大型桥梁施工事故和施工力学若干问题

大型桥梁施工事故和施工力学若干问题

摘要：该文在分析了我国近年来发生的几起桥梁施工事故基础上，研究了事故发生的原因，提出了质量控制的一些建议，并且总结了施工中应注意的力学问题。

关键词：大型桥梁；施工事故；施工力学与控制

在我国的道路桥梁交通事业发展的同时，由工程质量问题引起的桥梁裂缝、垮塌事故不容忽视，桥梁施工质量问题不仅影响道路交通的正常运行，还给人们的生命财产安全带来极大的隐患。因此，施工单位和相关部门应提高对桥梁施工质量的重视，采用必要的施工质量控制措施，确保工程质量满足工程的正常使用需求。

对于桥梁工程施工事故的等级划分有以下规定：由于质量问题引起的安全事故，经济损失不超过２０万元的属于一般质量问题；工程质量与标准要求严重不符，需要修补措施，且导致经济损失在２０～３００万之间的，被界定为一般质量事故。根据经济损失数目的不同，可将质量指事故分为三个等级，损失金额在２０～５０万之间的为三级质量事故；损失金额在５０～１５０万之间的为二级质量事故，损失金额在１５０～３００万之间的为一级质量事故。若工程出现严重的责任过失，以致出现桥梁倒塌、报废甚至出现人员伤亡的，被评定为重大质量事故。工程出现特大型主体结构垮塌、工程事故中导致死亡人数超过３０人或者经济损失超过１ ０００万的，为一级重大质量事故；工程事故导致死亡人数在１０～２９人之间、导致经济损失金额在５００～１ ０００万之间或者存在大型桥梁主体垮塌现象的，为二级重大质量事故；工程事故存在人员伤亡，但伤亡人数小于１０人、经济损失在５０～３００万之间或出现中小型桥梁主体结构垮塌现象的，为三级重大质量事故。

１ 大型桥梁工程施工中导致安全事故的主要因素

工程施工前没有进行充分的调查分析、缺乏科学施工方案的设计、施工工艺不合理、施工材料不符合工程施工要求、施工过程监管工作不到位、后期缺乏必要养护工作等，都是导致桥梁工程施工安全事故的主要因素。以下以近年来我国在大型桥梁施工中出现的安全事故为例，对出现安全事故的原因进行分析。

１．１ 湖南凤凰县堤溪沱大桥

２００７年湖南凤凰县堤溪沱大桥坍塌事故引起了社会的广泛关注。在湖南湘西土家族凤凰县堤溪沱大桥的施工中，桥体发生坍塌，直接导致６４人失去生命，２２人重伤，经济损失高达３ ９００万元。经过多方事故调查研究，最终确定事故是由施工中的违规行为导致的。在该桥梁工程施工中，施工单位和建设单位为了节约成本，提高施工效率，不顾工程实际需要，盲目赶工期，施工过程混乱，监管部门监管工作不到位，设计单位没有做好技术交底工作，导致整个工程质量与设计标准不符，桥体主拱圈主体材料不符合施工标准要求，拱桥上部构造的施工工序不合理，拱圈砌体的强度没有达到工程要求；在施工负荷的不断累积下，１号孔主拱圈在距离０号桥台较近的一侧出现了３～４ｍ的坍塌范围，在连拱效应的影响下，整个大桥出现了坍塌事故。

大跨径石拱桥自重很大，与此相比，侧向推力远远高于拱桥自重的多倍，在工程施工结束后，脚手架一旦拆除，地面和桥的两端就会完全承受大桥的自重和侧向推力，因脚手架的拆除是工程施工中的关键环节。在拆除脚手架的危险期，要待拱桥达到预定的强度后方可进行，而且脚手架拆除时要遵循一定的操作顺序，几个支点同时进行拆除，保证拆除平衡，以免由于石拱受力不均导致拱圈推力失衡而引起连环倒塌事故。在湖南凤凰县堤溪沱大桥施工中，由于工程施工结束后，将手脚架的拆除工作分给了不同的施工队伍，拆除时没有做到操

作平衡，桥墩无法承受巨大的侧向力而导致一端出现断裂，进而引发全桥倒塌的重大安全事故。

１．２ 广东增槎路高桥支架坍塌

２００４年广东省广青高速公路施工中，增槎路高架桥出现了坍塌事故，引起３人死亡、７人受伤的悲剧。经事故调查分析得出结论：支撑棚架不稳是导致这起工程安全事故的主要原因。致使棚架不稳主要有以下因素：首先，支撑棚架的受力计算不准确，导致立杆之间单位距离、横杆高度等设计不合理；其次，支撑棚架质量不符合工程标准要求，承载力不够，导致支架出现坍塌。

１．３ 重庆南门大桥断裂事件

２００１年重庆南门大桥出现了断裂，此次事故中没有人员伤亡。重庆南门大桥是一座提篮式的跨江大桥，主桥跨径超过５００ｍ。从事故发生的情况来看，此次倒塌事故是由主桥与引桥受力不均导致的，断点恰好出现在二者的结合点处，此处也正是吊桥动态与静态的结合点，在受力不均的情况下，致使桥的一侧出现垮塌，桥面的支撑转移到另一边。由于承载力不足而发生波浪形摆动，超过承载极限后，另一边也出现垮塌。通常中承式拱桥、拱圈附近的吊杆较短，而中间位置的吊杆较长，其线刚度较大，应付变形能力不强，在受力较大的情况下极易出现断裂，导致整个桥体坍塌。

１．４ 深圳盐坝高架引桥坍塌

２０００年，深圳的一座盐坝高架引桥出现了坍塌，虽然没有造成严重的人员伤亡和经济损失，但是造成了该工程效益损失，影响了道路交通的正常运行。事故调查中，发现引桥的支架结构设计存在严重的问题，而且施工中采用的施工方法和施工工艺不符合工程实际需要。在出现坍塌的第七跨在支架设计中没有设计横向的剪刀撑，而纵向只是设置了少量剪刀撑，导致支架稳定性不强。施工中的测量工作不精确，立杆垂直高度误差较大，有些扣件没有拧紧，水平杆件的搭接不合理，影响支架整体稳定性。

此外，１９９８年发生的招宝山大桥主梁断裂事件、１９９９年重庆基江步行桥坍塌事故以及２００５年遵义公路大桥垮塌事故等都是由施工过程不当引起的。因此施工中，对工程桥梁进行科学的力学分析研究以及严格施工管理是十分重要的。

２ 大型桥梁结构施工力学问题研究

大型桥梁施工过程复杂，施工难度较大，气候环境、施工材料、施工精度等都会影响施工效果。施工中，为了确保桥梁工程的强度和稳定性，对其进行科学的力学分析是十分必要的。

２．１ 大型桥梁结构施工状态分析

工程结构分析是工程结构安全的基础保证，施工中，需要对各个阶段桥梁的受力状态进行预测和分析，得到结构力学结构计算的精确数据来反映整个施工过程中的结构受力行为，以此为依据确定出结构各个阶段的理想状态来指导施工。目前常用的桥梁结构力学分析法有正装分析法、倒装分析法，大型桥梁施工中常将二种方法结合使用。

２．２ 大型桥梁施工力学的主要问题 ２．２．１ 施工中存在的不确定性

与桥梁结构设计阶段的力学设计有所不同，施工阶段的力学过程复杂，存在一系列的不

确定因素，需要做好前期的基础调查工作。充分考虑到基础条件、负载、支架连接等的不确定性后，方可进行临时支架的计算。对于桥梁结构施工状态的力学分析也是如此，结构体系、材料特性、构造细节等的不确定性分析是力学计算前的必要工作。

２．２．２ 结构体系转换

结构体系转换是大型桥梁施工中需要面临的主要问题，施工中由于程序不同会产生施工内外力、拉张应力引起的次应力、温度变化或混凝土收缩等产生的次应力，这些都是结构体系转换时需要计算的量。整个过程中涉及到多次体系转换，而且钢束预加力处于不断变化中，计算过程十分繁琐。等效负载法是体系转换计算中常用的方法，计算时要将混凝土与钢束进行单独的考虑。值得注意的是，在设计体系转换顺序时，要将连续梁进行合理布局，确保该体系的内力合理分布，同时最大限度降低次内力产生的影响。

对于连续钢构、预应力混凝土或桁式组合拱桥来说，通常的施工都面临体系转换的问题，例如通过悬臂浇筑法施工的大跨径连接结构，要由静定悬臂钢构状态经过一系列的合龙过程形成桥状的超静定结构。在体系转换结束后，需要在合龙梁段上对连续预应力束实施拉张拉操作，以上操作是在超静定体系上进行的。

桥梁的静定平衡体系会随着施工的进行而发生变化，在实际的施工中，受多方因素的影响，结构的实际应力分布状态会与原有设计分布情况有所差异，因此需要进行相应的调整。例如，钱塘江二桥体系转换时是将两个相邻的墩上的Ｔ结构合拢成Ⅱ结构，再按由近至远的顺序将Ⅱ结构由中间至两端进行合拢，尽量将施工误差集中到岸边，便于后期处理。

根据简支梁的受力情况来确定第一次预应力筋的张拉锚固，安装结束后要进行位置调整、墩顶接头浇筑、支座等一系列操作，紧接着进行二次预应力筋的张拉锚固，操作方法与一次预应力筋的方法一致，这样混凝土的连续施工就完成了。主连续梁在形成连续梁结构时，主梁接头采用的是普通钢筋混凝土，在负载不变的情况下，通常呈简支架受力状态，在负载变化时，呈现出连接梁的受力特点。

２．３ 荷载组合分析结构内力与局部应力的选定

大跨径桥梁结构复杂，涉及的施工工艺较多，对施工技术水平要求严格，在对其进行结构分析时，要考虑到所有的负载工况以及它们同时发生时出现的叠加效应，是否使得梁体的应力超出了能够承受的应力极限值，所以要在恒载、活载、温度骤降、基础不均匀沉降的条件下进行负载设计。此外，还要仔细分析桥梁构建的细部，确保局部构件质量符合工程质量标准要求，避免由于局部构建损伤导致的桥梁损坏。

在大跨径桥梁顶板具备横向预应力束时，顶板与腹板的结处作为控制设计断面，为了确保工程施工的精确性，要考虑到温度应力的变化，对预应力钢筋锚固端两侧以及危险界面进行验算。加拿大格朗梅尔大桥施工时正是由于忽略了温度应力的影响导致桥梁跨中出现了弯矩。

２．４ 桥梁结构计算模型修正技术

在大型桥梁结构的安全监控中，要依靠有限元建模技术，来实现施工过程的控制。有限元建模作为一种新型的技术在大型工程施工中得到了广泛的应用，高技术能够为施工中的结构分析工作提供完整的理论参数集，由于得到的参数通常会与实际结构得到的参数存在差异，所以要对理论模型做出适当的调整和修正，使二者保持一致。将实验结构所反映出来的记录与模型计算结构做出科学的对比分析的过程称为模型修正，通过直接或间接得到的参数来作为数据修正的主要参考依据，来修正模型中的信息量，获得结构变化的整体信息。

模型修正法主要包括３种：

１）矩阵型法。矩阵型法是模型矩阵修正的常用方法，此方法的优点是准确度高、简便易操作，但是所修正的模型的物理意义不明确，没有保持原有限元模型带状的特点。

２）子矩阵修正法。该方法最突出的特点是能够保持修正后刚度矩阵的对称性和稀疏性，在对待修正的子矩阵或单元矩阵进行修正系数的定义时，通过调整子矩阵修正系数来实现对结构刚度的调整。

３）灵敏度法。该方法是利用结构设计参数的修正来实现对有限元模型的修正。由于大型桥梁属于非线性问题，因此灵敏度法适用于大型桥梁结构参数的修正，从敏感分析的中间结果可以反映出参数结构产生的影响。

２．５ 可视化技术在施工演示分析中的应用

采用先进的虚拟技术搭建的模拟环境系统能够更直观地得到实际结构参数与结构参数的差距，随时了解施工情况，及时发现施工中出现的问题并采取相应的解决措施，有效地控制施工过程，提高工程施工质量。大型连接桥梁的理想后退分析、实时前进分析等都是桥梁施工中的必要工作，首先建立有限元结构分析施工阶段模型，再将拓扑结构、节点信息、边界条件等参数输入到模型中。在可视化技术的应用中，能够实现倒拆动态、结构理想施工线性、施工主要梁形心线的设计曲线和实测拟合曲线等的演示，实现施工过程的动态控制和动态演示。

３ 结语

大型桥梁施工过程复杂，施工中的影响因素众多，需要采取有效的质量控制措施，加强施工过程的监督管理，规范施工过程。通过历年来桥梁工程出现的安全事故可以看出，施工过程的力学分析是十分重要的，因此设计、施工、监理部门应提高重视程度，共同做好施工质量的控制工作，确保工程质量。

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