘测设计缺乏必要的外部监控体制
目前在设计行业还未实行监理制度，因此，为保证大型桥梁设计质量，必须对设计图选择验算单位进行准确的计算分析，以保证设计的可靠性。
三、对策
1施工阶段力学计算的不确定性
（1）临时支架力学计算
基础条件的不确定性；支架连接的不确定性；支架荷载的不确定性。
现浇箱形拱
（2）施工状态的力学计算
基础条件的不确定性；材料特性的不确定性；结构体系的不确定性；施工荷载的不确定性（横向荷载及偶然荷载的影响）；构造细节特性的不确定性。
对吊装施工时对梁段的体态、吊装点要经过计算。
刚架拱桥吊装
刚架拱实腹段四点吊
悬臂浇筑
图18.4.2悬臂拼装
梁拱体系转换
预应力混凝土连续梁、连续刚构或桁式组合拱桥，除满堂支架施工外，采用其它施工方法都面临着体系转换这一共同问题。
尤其是采用悬臂浇筑或悬臂拼装的多跨大跨度连续结构，都经历最初的静定悬臂刚构状态，然后分阶段合龙为单跨（或多跨）的固端梁、伸臂梁或临时连续刚构等不同体系，最后才合龙为成桥状态的连续梁、连续刚构或桁架拱等超静定结构。
在体系转换中，除了要计算因施工程序不同、荷载不同而产生的不同施工内力外，还应计及各项次内力，包括施工过程中由于张拉预应力筋引起的次应力和由于温度变化、混凝土徐变、收缩等因素所产生的次内力。
为了承受施工阶段的内力，悬臂上的预应力钢束应分批分期张拉。
当按顺序合龙桥梁形成体系转换时，在合龙梁段上要张拉连续预应力钢束，这些连续束的张拉是在超静定体系上进行的，势必产生由预加力引起的次内力。
计算预加力的次内力的一般方法是：
选定结构的基本体系，计算出预加力对基本体系的弯矩，即初预矩（静定力矩）；然后用力法求解结构在预加力作用下的赘余力，即所谓“二次内力矩”。
初预矩和二次内力矩之和即为预加力对结构的综合力矩。
但实际悬臂施工的桥梁都为变截面，而且存在多次体系转换，加上钢束的预加力沿程分布的变化，计算相当复杂，需求助于计算机的编程计算。
通常采用等效荷载法，将混凝土与钢束分开来考虑。
钢束对混凝土的作用用一组力来代替，求得等效荷载后，把它当作外力，写出荷载列阵，用矩阵位移法求解。
最后求得的是预应力对结构的总效应，包括初内力和次内力。
当桥梁施工依次合龙，结构体系由静定变为超静定受力，合龙时的温差也会在结构中产生温度变化的次内力。
混凝土自身材料收缩、徐变的特性，也导致体系转换后次内力的产生。
混凝土施工过程的徐变分析，也是一项复杂的力学计算，程序设计采用增量理论，其中徐变系数的计算是关键，涉及徐变变化规律，多采用狄辛格法。
总之，选择体系转换次序时，应该使最终的连续梁（或刚构）体系的恒载内力分布合理，同时还应尽可能地缩小各项次内力的不利影响。
在悬臂施工的连续梁中，各项次内力常使跨中区段的正弯矩值有较大幅度的变化。
施工过程中，若在内力较大的杆件中布置监控测点，将监测的实际值与计算的预计值比较，及时发现异常问题，并停工检查和分析原因，则可能避免类似加拿大魁北克桥施工中突然崩塌坠落事故的发生。
2准确选定结构体系及荷载组合分析结构内力和局部应力
大跨度桥梁结构复杂，设计和施工技术含量高，结构形式丰富、设计和施工高度相互作用，在结构分析计算中，若单独考虑一种原因时，一般仅可能产生在允许限度以内的应力；如果两种或两种以上原因同时发生，则会出现应力的叠加，其结果使得梁体的应力超过正常使用极限状态的混凝土应力限值。
必须以恒载+活载+温度骤降+基础不均匀沉降为控制设计荷载；大跨度连续梁桥在顶板配置有横向预应力的情况下，顶板和腹板交接处为控制设计断面。
预应力钢筋锚固端的两侧，危险截面要加以验算。
又如加拿大格朗梅尔大桥设计中没有考虑温度应力问题，后来在加固阶段经计算得出10℃的温差在桥梁跨中产生的正弯矩值相当于中跨两条车道布载所产生的正弯矩值，这足以说明准确考虑温度应力的重要性。
对大跨度桥梁构件细部也需要精确的应力分析，以避免局部损伤而失效，使桥梁破坏。
大跨度桥梁的施工是一个复杂的系统工程。
在实现设计目标的整个过程中，将受到许多确定或不确定的误差因素（包括设计计算、材料性能、施工精度、荷载或气温变化等）的影响，因此施工过程应从受影响而失真的参数中找出相对的真实值，并对施工状态进行实时识别（监测）、调整（纠偏）和预测。
这项以现代控制理论为基础的工作，称之为施工控制。
由于在混凝土桥施工中引入了钢桥自架设体系的施工方法（如悬臂施工方法），给桥梁结构带来较为复杂的内力和位移变化，为了保证桥梁施工质量和桥梁施工安全，对桥梁施工的控制不可缺少。
实际上，桥梁施工控制早已被人们采用，例如钢桁梁悬臂架设时，为最终满足设计标高而预设拱度。
但是，混凝土桥除了本身材料非匀质和材质特性不稳定外，它还要受温度、湿度、时间等因素的影响，加上采用自架设体系施工方法，各节段混凝土或各层混凝土相互影响，且这种相互影响又有差异，这些影响因素必然造成各节段或各层的内力和位移随着混凝土浇筑或块件拼装过程变化而偏离设计值，可能影响到以后各节段和合龙标高以及全桥的线形。
大型结构的最终形成都经历了一个漫长而复杂的施工过程以及结构体系转换过程。
对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析是结构施工控制中的最基本内容。
在大跨度桥梁结构的施工控制中现存三种模拟分析方法。
其中，正装计算法是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，它能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，为桥梁施工控制提供依据。
倒装计算法则是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析，目的是要获得桥梁结构在各个施工阶段理想的安装位置（标高）和理想的受力状态。
无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础，将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来，这种方法特别适应于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制。
在预应力混凝土梁体分段悬浇施工过程中，每节段都需要经过移动挂篮就位、立模浇筑混凝土、完成预应力束张拉等工序，形成若干施工循环。
假定结构受力条件和材料参数，运用结构分析方法对施工全过程进行模拟分析，由于理想状态与施工实际不可能完全一致，加上施工方法的变异因素，会造成实际结构受力和位移不同于理想计算结果，并导致累计施工误差。
因此需要建立施工动态控制系统，借助测量信息反馈系统，对每一施工循环进行控制系统误差分析，修正系统参数，进而对下一循环预测控制参数，如此重复循环，使系统参数误差逐步消除，其后状态控制参数更为精确，模拟分析与实际施工过程可趋于一致，从而使桥梁的分段浇筑施工最大限度满足结构设计要求，达到施工全过程的随机最优控制。
在桁式组合拱桥悬臂施工控制中，主孔预拱度的设置考虑恒载、活载和徐变挠度，为消除施工中各种因素引起的非弹性变形，各段构件在安装时还要增加施工预抬高度。
根据徐变计算反映的规律，墩顶至断缝区段徐变挠度小，断缝至拱顶区段徐变挠度较大，因此相应节段所取施工抬高值是个变量。
施工中应根据挠度观测数据和徐变计算的结果，逐段予以调整。
合龙时，两岸桁片的高程差应控制在规范允许的范围内。
悬拼施工中，结构处于悬臂桁架体系状态，合龙后将进行体系转换，为了保证在体系转换时结构有更大的稳定性，可采取分次放张，分次加载的方式，使结构逐步、缓慢地由悬臂桁架体系过渡到桁架拱体系
3应用先进的桥梁结构分析及可视化技术对设计进行演示和论证
大跨度桥梁结构复杂，设计和施工技术含量高，具有结构形式丰富、设计和施工高度相互作用、设计和施工内业工作量大等特点，可视化计算技术将给这些超大型复杂结构的设计和施工控制变的比较容易、方便和更加直观。
例如，大跨度斜拉桥的施工采用悬臂浇注和拼装的方法，一般要经过多次循环，而每一个循环内还要包括好几个工况，另外，由实际结构来反馈影响设计也是大跨度斜拉桥的一大特点。
因此，在设计阶段无论是组织数据，编排仿真计算过程，阶段内力调整还是数据的输入以及计算结果的整理，其工作量非常大，且极容易出错，而对于斜拉桥施工阶段的内力和标高控制问题要根据施工中的实际结构来修正起初设计中的一些基本条件。
因此，研制开发超大型复杂结构的设计和施工控制的可视化计算技术是极有必要的。
对特大跨度桥梁的设计、工程控制和施工控制需要进行多次的结构重分析。
如对斜拉桥和大型连续梁桥的理想后退分析、实时前进分析等。
在分析中要建立有限元结构分析总模型和施工阶段模型，要输入单元拓扑结构、节点信息、刚度数据、材料特性、边界条件、荷载分布等。
把可视化计算技术应用于大型复杂结构的设计、工程控制和结构分析中，将增强计算软件的前后处理能力。
例如，在桥梁工程控制和结构分析可视化技术中，倒退分析结构倒拆动态演示、结构理想施工线形显示、施工阶段主梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线的显示、前进分析结构拼装动态演示、施工预告图形显示、主梁内力图显示、危险截面应力分布图显示等等。
更重要的是能借助图形和图像来进行实时动态的控制结构的重分析和获取施工控制数据，同时能实时动态演示和控制设计和施工的全过程。
采用虚拟现实技术的虚拟环境系统，以利于更好地认识设计参数与设计结的关系，发现设计中潜在的缺陷和问题，尝试解决问题的不同方法，从而使整个设计更加完善。
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