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重返钢桥垮塌现场:著名失效事故分析

时间:2023-08-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:表4.1设计魁北克大桥的关键人物和与垮塌有关的主要人员魁北克大桥公司总工程师爱德华·霍尔,没有参与跨度超过 90 m 的桥梁设计经验,于是从 6 个杰出工程师中选出了西奥多·库珀作为咨询工程师。魁北克桥于1900年10月2日正式开工。凤凰桥梁公司与魁北克大桥公司签署合同后,1903 年完成引桥施工,但直到 1905 年 7月22日才开始桥梁上部结构施工。图4.1魁北克桥基本结构示意

重返钢桥垮塌现场:著名失效事故分析

圣劳伦斯河是魁北克贸易的主要航道,但冬季因结冰完全中断,因此需要修建跨越圣劳伦斯河的桥梁。作为竞争对手的蒙特利尔已经有了西至多伦多铁路干线,和竣工于 1854年的跨圣劳伦斯河的维多利亚桥,这迅速确立了蒙特利尔作为加拿大东部主要港口的地位。这些使得魁北克在圣劳伦斯河上建桥的需求更加迫切,但架桥工作并不容易,因为圣劳伦斯河最窄处也有 3.2 km,水深 58 m,流速达 14 km/h,浪高可达 5 m,冬季冰凌高达15 m。

有人 1850 年就提议修建魁北克大桥(Quebec Bridge),到 1887 年才成立了魁北克大桥委员会,后来加拿大国会通过一项法案,重组该委员会形成魁北克大桥公司,拥有资本100万美元并有权发行债券。尽管如此,公司仍面临很大的资金压力,需要更多政府拨款。初步勘察工作完成后,魁北克政府又给予了经济资助。经过多年争论后,1898年桥址选定为首迪埃尔(Chaudiere),并开始进行桥梁方案设计

1897 年 6 月 16 日,魁北克大桥公司总工程师爱德华·霍尔向他的朋友,凤凰桥梁公司总裁大卫·里夫斯发出邀请。1897年在魁北克召开的美国土木工程师协会(ASCE)会议上,凤凰桥梁公司总工程师约翰·迪斯与爱德华·霍尔见面,并提议:凤凰公司免费提供桥梁方案,但施工必须由凤凰公司承担。在此次会议上,西奥多·库珀也答应向魁北克大桥公司提供咨询服务。主要参与桥梁施工及与垮塌有关的主要人员如表 4.1 所示。

表4.1 设计魁北克大桥的关键人物和与垮塌有关的主要人员

魁北克大桥公司总工程师爱德华·霍尔,没有参与跨度超过 90 m 的桥梁设计经验,于是从 6 个杰出工程师中选出了西奥多·库珀作为咨询工程师。库珀是纽约市一名独立咨询师,也是当时美国最出色的桥梁工程师之一。对于库珀来说,这个项目也将是他职业的顶峰,因为魁北克桥跨度将超过英国福斯桥。佩特罗斯基指出库珀很有资格主持这个项目,因为他是钢桥建设的奠基人,他提出的桥梁铁路荷载的计算方法也被广泛采用。

魁北克桥招标从1898年9月6日到1899年3月1日,由库珀审查设计方案,并限定为悬臂梁和悬索桥方案。此前,法国工程师居斯塔夫·埃菲尔认为魁北克的桥址更适合悬臂结构桥梁,而不是悬索桥或拱桥。悬臂结构基于悬臂梁原理,于 1867 年首次使用,其典型形式是主墩一个方向伸出悬臂跨,由另一方向的锚臂跨平衡。跨中用简支悬跨连接形成整体结构,简支中跨和悬臂跨自重通过锚臂跨和抗拔墩来平衡。(www.xing528.com)

库珀收到 6 份上部结构设计方案,2 份下部结构方案,审查后选择了凤凰公司的悬臂桥方案。整个过程凤凰桥梁公司一直都与库珀保持着联系,且魁北克大桥公司也倾向于凤凰桥梁公司中标。这些都让人感觉至少招标过程不公平和不透明,尽管很多人信任库珀。凤凰桥梁公司得到上部结构施工合同,戴维斯公司得到下部结构施工合同。但因财务原因,凤凰桥梁公司拒绝与魁北克大桥公司签合同,使魁北克大桥公司面临相当大的风险。1903 年政府资金到位,财务问题解决,当年 6 月 19 日才最终签署了合同,魁北克大桥公司也更名为魁北克桥梁与铁路公司。

魁北克大桥是当时最长的悬臂梁结构桥,悬臂达 171.5 m,两悬臂间支撑205.7 m简支悬跨,梁体离河面 45.7 m,初始设计主跨487.7 m(1600 ft)。1900年5月,库珀将主跨增加到548.6 m(1800 ft),避免深水墩和冰凌撞击,缩短桥墩施工时间。虽然跨度改变表面上是基于工程技术考虑,但跨度增加(以超过英国福斯桥)使库珀成为建造全世界当时最长悬臂梁桥的工程师也是事实。

魁北克桥于1900年10月2日正式开工。桥墩由大块花岗岩与混凝土填料组成,高度在最高水位之上约 8 m。墩顶以下 5.8 m 的墩身用坚硬花岗岩,墩身设计成(坡度为1/144)的锥形,墩顶截面为9.1 m×40.5 m,墩身基础为混凝土沉箱,长 45.7 m,宽14.9 m,高 7.6 m,重达1600 t。

凤凰桥梁公司与魁北克大桥公司签署合同后,1903 年完成引桥施工,但直到 1905 年 7月22日才开始桥梁上部结构施工。凤凰桥梁公司许诺 1908 年年底竣工,否则每月支付给魁北克桥梁与铁路公司5000美元的违约金,直到工程完工。

魁北克大桥由3跨钢桁架梁组成,主跨 549 m,如图 4.1 所示,建造历经了 30 年。施工期间两次发生垮塌事故:第一次在1907年8月29日,压杆失稳,75人丧生;第二次是中跨合龙时起吊设备局部构件断裂,13人丧生。大桥最终于1917年竣工运营。

图4.1 魁北克桥基本结构示意(单位:m)

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