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院士称义昌大桥简支梁结构是导致垮塌关键

2013-02-23 10:44:14 来源: 网易探索
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核心提示:在中国工程院院士、桥梁隧道专家王梦恕看来,义昌大桥的简支梁结构是导致垮塌的关键原因,爆炸只是击中了桥梁的软肋,他认为如果是连续梁结构就不会被炸塌。

简支梁桥组成机构 图片来源:百度图片
简支梁桥组成机构 图片来源:百度图片

2月1日上午9时许,一辆装载烟花爆竹的货车自西向东,行至连霍高速公路741km+900m处(河南三门峡渑池县境内)的洪阳乡义昌大桥时,突然发生爆炸,导致大桥南半幅被炸毁,北半幅桥板松动。有多辆行驶车辆坠落于30米桥下。

无独有偶,就在2009年1月14日,芜湖长江大桥1公里段,一辆满载6吨多“冲天炮”烟花的货车发生爆炸,但桥体并未受损,芜湖长江大桥虽一度临时中断,但当天便恢复通行。

为此,很多人质疑,设计荷载公路-Ⅰ级、设计时速每小时100公里的坚固的高速公路大桥,为何难以抵御一车烟花爆竹的爆炸。

爆炸戳中桥梁的死穴

“如果是连续梁结构就不会被炸塌。”在中国工程院院士、桥梁隧道专家王梦恕看来,义昌大桥的简支梁结构是导致垮塌的关键原因,爆炸只是击中了桥梁的软肋。

连霍高速是河南省境内极为重要的一条公路。其河南段于2001年建成通车,长610公里,当时设计为双向四车道。事发的义昌大桥也是2001年建成,之后于2010年改建成双向8车道,2011年上半年竣工投入使用,日均通过车辆4万辆以上。

但就是这样一座位于交通要道上的重要桥梁却采用相对省钱的简支梁结构。什么是简支梁呢?西南交通大学桥梁工程系专家徐腾飞曾指出,简支梁是一个静定结构,梁体就搁置在桥墩上的支座上。而桥梁两端有两个支座,一个为固定铰支座,一个为滑动铰支座。固定铰支座使桥梁在纵向的变形被约束,而滑动铰支座允许桥梁一端纵向可以自由滑动。

王梦恕告诉记者,这种结构在建筑中非常常见,比如房屋的横梁、楼板等,也是梁式桥中应用最早、使用最广泛的一种桥形。其构造简单,架设方便,同时梁的一端可以自由滑动有助于消除梁本身由于热胀冷缩等产生的内力。但是在桥梁应用中也造成桥梁强度不够、施工应力不均匀等问题。

这次义昌大桥的垮塌可能就是由于爆炸的冲击波导致梁体纵向滑动幅度过大,引发梁体从支座上坠落而形成事故。

一位从事土木工程的专家也认为,从现场照片看,中间倒塌的桥墩并非直接由爆炸所致。发生爆炸后,桥面左端开始脱落,整个桥面倾斜,当时正好有货车横跨在两块桥板之间,此时桥板从中间的桥墩上滑落,于是在垮塌过程中货车及下落的桥板对中间的桥墩产生了水平的切应力,中间的桥墩就被推倒了。紧接着,右边的桥面也滑下来了。

先天不足导致桥梁问题频发

王梦恕告诉记者,在我国公路桥梁中,简支梁结构应用很广泛,建造也相对容易。

首先是打基础,这也是桥梁建造最关键的环节。桥梁的地基与基础的设计与施工质量的好坏,是关系到整座桥梁质量的根本问题。因为基础工程是隐蔽工程,如有缺陷,较难发现,也较难弥补或修复,而这些缺陷往往直接影响整座桥梁的使用甚至安危。

桩基础由若干根桩和承台两部分组成,桩在平面排列上可为一排或几排,所有桩的顶部由承台连成一个整体。在承台上再修筑桥墩或桥台及上部结构。

沉井基础是一种历史悠久的施工方法,适用于地基表层较差而深部较好的地层,既可以用在陆地上,也可以用在较深的水中。所谓沉井基础,就是用一个事先筑好的充当基础的混凝土井筒,一边挖土,一边靠其自身重力不断下沉直至设计高程的方法来完成。

打完基础后就要做承台了,承台指的是为承受、分布由墩身传递的荷载,在基桩顶部设置的联结各桩顶的钢筋混凝土平台。

再在承台上建桥墩,桥墩按受力分为刚性墩和柔性墩。按构造分为实心墩、空心墩、柱式墩和框架墩。按截面分为矩形墩、圆形墩、圆端形墩和尖端形墩。

之后在桥墩顶部设置的横梁,支撑桥梁上部结构,并将全部荷载传到下部结构。再在横梁上搭设混凝土梁,梁与梁之间要留出伸缩缝,以防止热胀冷缩。

为了避免主梁受雨水侵蚀,并对车辆载荷进行分布,还要在上面铺设桥面铺装层、防水层。

尽管简支梁桥的结构尺寸易于设计成系列化,标准化,有利于组织大规模预制生产,但是简支梁桥的先天不足导致公路桥垮塌时有发生。

在王梦恕看来,我国早期简支梁结构的公路桥应加快改造,全部改造成坚固的连续梁结构。

至于悬索桥和斜拉索桥,王梦恕也建议不要推广。悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁,由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。悬索桥的主要承重构件是悬索,它主要承受拉力,一般用抗拉强度高的钢材(钢丝、钢缆等)制作。

由于悬索桥可以充分利用材料的强度,并具有用料省、自重轻的特点,因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大,跨径可达1500米,远超过钢制箱梁桥的150米。悬索桥可以造得比较高,容许船在下面通过,在造桥时没有必要在桥中心建立暂时的桥墩,因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。悬索桥还比较灵活,因此它适合大风和地震区的需要。

但悬索桥除了有刚度小,在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动等缺点外,悬索的寿命也是软肋。因为钢索非常容易生锈,寿命只有10年,到期后要全部拆掉,更换钢索,工程相当浩大。可以说悬索桥和斜拉索桥都不具备百年桥梁所应有的结构。目前我国铁路已不允许使用悬索桥。

新材料有待时间验证

目前,随着科技发展,一些新技术也在桥梁建造中开始应用。

尼尔桥位于美国缅因州南部,车辆在上面呼啸而过。这座小桥有两个车道宽,10.4米长,横跨一条小溪。黑色的沥青和光滑的护栏能够看出这座桥还比较新。但是,真正让这座小桥独树一帜的是它的构造。

它的桥梁不是由钢或混凝土构成,而是由23条碳和玻璃纤维织物的拱形结构组成。这些直径约30厘米的管子,通过膨胀、弯曲成适当的形状再用塑料树脂进行硬化,并排安装以后用混凝土进行填充,就像是意式通心粉一样。最后铺上桥板和压实的土壤,拱形结构就能支撑标准的砂和沥青路面了。

纤维强化塑料最初是用于冲浪板和游艇,最近在飞机机翼和其他组件中得到使用,在20世纪80年代,纤维强化塑料首次使用到桥梁的建设。土木工程师被它们强度高、重量轻,耐腐蚀的良好特性所吸引。

使用纤维强化塑料材料主要作用是构成混凝土的框架结构。管子能保护混凝土不受除冰化学品的侵蚀,从而降低维护的成本,并且更轻的重量允许更高的车辆负载。

但在王梦恕看来,玻璃纤维代替钢管虽然节省了建造成本,但是,桥梁的强度和寿命都会降低。

从目前来看,在桥梁建造上,论强度和寿命,还没有一种材料能够代替钢。

由于桥梁的安全性、适用性、耐久性、施工要求和维护要求方面的结构需求,桥梁结构与其它建筑结构相比具有不可重复、荷载复杂、使用环境极端、使用期限长、制约因素多、体量较大等特点。因此,新材料、新工艺的应用面临挑战。

但相信会有一天,新材料、新工艺将打造更坚固的桥梁,让人类跨越更大的天堑,到达更远的地方。(来源:中国科学报)


延伸阅读

发现者:桥被炸坍并非都是烟花惹的祸

河南连霍高速义昌大桥发生炸坍事故,官方解释目前主要围绕在天气和烟花等导火索上,但事故关键还在于桥梁结构问题。就这类简支梁桥的结构而言,虽然易搭建成本低,但抗震力不足,尤其在不做防爆设计前提下,还搭在超高墩台上,更加降低安全储备度。

陈雅娟 本文来源:网易探索 责任编辑:王晓易_NE0011
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