美桥欣赏
台湾 南方澳大桥
事故调查官方视频
一、前言
2019年10月1日,我国台湾省宜兰县的南方澳大桥发生垮塌,吊杆断裂,桥面、主拱塌陷掉落桥下,视频震惊世界。
事件最终导致桥下6名被压船员死亡,9名船员、1名油罐车司机、3名救援人员共13人受伤。
残骸实景
2020年11月25日,距桥梁垮塌事件发生1年多后,事故调查报告终于完成。
那么,导致垮塌的原因是什么?哪些是原本可以避免的?垮塌案例对桥梁的设计、养护有什么经验教训可以吸取?本文试析之。
二、工程概况
南方澳大桥位于台湾省宜兰县苏澳港辖区內,桥梁全长 896.92米,主桥长 140米,桥宽 15 米,双向 2 车道,设有中央分向岛及人行步道,并设置 4 处半圆形景观平台。
主桥为双叉式单拱设计,主桥结构包含拱架、吊杆、端锚系统、桥面大梁及其他结构。主桥结构示意图如图所示。
主桥的设计基本参照1992年建成的西班牙巴奎塔桥的设计。
参照西班牙巴奎塔桥
建设方:宜兰县政府;
设计方:亚新工程顾问股份有限公司;
施工方:立永营造有限公司;
通车时间:1998年。
三、事故调查
事故调查采用了三维激光扫描、无人机测绘、有限元建模等各种技术手段进行复原分析,调查项目包括:
1、现场勘查
所有桥梁构件包括:拱架、吊杆、钢梁及支座打捞上岸,对结构尺寸、焊接、锈蚀等进行调查检测,并对现场的锚头进行无损探伤、对桥面铺装厚度进行抽芯取样。
2、材料试验
现场取样,对吊杆钢绞线、锚头拉伸测试(静载锚固性能试验)、锚头的荧光探伤等。
3、有限元建模分析
通过有限元计算分析了不同工况:实测桥面厚度(超过设计厚度4cm)对结构影响分析、不同吊杆断裂工况对结构影响分析、油罐车等运输车辆通行的影响分析、主桥吊杆容许断裂股数分析、吊杆连锁破坏模式分析、桥梁钢梁各阶段应力分析等。
通过调查分析,查明桥梁垮塌过程及原因。
四、垮塌过程
大桥吊杆外部均以红色HDPE套管包覆,上下锚头分别在拱圈及桥面内部。由于钢绞线及锚头破坏发生在内部,大桥断裂视频看到的仅仅是外包HDPE套管断裂的情况,其实不是真正的实际破坏位置及失效相对顺序。
吊杆真正的断裂顺序是:
当视频中的油罐车行经大桥10号吊杆附近,11号吊杆因为下锚头附近钢绞线严重锈蚀,残余强度因无法承受负载而断裂,相邻之10、12号吊杆及9、13号吊杆下锚头处锈蚀钢绞线陆续断裂,随后8号锚头,6号锚头及7号吊索,4、5号锚头,3号锚头,2号锚头,及1号锚头等其它吊杆系统连锁破坏。
大桥随之垮塌。
摘自事故调查报告第1册 P258
五、垮塌直接原因
和多数出问题的吊杆拱桥一样,该桥垮塌的直接原因是下锚头及附近吊杆锈蚀。
调查发现,该桥所有下锚头附近吊杆都存在不同程度锈蚀,锈蚀最严重的 10、11、12、13 号吊杆下锚头附近钢绞线有效残余截面积仅剩余约 22% ~ 31%。
钢绞线严重锈蚀后,导致承载力不足,这是桥梁垮塌的直接原因。
吊杆钢绞线及锚端锈蚀
为什么锈蚀?因为有水。
水从哪里来?来自桥面。
大桥的下锚头没有采用常用的导管设计,而是采用金属短套箱,套箱下端安装在桥面上,埋在桥面中央分隔岛的混凝土中,埋置深度只有1~2厘米,没有伸进钢箱梁内部。
这种构造既不可靠,也不防水。
而且套箱与吊杆之间没有设置减振体,吊杆与桥面的振动等可能导致套箱与桥面连接开裂松脱。
调查发现套箱与吊杆的接缝采用树脂类填缝胶,填缝胶存在老化、开裂、松脱等病害,封水失效,水顺着吊杆往下渗流。
下锚头构造
吊杆锚端典型病害
下锚头的锚固设计是采用开口向上的锚箱,然而这锚箱并没有设置泄水孔,顺着吊杆下渗的雨水就积聚在锚箱中,导致锚头及吊杆长期浸泡在水中,大大加剧了锚头及吊杆的锈蚀。
下锚头锚箱积水示意图
积水病害实景
垮桥视频所见的油罐车并没有超载,但却是压垮桥梁的最后一根稻草。
六、垮塌间接原因
1、养管职责不明确
南方澳大桥属于苏澳港跨港路,苏澳镇与港区共用。按照台湾媒体的点评,大桥管养情况是权责分工不明、管理脫序。
由于养管责任一直不明确,导致大桥没有按照相关规范进行检测与养护,也无法定主管机构对大桥的管养情况进行监管。
2、桥梁例行检查制度没有执行到位
台湾省的桥梁定期检查周期为2年,但桥梁建成后21年间总共只进行了7次定期检查,定期检查周期明显不满足规范要求。
大桥垮塌前距离最近一次定期检查时间间隔为3年7个月,没有按时进行定期检查。
除了定期检查周期不满足要求外,桥梁建成后也没有进行过任何特殊检查。
3、桥梁检查流于形式,深度不足
大桥除了检查周期不满足要求外,检查深度也达不到要求。
所进行的7次定期检查中,仅2009年进入过箱梁内部检查,但没有下锚头的检查内容及记录。其余6次都没有进入箱内检查,根本没有发现下锚头积水及锈蚀的严重安全隐患及病害。
而最近一次定期检查中,在没对箱梁内的下锚头及附近吊杆进行检查、根本不掌握其状况的情况下,吊杆的等级还评定为1类,即良好。
未掌握状况下评定
七、设计方面的启示
1、锚固系统的防水设计应严密而可靠
斜拉桥、吊杆拱桥的下锚头锚固系统的防水设计首先应以堵封为主,措施应牢靠。特别是大桥位于出海口,属重盐害、高湿度区域,保护措施更应严密。
但大桥下锚头采用少见的短套箱而非深入桥面钢梁的套管,也没有减振设计,套箱与桥面钢梁连接处容易松脱;金属短套箱与吊杆之间仅用密封胶封缝,容易老化脱落。
上述两防水部位封水措施一旦失效,桥面雨水都就会下渗,带来耐久性与安全性问题。
2、防水设计应堵疏结合
下锚头的防水除了封堵严密外,还要考虑万一出现渗漏后的排水。南方澳大桥下锚头锚箱没有设置泄水孔,雨水下渗后无法排出变为集水箱,下锚头与钢绞线长时间处于具盐分的积水环境中,从而造成积水线附近之钢绞线严重锈蚀,并最终锈断。
考虑到可能的漏水问题,是否在锚箱底板开孔引流,会大大减缓吊杆的锈蚀?
3、设计也应杜绝非法转包分包
大桥设计是由亚新工程顾问股份有限公司中标,但亚新既没有类似业绩也没有实际能力设计类似桥型,真正负责设计的是外国顾问公司VCE(Vienna Consulting Engineers ZT GmbH),桥型方案、结构计算细部设计等都是由 VCE 负责,亞新公司仅仅负责图纸的复核校对。设计实际上是转包,严重影响设计质量及服务。
八、管养方面的启示
1、桥梁应明确划分养管责任
任何桥梁均需明确划分并落实桥梁安全运行的工作责任,具体承担桥梁养护和管理的管养单位、代表政府承担监管责任的监管单位均应按照分工,各自履责。
2、桥梁检查制度应严格执行
各国对桥梁检查方式、检查内容、检查频率等的规定大同小异,但重在遵守与落实。管养单位应严格遵照制度规定进行桥梁检查,做到病害早发现早处治。
3、桥梁检查广度深度应满足要求
桥梁检查类型,分为经常检查(经常巡查)、定期检查(定期检测)、特殊检查(特别检测),各种类型都有明确的技术规定与要求,关键是检查深度与广度能够达到要求,特别是定期检查广度应能覆盖主要的受力构件,检查深度能准确评定桥梁状态,确定桥梁安全与否。否则,检查流于形式所带来的则是血的教训。
4、桥梁养护工程师制度应落实
由于养护单位不熟悉桥梁的管养制度与规定,具体养护主办没有桥梁方面的专业知识与技能,对规范不了解,没有执行规范有关检测与养护的规定,管养不到位,这也是桥梁垮塌的主要原因之一。所以推行桥梁养护工程师制度非常重要而且十分必要。
九、其他方面的启示
1、大桥曾经安装了安全监测系统,对风力、地震、应变、温度等项目进行监测,系统使用寿命仅5年,期间监测数据也没有提供给营运处,所谓的监测系统基本成为摆设。这种状况跟目前很多桥梁健康监控系统类似,实用性不强,更不能保证桥梁不垮塌。
2、大桥的主要构件来自世界各地:吊杆钢绞线来自英国Bridon-Bekaert 公司;吊杆的HDPE套管为奧地利制造;吊杆的锚固系统来自法国 Freyssinet公司;钢支座为日本川口金属工业所制造。
3、大桥的2、3、4、5、6、8号吊杆破坏是因为上锚头破裂;现场取基本完好的10、11号上锚头和钢绞线样品进行静载锚固试验,结果表明,锚头而非钢绞线发生破裂,结果表明大桥所用锚头不满足要求,质量存疑。这说明,不要迷信所谓国外知名产品。
十、结语
它山之石可以攻玉,大桥垮塌事件方方面面的教训都值得我们好好反思。
正在施工的新南方澳跨港桥
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