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著名钢桥失效事故分析:银桥垮塌过程、原因及影响

时间:2023-08-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:1967年12月15日下午5点左右,银桥突然垮塌并坠入俄亥俄河,整个过程持续不到60 s。图6.3发生断裂的节点位置事故调查表明:银桥垮塌由有初始缺陷的330号眼杆导致,这根眼杆在C13N号节点处的端部下方形成了劈裂破坏,裂纹贯穿了眼杆底部使节点失效,眼杆从节点脱落,主缆局部破坏导致桥梁的整体垮塌。

著名钢桥失效事故分析:银桥垮塌过程、原因及影响

1967年12月15日下午5点左右,银桥突然垮塌并坠入俄亥俄河,整个过程持续不到60 s。垮塌事故始于俄亥俄塔侧边跨的第一个节点C13N,如图6.3所示,连接该节点的西侧主缆上的330号眼杆失效,使主缆在此处断裂,如图6.4所示。由于眼杆的失效和节点的断裂,主塔和桥面随之倒塌。桥上31辆车及车内64人随桥落入河中,44人丧生,另有2人失踪。事故发生后,美国成立了3个工作组:第一工作组检查现有的桥梁检测做法,并评估其有效性;第二工作组制订重修大桥的计划;第三工作组在国家运输安全委员会的指导下确定事故发生的原因。

图6.3 发生断裂的节点位置

事故调查表明:银桥垮塌由有初始缺陷的330号眼杆导致,这根眼杆在C13N号节点处的端部下方形成了劈裂破坏,裂纹贯穿了眼杆底部使节点失效,眼杆从节点脱落,主缆局部破坏导致桥梁的整体垮塌。图6.4为垮塌后在现场拼接的330号眼杆残骸,可清晰地观察到眼杆端部的断口形状,如图6.5(a)所示,下侧的断口截面平直整齐,几乎没有塑性变形的迹象,是典型的脆性断裂特征,上侧断裂截面有弯折,且表面凹凸不平,表现出塑性断裂的特征。断口在销孔下表面北角存在两个半圆形裂纹面,一个半径为 3.175 mm,另一个半径为1.59 mm,裂纹表面附着大量黑色氧化物,表明裂纹已经存在了很长时间,断裂截面如图6.5(b)所示。

图6.4 断裂的330号眼杆

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图6.5 330号眼杆断口分析

事故调查还表明,格雷纳公司的设计规定了相应的安全系数(符合1927年通用的工程设计要求):极限强度安全系数2.75,屈服强度安全系数1.75。而美国桥梁公司替代方案提供的热处理钢材对应的安全系数分别是2和1.5,低于格雷纳公司的设计值。另外,由于在眼杆施工和检测中存在很多不确定因素,且眼杆缺乏保护装置,所以安全系数应该增大而不是减小。

银桥的悬链和桁架上弦杆均由眼杆构成,眼杆采用双排设计,如图6.6和图6.7所示,此前只有一座桥梁采用了类似的用热处理眼杆作为悬链系统的设计,即巴西的弗洛里亚诺波利斯桥。该桥由 Steinman 于 1924 年设计,美国桥梁公司负责施工,同样使用热处理眼杆作为主缆[10-12]。但美国桥梁公司在设计银桥时没采用弗洛里亚诺波利斯桥的设计细节,如:①弗洛里亚诺波利斯桥的主缆都由4根眼杆组成,而银桥主缆只有两根眼杆,安全冗余度太低;② 弗洛里亚诺波利斯桥的容许工作应力为321 MPa,而银桥提高到 345 MPa;③ 弗洛里亚诺波利斯桥设计的眼杆两端都加厚了3mm,减小了销孔处的应力集中,而银桥眼杆厚度没增加,且为便于安装,销孔直径增大了3mm,由此产生一个与空气接触的空隙,使眼杆腐蚀持续发展且不易被检测。由于无法拆卸节点,难以检查或润滑眼杆销孔内部,俄亥俄河上另一座“姊妹桥”圣玛丽桥(St. Mary’s Bridge)最终也被拆除[11],它与银桥有相同的节点设计,即使是现代的检测方法也无法检验眼杆端部每个销孔的钢材性能。

图6.6 C13N断裂节点构造细节

图6.7 主缆的标准眼杆节点

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