迈阿密FIU大学天桥倒塌,ABC施工法受质疑

美国时间3月15日,佛罗里达州的第二大城市迈阿密出了一件震惊全美的工程事故,让同行们倍感忧伤,并且有可能对一种新兴的施工基础产生深远影响——这就是佛罗里达人行天桥垮塌事故。

在建美国最大人行天桥垮塌

在迈阿密有一座口碑不错的佛罗里达国际大学(Florida International University, FIU),为了解决4000多在校大学生往返周边的斯威特沃特市(Sweetwater)的时候往往需要横穿一条八车道道路的困难,由企业投资,FIGG Engineering Group设计,建设了一座跨街天桥。

FIU大学桥在倒塌前的安装录像   视频地址 

而且,还有个背景,FIU在2010年起,就开始推广一种土木工程施工新技术,名为“桥梁加速施工法”(Accelerated Bridge Construction, 简称为ABC施工法)。近水楼台先得月,于是在这座造价1420万美元的人行天桥中就采用了这项技术——由于天桥主梁960吨、跨度174英尺(约53米),因此成为美国规模最大的人行天桥,并且是ABC技术得以惊艳亮相的“形象工程”——就在3月10日,桥梁的设计单位还在公开场合表明这是一项技术上非常先进的工程。这座桥梁预计在2019年完工,设计寿命100年。

The Miami Herald via AP, FILE 拍摄于2018年3月10日凌晨,主梁正在进行整体安装

然而一切来的太突然,3月14日下午1:30(美国时间),刚刚架设到桥墩上不久的主梁正在进行应力测试,突然垮塌。据目击者称,是从梁的一端开始坍塌,并最终全部主梁跌落到路面,将8辆正在等红灯的汽车压在了下面,死亡6人。

DroneBase via AP 拍摄于2018年3月15日
Joe Raedle/Getty Images 拍摄于2018年3月15日,救援现场,搜救犬正在寻找幸存者

这种程度的事故,在世界上哪个国家看来,都是不可接受的。

于是,特朗普总统发来慰问并允诺给予联邦财政资金支持,桥梁的建设参与者可能面临刑事指控,项目投资管理方可能会面临巨额赔偿甚至有破产风险,备受瞩目的ABC施工法也可能面临被调查的命运。

事故原因尚待调查

官方组织专家组进驻一线,调查事故原因,在详细报告出来前不透露任何信息。媒体则引领公众视线,寻找诸如“在桥梁坍塌之前就发现梁端有裂缝”(据说针对裂缝的安全性评估,还特别召开了一次两小时的专家会,结论是裂缝对结构整体受力无影响)、“由于某些拉索松动,坍塌时工人正在进行对拉索进行张拉”等蛛丝马迹。不过还是专家组组长Robert Accetta说的明确,他指出对于这种与以往不同的施工方式,导致施工期间结构的体系变换比较特殊,还需要仔细论证,包括对图纸、计算文件等细致检查。

就目前掌握的图像和视频资料看来,桥梁的这几个结构特点,或许也会是导致此次事故的重要线索:

图片来源:华盛顿邮报网站

主梁的双层混凝土结构

从上面的照片可以看出,主跨主梁是双层混凝土结构,两层混凝土中间用单层结构钢连接。从受力来看,下层混凝土是真正承受荷载的主梁:

  1. 主梁两端由桥墩上方的桥梁支座提供支座反力,还要承受钢结构和上层混凝土的自重;
  2. 钢结构用来实现支撑上层混凝土板的功能;
  3. 上层混凝土板截面小,主要用来作为人行桥的遮阳板,不承受荷载——考虑到不参与受力的混凝土构件自重将会是结构体系中的不利因素,因此猜测其采用的是轻质混凝土。(为什么不用更轻的合金板呢?是考虑造价的因素?)

独特的施工方式与体系转换

从前面的图中可以看出,倒塌的这座人行桥是斜拉桥。

斜拉桥通常的施工顺序,是先做桥墩桥塔,然后对称浇筑或安装主梁,在主梁自主承载之前安装斜拉索,使主梁始终处于全截面受压的状态。

然而FIU大学桥显然不是,在这个项目中采用的装配方案却反其道而行之,是“先梁后塔”,也就是说原本在使用阶段需要全截面受压的主梁,在施工期间变成了受弯构件——然而要知道以受压为主的斜拉桥主梁梁高通常小于以受弯为主的梁桥主梁梁高。通过图片也可看出FIU大学桥的主梁梁高很小,给主梁在施工过程中预留的抗弯承载力储备并不多,这应当也是和美国精细化施工水平高有关系,所谓艺高人胆大。

应力测试可能是关键

ABCNews的报道中提到;

Florida Sen. Marco Rubio, R-Fla., tweeted Thursday that the cables that suspended the bridge “had loosened & the engineering firm ordered that they be tightened. They were being tightened when it collapsed.”

从现场的照片和视频可见,当时正在进行的应力测试,桥面上没有见到如沙袋等加载设施,那应该就是采用拉索进行加载的——当对拉索进行调整的时候,突然垮塌。

再结合下面的这段由行车记录仪上拍摄下来的桥梁倒塌全过程:

视频地址

这是承载力极限破坏啊,而且还是主梁突然断裂,甚至钢筋都没起到应有的作用,很反常。现代桥梁设计中是不允许结构突然垮塌的,即便是垮塌也是要缓慢进行,为的是给周边行人、车辆尽可能多的反应时间,就像下面的这个钢筋混凝土梁受剪破坏实验中体现出来的,结构从裂缝到出现较大形变,再到截面完全失效,要是能多出来几十秒,或许就不至于造成FIU大学桥这么大的伤亡。

细思极恐!如果只是轻微调整拉索拉力的话,至于产生这么大的影响么?难道出现了计算失误,导致施加的荷载远远超过其极限承载力?

如此的破坏,可能意味着FIU大学桥的主梁在安装之初,可能就是“病梁”。

视频地址

但还是那句话,猜测只是猜测,究竟真相如何,还是要等待专家组的事故鉴定报告。

【Update 2018.3.23】  新增:国内外专家对FIU人行桥的事故分析

舆论漩涡中的ABC施工法

ABC施工法,Accelerated Bridge Construction,顾名思义,其要义就是在保证桥梁质量的前提下,提高桥梁施工速度的一种施工方法。

如果来开开脑洞,想一下“如何加快桥梁工程施工速度”这个问题,有哪些实现路径呢?

1.延长工作时间。人海战术绝对是可以有效解决问题的方法之一,这种方法的实质是充分利用时间,所谓“歇人不歇工”,让施工机械设备昼夜不停地进行生产工作,这是最容易想到的方法。当然将来人工智能技术发达了,可能工地就全让机器人给“劳务分包”了,比人工费用和承担的风险相比更划算,而且还能保证24小时持续稳定工作。

2.优化施工管理。施工最怕窝工,尤其是在工程项目各个分项工程之间的配合之间出现纰漏,导致工程衔接不上,真是着急干瞪眼。于是细扣施工流程,以前是甘特图,现在是基于BIM的施工组织设计,都是把那些“耽误不起的功夫”找回来。

3.提高时间利用率。无论是加班加点还是把施工流程管理做得非常精细,都必须按照先桥墩后主梁的施工顺序,以及难免在混凝土桥梁建设中,遇到等待混凝土需要一定养护时间的问题。那是否可以在建设桥墩的同时,就直接在地面上把各跨主梁都制作完成呢——这就是装配式结构的优点了

然而“装配式”可不是一个新概念,只不过十几年前由于技术所限,其结构整体性的确深受诟病,甚至还一度处在濒临淘汰的边缘。然而近年来,随着施工技术的进步,装配式结构在提高构件质量。

ABC施工法是在传统装配式施工的基础上,将桥梁结构进一步部件化,实现桥面构件、梁构件、桥墩构件、桥台构件和其他构件等几部分的分别同时异地施工,再利用科学管理方法和物流工艺实现“化零为整”,像搭积木一样将其拼装到一起。这种方法由佛罗里达国际大学牵头建立的合作研究已经开展多年,并且已经有了许多工程案例,只不过这一次是在学校门口使用新技术,显得更加尴尬。例如CNN报道的题目,佛罗里达大学使用他们的节约时间技术建造了倒塌的桥梁:

然而技术无罪,虽然公众很容易把工程事故与新技术的不确定性联系在一起,虽然这次事故可能会为未来ABC施工法的进一步推广带来阻力,但这种施工方法降低了工人、车辆和行人的潜在风险,减少了交通中断,提高了施工效率,的确代表了桥梁施工技术的发展方向。

对此,ASCE(美国土木工程学会)的前主席Andrew W. Herrmann站出来说话了:

视频地址

他的观点很明确:

  1. ABC施工法实现了场地外施工、场地内组装,加快了施工进度、减少了对交通的影响,对交通参与者来说更安全,这都是实实在在的优点;
  2. 任何一种施工方法都必须是经过严格论证的,工程的设计、施工中面临的荷载、支撑条件下充分可控并确保安全;
  3. ABC施工法已经应用了许多年, 是一种可靠的施工方法;
  4. 对于特定的桥梁施工项目,由于不同的施工阶段划分,或许将导致结构应力出现不利的情况;
  5. 对于FIU大学桥的倒塌,调查的主要方向就是考察其在施工期间的应力是否超限。

关于ABC施工法,推荐一段介绍视频,将其主要的特点进行了详细的梳理:

视频地址

要了解更多的技术细节,还可以参考官方手册,

关于ABC的具体技术细节,参考美国联邦高速公路管理局的官方手册,也可以直接点击下载:

最后说几点看法吧

对于ABC施工法,能够想到的一点点改进(建议),便是可否将应力测试(The stress test)放在构件现场安装之前完成呢?因为在结构形成体系之前,对单独的构件进行加载测试是很危险的。由于ABC施工法的装配式理念,构件是在场地外制作的,那么如果直接在制作场地内进行加载,就不会造成FIU大学桥这样严重的伤亡。

千万不要低估了荷载试验的风险,典型如2006年12月10日北京顺义区卧龙环岛北侧,由清华大学结构工程测试中心负责的景观悬索步行桥在进行荷载试验时发生坍塌,一名司机骨折,两名检测人员受轻伤,现场照片如图:

照片来源

桥梁是道路的重要节点,无论是公路桥、铁路桥、城市桥梁,还是人行桥、景观桥,一旦出现安全事故,都可能造成重大人员伤亡。因此在勘察、科研、设计、施工、监控、监测等各个环节,都需要非常细致准确地做出合理判断,对结构的状态有十足的掌握。每一个施工决策、每一处图纸变更,都是众多工程师商议的结果,这也是为了最大限度地降低人为失误。

然而,有时候即便做出了万全的打算,垮塌还是会不约而至。有些是人为因素,有些则是人类的知识准备不足。

很久以前,记得在知乎上见到有位同行讲如今桥梁专业已经没什么大的科研突破,“该做的前人已经都做过了”,未来的学术圈可能越来越窄。

我觉得似乎不尽然,桥梁工程是一个“实践先行”的专业,虽然如今已经建成了好多超级工程,但在建设过程中依然存在尚待完善的诸多细节——细节虽小,人命关天,好多小研究,还是值得一做的。

 

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