在建系杆拱桥坍塌事故原因分析

项宏亮　陈亮

【摘 要】扣件式支架是桥梁建造阶段常用的临时结构，支架问题则是桥梁建造阶段坍塌事故最主要原因，文章以某在建系杆拱桥坍塌事故为研究对象，通过桥梁施工进度、支架设置等情况调查和对支架结构进行受力分析，明确了桥梁事故的主要原因，强调了按照规范进行扣件式支架立杆稳定性计算的前提。

【关键词】桥梁坍塌；扣件式支架；立杆稳定性

0 引言

桥梁坍塌事故往往造成生命财产损失和恶劣社会影响，建造阶段则是桥梁坍塌事故发生的主要阶段，其原因往往是多方面的，而支架问题一般是其中最主要的原因[1]。本文结合某在建系杆拱桥坍塌事故案例，对其原因进行分析，为日后类似工程提供借鉴。

1 桥梁概况

某管线桥梁上部结构主桥为跨径66.5m的钢管混凝土系杆拱，桥面净宽9.3m，桥梁拱轴线为二次抛物线，矢高13.30m，拱肋采用圆端形钢管内灌注微膨胀混凝土，系梁、端横梁、中横梁采用预应力混凝土结构；各横梁间浇筑22cm现浇桥面板，其上浇筑10cm钢筋混凝土整浇层。桥梁纵向单边设吊杆11根，吊杆标准间距为5m。桥梁下部结构采用柱式墩+群桩基础。该桥在施工过程中发生坍塌事故。

2 事故调查

2.1 施工进度及施工过程调查

根据相关单位提供的事故情况说明和现场调查，事故发生前桥梁各部分施工进度如下：

（1）主桥结构中的系梁、横梁已施工完成；系梁、横梁预应力钢束全部张拉完成，锚具处已用水泥砂浆封堵；

（2）拱肋钢管及跨中一字型横撑已安装，钢管内未灌注混凝土；拱肋钢管无支架支撑；

（3）桥面板、桥面整浇层已施工完成，栏杆未安装，桥面有部分堆载；

（4）现浇中横梁、桥面板下方支架已拆除。

桥梁下方地基在前期经过压实处理，并浇筑有30cm素混凝土层。事故发生在桥面下方支架拆除后次日上午8点，因当日未安排施工任务，未造成人员伤亡。

事故发生后支撑系梁的扣件式钢管支架被压曲，系梁跨中位置落地，截面破坏；1#拱肋跨中压曲变形严重，2#拱肋于跨中位置断裂，拱肋钢管与拱脚预埋钢管焊缝开裂并完全脱离。

2.2 桥梁设计施工过程调查

根据桥梁设计图纸，设计施工过程如下：

（1）施工主桥桥墩基础、承台、墩身；

（2）处理地基，搭设支架，支架预压；现浇主桥系梁及主桥端横梁

（3）吊装就位主桥预制中横梁；

（4）张拉端横梁第一批钢束及中横梁钢束；

（5）搭设主拱支架；拱肋吊装、固定拱肋和拱梁连接段；调整拱轴线；安装风撑；

（6）灌注拱肋钢管内的微膨胀混凝土；

（7）待混凝土达到设计强度拆除拱肋支架；

（8）张拉系梁预应力束N2；

（9）安装吊杆；第一次张拉吊杆；

（10）现浇主桥桥面板，桥面板混凝土达到设计强度的90%后张拉桥面板预应力钢束；

（11）张拉系梁预应力钢束N3、N4；

（12）第二次张拉吊杆，张拉至设计吨位；

（13）现浇桥面铺装层、护栏等，张拉桥面板内剩余钢束，张拉端横梁剩余钢束；

（14）涂刷防腐涂料，拆除支架，成桥。

2.3 桥面堆载情况调查

现场调查检测过程中，对桥梁结构物尺寸、钢结构焊接质量、桥面堆载情况和支架设置情况进行了详细调查。桥面堆载主要为未安装的风撑钢管、施工支架、水泥材料，各种堆载物具体位置按桥梁坍塌后现状测量所得，合计452.5kN。

2.4 支架设置情况调查

经现场量测调查，现有系梁承重支架纵桥向立杆间距600mm，设置在系梁底全长范围，横桥向立杆间距300mm，横向设5根立杆；扫地杆高300mm，扫地杆上方每1.2m设纵横向水平杆，共设5道。

在尚可见的系梁承重支架内，未见明显的剪刀撑杆件。支架钢管锈蚀严重。

因系梁支架钢管锈蚀严重，采用游标卡尺对系梁支架的立杆进行了截面尺寸测量，现场随机抽取了5根支架立杆进行测量，壁厚从2.4mm～3.0mm不等。

3 事故原因分析

3.1 理论分析模型的建立

采用桥梁计算专用软件按照实桥施工过程及进度，建立了桥梁坍塌前已安装就位的桥梁结构模型，桥面板、桥面铺装层等以荷载形式考虑。采用在系梁下方建立虚拟分配梁的形式，模拟横梁、桥面板等荷载由系梁传递给系梁支架后的不均匀效果。

3.2 结构验算的主要施工阶段

根据现场检测情况，结合施工单位提供的相关资料，至桥梁坍塌前的主要施工阶段如下：

（1）搭设系梁支架，系梁浇筑完成阶段；

（2）搭设横梁和桥面板支架，横梁和桥面板浇筑完成阶段；

（3）横梁和桥面板支架拆除完毕阶段；

（4）拱肋钢管、跨中一字风撑上桥，桥面堆载阶段。

桥梁坍塌前，因橫梁和桥面板的支架已完全拆除，实际的支架设置情况无法了解，且该阶段下桥梁已建成部分和支架的受力情况相对安全，故不对该阶段进行受力分析。

3.3 各阶段支架受力分析

3.3.1 系梁浇筑完成阶段

钢管支架壁厚按照2.4mm和3.0mm两种情况分别进行考虑，系梁浇筑完成阶段支架钢管最大应力分别为-20.48MPa和-16.81MPa，线弹性分析下的整体稳定系数分别为5.08和6.11。

3.3.2 横梁和桥面板支架拆除完毕阶段

横梁和桥面板支架拆除完毕阶段支架钢管最大应力分别为-52.38MPa和-44.32MPa，线弹性分析下的整体稳定系数分别为2.46和2.96。endprint

3.3.3 拱肋、风撑上桥，桥面堆载阶段

拱肋钢管、跨中一字风撑上桥，桥面当前堆载阶段支架钢管最大应力分别为-54.82MPa和-46.28MPa，线弹性分析下的整体稳定系数分别为2.39和2.87。当前阶段系梁支架失稳形态与横梁及桥面板支架拆除阶段失稳形态类似。

图4 拱肋上桥阶段系梁支架弹性屈曲

根据相关工程经验，鉴于钢管构件初始缺陷、外界扰动等影响，整体稳定系数一般要求不小于4。由计算分析可得到如下结论：

1）各计算阶段扣件式钢管支架构件强度满足要求；

2）系梁澆筑完成阶段，钢管支架稳定性能够满足要求；横梁和桥面板支架拆除完成阶段以及拱肋、跨中一字撑上桥和桥面堆载阶段，支架线弹性整体稳定系数为2.46～2.96和2.39～2.87，支架体系存在较大安全隐患。

3.4 桥梁坍塌原因分析

（1）管线桥实际的桥梁施工顺序与设计不符，系梁和桥面系施工进度与拱肋和吊杆的施工进度不匹配；

（2）错误应用《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130-2011）相关计算公式，导致过早拆除桥面系下方支架；

根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》第5.3.4条规定进行立杆稳定性验算时，立杆计算长度l0应考虑长度附加系数k和第6.4节规定的连墙件设置情况而确定系数u；施工单位提供的支架计算书中管线桥在横梁和桥面板支架拆除完毕的后，系梁支架并不存在横桥向约束杆件情况下，支架立杆的整体稳定性验算中支架步距取水平杆间距1200mm，造成立杆容许轴向力计算错误，错误地指导了桥梁施工；

（3）系梁支架钢管锈蚀严重、钢管外缘无防锈漆、钢管壁厚变薄且厚度不均，构件老化现象非常明显，由此造成的系杆支架承载能力下降对事故的发生也有一定的影响。

4 总结

（1）桥梁施工过程应严格遵守设计确定的施工顺序，并合理设计支架等辅助设施；

（2）钢管支架为桥梁结构中所广泛应用的支架形式，一般情况下支架体系面外仅设抛撑杆件，与规范验算条款设置有连墙件的计算前提不符，设计计算时应特别加以注意；

（3）钢管支架应按规范要求设置内部撑杆；

（4）支架搭设前应进行钢管质量检查，易腐蚀环境下应采取合理除锈、防锈措施。

【参考文献】

[1]易仁彦.近15年国内桥梁坍塌事故的原因和风险分析[J].交通科技，2015，（7）：61-64.

[2]JGJ 130-2011，中华人民共和国行业标准.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].endprint