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加拿大著名钢桥事故分析及调查报告

时间:2023-08-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:加拿大组成了皇家委员会,调查事故原因。调查发现:该桥垮塌的直接原因是弦杆A9L和A9R屈曲。图4.2桥梁垮塌前实际结构杆件采用的容许应力水平太高。皇家委员会调查报告中写道:很明显,这座世界上最宏伟桥梁的建造过程中,竟然没有一个有足够经验、专业知识和能力的人应对可能出现的危机。魁北克桥压杆由4块钢板和缀条组成,形成组合截面,如图4.4。

加拿大著名钢桥事故分析及调查报告

加拿大组成了皇家委员会,调查事故原因。调查发现:该桥垮塌的直接原因是弦杆A9L和A9R屈曲。其主要技术原因简述如下:

(1)魁北克大桥坍塌是因为主桥墩锚臂附近的下弦杆设计不合理,发生失稳。一般悬臂梁桥上下弦杆都设计成直杆,这样容易制造。魁北克桥下弦杆出于美观考虑,设计成微弯,如图4.2所示,增加了制造难度,也增大了杆件次应力,降低了屈曲强度。

图4.2 桥梁垮塌前实际结构

(2)杆件采用的容许应力水平太高。库珀提高了桥梁容许应力,正常加载的容许应力为145 MPa,极限荷载下为 165 MPa。这些值太高,因此被桥梁工程师质疑。但由于库珀的声誉,这个容许应力值被接受。库珀根据杆件长细比(L/r),提出了一个容许应力σ公式(单位:MPa):

式中:L为压杆长度;I为惯性矩;A为面积;图4.3为库珀公式与现代AISC规范中A36和A33钢材的容许应力值比较。对于所有长细比在10~100的杆件,库珀的容许应力值超过今天常用值的3.3%~8.7%。考虑到当时钢材质量和压杆认识水平,库珀的公式偏于不安全。

图4.3 魁北克桥的容许压应力与AISC规范中A36,A33钢材的比较

(3)严重低估了自重,且未能及时修正错误。跨度从 487.7 m增加到 548.6 m,荷载却没有重新计算,应力计算仍是基于 487.7 m 的跨度。库珀发现这个错误后立即做了估算,发现应力增加了约7%。重新计算自重,发现应力增加超过10%。这座桥初始设计自重是276 MN(2 760 t),实桥为 325 MN(3 250 t),增加了 18%[15]凤凰桥梁公司和魁北克大桥公司的工程师都忽视修正自重的必要性,结果架设后杆件受力过大。表 4.2 比较了自重的计算值与实际值,说明了桥梁计算中存在基本错误。正确的桥梁计算结果应与实际情况很接近。当发现自重计算错误时,结构的很大部分制造和架设工作已经完成。除了提高桥梁容许应力外,库珀没有其他选择。(www.xing528.com)

表4.2 自重计算值与实际值比较分析

(4)当时的工程师不了解钢压杆稳定的知识,没能力设计如魁北克桥那样的大跨结构。魁北克桥是大跨结构,当时对其力学行为知之甚少,且魁北克大桥公司缺乏资金进行充分试验。库珀曾要求对眼杆(主要的受拉上弦杆)进行大量试验,而没要求对压杆进行试验。后来库珀解释说是因为没有相应试验设备进行此类试验。尽管如此,当最终试验资金到位后,库珀还是拒绝试验,理由是没时间了。

魁北克桥还涉及以下几个工程管理问题。首先最主要的是长时间来结构变形情况一直被忽视。现场工程师对原因也争论很久。工人虽然缺乏专业的技术知识,但似乎是唯一真正知道桥梁结构问题的群体,因此工程师必须虚心听取现场有经验工人的意见。其次是库珀拒绝其他工程师的复核工作。复核后工程师可能不会允许一个结构的实际应力如此高,而其他一些错误,如低估自重等可能在桥梁垮塌前就被发现。结果,库珀的工程专业知识成了保证桥梁结构安全性的唯一因素[16]

库珀不在现场,却坚持要完全控制施工过程。当时施雷伯建议铁路和运河管理局聘请第三方咨询工程师复核库珀的工作,并拥有最终决定权,而库珀、魁北克大桥公司和凤凰桥梁公司都表示反对。库珀还亲自说服了施雷伯,于是魁北克大桥公司未能明确库珀的权限。

由于没有明确的管理体系,库珀拥有最终决定权。即使生病无法到施工现场,库珀仍决定所有关键问题。于是施工现场没有人监督和做决定,特别是当结构不安全需要停工时。一旦有需要,现场管理人员应彼此商量,然后做出决定,这样很少会出现决定延迟执行的情况。皇家委员会调查报告中写道:很明显,这座世界上最宏伟桥梁的建造过程中,竟然没有一个有足够经验、专业知识和能力的人应对可能出现的危机。

调查委员会怀疑压杆 A9L 由于其格构设计不合理而屈曲,于是在 1907 年 11 月到 1908年1月进行了压杆(1/3比例)模型试验。魁北克桥压杆由4块钢板和缀条组成,形成组合截面,如图4.4。由于铆钉受剪破坏,试验中格构体系迅速破坏,接着弦杆便屈曲了,结果证实了调查委员会的猜想:弦杆强度不够。4 个独立钢板彼此连接强度不足,无法形成一个整体受力单元

图4.4 下弦杆横截面与平面(单位:mm)

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