大型桥梁施工事故和施工力学问题

李郴娟

(贵州交通职业技术学院)

1 大型桥梁施工事故及分析原因

(1)1999 年1 月4 日，重庆綦江彩虹桥整体垮塌，受伤14 人，死亡40 人造成财产损失无数，事故调查结果，是由于监管部门疏忽，导致整个项目从立项开始，到设计施工，到验收等等环节都不符合有关规定，具体调查下来，主要是因为钢结构之间的焊接问题以及混凝土强度问题，其中混凝土的强度只有国家标准的1/3。

(2)2000 年11 月27 日，深证盐坝高架桥坍塌，造成大量经济损失与人员伤亡，经过调查发现，事故原因在于支架设计的问题，对活荷载与荷载分布状况的估计不足，施工与监管部门的早做不利，最终导致事件发生。

(3)2001 年11 月7 日，重庆南门大桥断裂，该桥跨度足有500 m，经调查发现，断裂位置处于主桥于引桥结合位置，主要事故原因是桥面受力不均，造成双边垮塌。

(4)2005 年12 月14 日，贵州省贵阳市开阳县公路小尖山大桥发生坍塌，导致5 人死亡，15 人受伤。

(5)2007 年8 月13 日，湖南省凤凰县堤溪沱大桥坍塌，坍塌时正在建设，受伤22 人，死亡64 人，属于重大事故，并造成近4000 万的经济损失。经调查，起坍塌原因主要是由于石拱桥构造施工工序不合理，在拆除脚手架时由于施工单位配合失误，导致大桥受力不均，最终形成连环倒塌。

2 大型桥梁施工力学

2.1 施工力学的重要性及意义

在人类发展历史中，过去的半个多世纪，技术带来的变化是史无前例的，而建筑行业也顺应发展，在潮流中飞速前进，而在建筑效果上，新奇的造型，创新空间越来越多，随着技术的发展，原本在力学上不可能的结构渐渐变为可能，由于建筑发展的需要，结构技术上的创新也就被带动，传统意义上，结构设计与施工是一个工程立项后的不同的两个步骤，然而在近些年的研究结果表明，需要有一个理论，将结构设计与施工结合起来，在结构施工的时候，会产生一些意想不到的力学因素，这些因素有时甚至会导致事故发生。

结构设计与施工相互影响，施工方法的区别将很大程度上影响结构的内力与形变，如果控制不足，则会酿成大祸，因此，在结构设计的同时，也必须考虑到施工时的力学现象，施工力学的意义就被突显出来。

2.2 主要问题

(1)施工阶段的力学的不确定性

在建筑力学中，荷载分为永久荷载与活荷载，永久荷载是包括自重在内的一般恒定不变的荷载，大多数情况下不会产生变化，而活荷载却是结构计算阶段的一个不确定因素，在一般的施工图设计阶段，会根据经验值来考虑。然而在桥梁施工的时候，活荷载的不确定性被无限放大，导致整个施工过程中施工力学的复杂与不确定。一般具体表现在两个方面:临时支架活荷载的不确定性，由于在工人施工时，支架的搭接位置，都着很大的不确定性，支架的自重也具有不确定性，造成活荷载的不确定。

施工过程的不确定性，施工工人数量区别导致活荷载区别，结构体系的区别导致不确定性，建造材料的不同，如钢筋混凝土结构与钢结构桥梁的不确定性，构造方式不同造成的不确定性等等。

(2)结构体系转换

在建筑设计中，常常存在结构转换，有时甚至会设计结构转换层以保证建筑的使用合理，而在桥梁设计中，结构转换也是非常常见的一种技术手段，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，还应计算各项次内力，包括施工过程中由于张拉预应力束引起的次应力和由于温度变化、混凝土收缩徐变等因素所产生的次内力。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，通常采用等效荷载法，将混凝土与钢束分开来考虑，最后求得预应力对结构的总效应。而在面对如此复杂的转换工程，转换顺序的选择就显得尤为重要，其需要达到的效果是让连续梁最终的恒荷载内力均匀合理的分布，并尽量避免次内力造成的不良影响，一般在悬臂施工中，次内力对于桥梁的正弯矩有着比较大的影响。

一般的预应力混凝土结构梁，或者桁架梁钢梁都会有结构转换的问题，施工过程中，桥梁的静力平衡体系一直处于变化中，结构中的应力重分布后的最终状态经常不同于最优设计分布应力，有时需要调整桥梁内力。以杭州钱江钱江二桥为例，它的转换特点本着将施工误差尽量移至岸边处理的原则，首先将相邻两个墩上的T 构合龙成Π 构，然后由中间固定墩按先近后远的原则对称顺序向两岸进行Π 构之间的合龙，误差接近岸边，是操作难度下降。

施工过程中有一个“先简支后连续”的原则，具体来说，就是在简支梁预支的时候，第一次进行预应力筋张拉锚固，以简支梁受力状态预制，完成后经过一系列调整，再第二次预应力筋张拉锚固，而第二次的终点是完成一系列的混凝土连续梁施工，与第一次的区别在于主梁的接头使用钢筋混凝土连接，以保证其连续性，形成连续梁结构。

(3)准确选定荷载组合分析结构内力及局部应力

大跨度的桥梁，结构非常复杂，例如西班牙建筑师卡拉特拉瓦，他的桥梁设计举世闻名，同时他的作品的结构也非常复杂，在桥梁的建筑美学中，复杂的结构是体现它美的价值的重要因素，当然，这就需要极高的技术支持。

在结构的整体剖析中，荷载状况非常复杂，需要多方面考虑，因为在施工过程中可能会产生两种甚至以上的不稳定因素，或者意外状况，而这些不稳定因素相互叠加，会使得整个应力产生意想不到的变化，很有可能出现意想不到的事故。

根据最新研究的经验表明，同时考虑恒载，活载，温度骤降，基础不均匀沉降是目前比较普遍的方式。恒载是包括整个结构的自重在内的一般恒定不变的量，活载的变数很大，需要同时考虑到施工时期施工设备和人员的重量，还需要考虑到建成以后整个桥梁的极限载重量，并且还需要留下余量，以免发生问题。大跨径连续梁桥在顶板配置有横向预应力束的情况下，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和危险截面要加以验算。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，这足以说明准确考虑温度应力的重要性。温度骤降会使得结构压缩，需要考虑到当地气候，在此基础上，计算出一个余量值，使得结构受温度影响之后依然能够发挥作用。而基础不均匀沉降是由于活荷载的分布不均，基础土质不同而造成的，在设计之初，基地勘察的时候就需要将其考虑进来，基础不均匀沉降如果考虑不周，那么在桥梁投入使用之后会产生大量的问题，尤其是桥身容易断裂的问题。

(4)桥梁结构施工力学的计算

施工力学的计算非常复杂，并具有很大的不确定性，那么在研究的时候，则需要建立施工力学模型，来模拟施工过程，一个大跨度结构的施工过程，其实就是一个结构本身在不断的变化的过程，换句话说，就是一个动态的结构力学，有非常多的因素能够影响这个结构计算的结果，比如在施工过程中，构件的不断增加而引起的自重变化，偶然荷载的出现，施工设施的变化产生的自重变化，温度的骤然变化等等，而为了得到真实有效的结果，施工力学的计算要采用跟踪计算的方式，将这些因素都考虑进去，目前比较主流的方法分别是时变单元法，拓扑变化法及有限元法等等。而在这些方法中，有限单元法比较实用，理论严谨，并且易于程序化，但是，传统的有限元法并没有提供公式，而是以经验值来计算，所以在方法应用上，工程界的说法也兵不统一。

在模型建立上，建立精确的有限元模型在目前依然是大型桥梁结构最优施工的基础方法，有限元结构一般能够提供较为完整的参数及以供经验参考，不过，这些经验值常常会与实际值有偏差，这就需要不断的进行结构模型的调整和修正，以保证模型参数与实际参数的动态的统一。

模型修正一般有下列方法:矩阵型法，子矩阵修正法和灵敏度法等等。每种方法各有千秋，而在模型修正的过程中，在适当的环境下使用适当的修正方法是一个亟待解决的问题。

3 结束语

在整个桥梁项目中，尤其是大跨度桥梁项目，需要做到立项，设计，施工，工程监理等等方面严格遵守标准，在施工过程中各部门必须认真负责，提高安全效应，避免桥梁塌陷事故的出现，保护人民的财产安全和人身安全，是每个工作者的责任所在。

［1］王钧利，董旭.大型桥梁施工力学研究［J］.武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2010，(10):949－952.

［2］陈小才，秦文.大跨结构施工力学问题的浅析［J］.科学之友，2011，(5):44－45.