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3 施工期间的故障

3.2桁架桥中压缩构件的弯曲

在案例3.6、3.7、3.16、3.21和3.26中出现的故障是由于这种形式的不稳定性造成的。1892年在塞尔维亚Ljubicevo附近的Morava河(Case 3.16)上的铁路桥故障(图3.2)就是一个典型的例子。

图3.2莫拉瓦桥，Ljubicevo 1892，案例3.16

由于杆件屈曲造成的最重大失败是1907年魁北克附近圣劳伦斯悬臂桥倒塌（案例3.21）。这个案例在工程文献中一遍又一遍地被检查和讨论过，其中包括：x A. Walzel [17，pp。28-38]

1909年，他描述了桥梁的历史和第一次倒塌，给出了其设计的最重要细节（图3.3），成本，施工时间顺序，客户，参与的工程师，首席设计师负责人和参与的承包商，并指出，中等跨度550米的桥梁将成为世界上最长的桥梁。

图3.3魁北克附近的圣劳伦斯河大桥。主梁系统。 1907年，案例3.21

他描绘了人类的缺陷，包括设计师的虚荣心，这些设计师的虚荣心驱使他们创造出一座跨度中等的桥梁，超过了福斯桥的27米。从未踏足过施工场地的年老总工程师，因为支付给他的费用较低而乐意在没有助手的情况下工作。他的考虑是相对武断的，例如他通过负荷假设，考虑屈曲问题来调整安全系数，最终得到允许的应力。负责图纸的工程师Szlapka几十年来一直没有见过建筑工地，只在办公室工作过。此外，现场的主要施工人员不是技术员。 瓦尔泽总结了由于决策者缺乏胜任能力，缺乏权威人士，没有明确规定职责和缺乏协调的体系（参考首席设计师）所造成的问题：“在很多方面，我们在这里有一个类似军事指挥官的画面，一个年老，但仍然有能力且精力充沛的人，虽然离战场很远，但他试图指挥他的部队，尽管现代有电报和电话等，他最终还是失败了，因为他无法在关键时刻介入。”

它的技术意义在于，只有受拉构件可以通过销钉和吊环螺栓连接灵活地连接，而其他构件则是通过铆接用铆钉固定在一起。桁架在桥墩上方96米，并且达3米长和60厘米宽的巨大铰链销就可以让人知道该结构比例的不合理。

由于仍有可以通过皇家调查委员会的报告中引用他所引用的话来准确而完整地阅读《瓦尔泽尔的报告》，因此没有必要在这里重复这些话。从技术上来说，建造时的错误预估行为，弱网格化的压缩构件，大大低估了自重（仅为实际重量的80％）导致了崩溃。如果在“非常明显的警告标志”开始时采取了适当的行动，它仍然可以避免。但事实并非如此，因为工程师没有资格参加工作而导致现场混乱。Herzog [33，第17-22页]

赫尔佐格在1998年出版的著作大体上重复了瓦尔泽的结论，但进一步细述了弯曲的下弦杆部件的横截面（图3.4）。他的观点是：“四部分压缩构件尺寸不足的真正原因是桁架的错误设计，对此Szlapka还没有实验证明。”

x E. S. Ferguson [12，pp.171-175]

1992年，弗格森在“失败和其他惊喜”的标题下发表了关于他对圣劳伦斯大桥倒塌的观点。他引用工程新闻的报道：“对残骸进行长期仔细的检查表明，这种材料的质量非常好，工艺非常好”，但是因为这些构件比普通桥梁中使用的要大得多，所以他质疑了材料导致设计压缩构件的判断（图3.4）：“在普通建筑中，我们对普通的柱子做过多次实践，尝试了巨大、沉重、厚厚的钢柱，并且我们采用的是其他的条件相同。但我们是否就有实验的确认作为保证？除了理论之外，实际上这些结构几乎是未知的。我们知道材料的组成成分，但我们不知道复合材料的结构。”

令我惊讶的是，在所有这些出版物中似乎都缺少一个方面：压缩构件与其他构件的刚性连接会由于力矩而导致约束应力。在某些情况下，我们会忽略由这种效应产生的轴向应力，并将它们视为次应力而不需要保持平衡。 K.Klouml;ppel在[42]中给出了这种相关性的明确解释。然而，他并没有特别指出圣劳伦斯大桥倒塌的一个重要先决条件，即当负荷增加时，构件通过塑化而吸收弯矩的能力。根据欧洲规范3的分类，对于具有所谓紧凑型截面的构件，这是唯一的可能。图3.4中的横截面不能这样设计：约束压缩应力和轴向力引起的应力一起导致肋条的弯曲，其宽度/深度的比率约为1384/89=16.在边缘处，角度部分为203 x 89 x 23.8或203 x 152 x 3.8，即只有89 x23.8或152times;23.8的凸缘，几乎没有提供硬化效果。用于S235钢的紧凑型横截面， w / d比率16远高于极限值（w / d），约为 9（参见德国标准DIN 18 800/1，表18），根据瓦尔泽[17]的说法，与圣劳伦斯桥使用的钢相当。这就解释了上面所引用的“警告信号，应该已经采取了行动”，这是所有报告中提到的在带扣的压缩支撑中肋骨边缘的横向位移(约 50毫米)。由于小角度部分（102 x 76 x 9.5），这种考虑对17米长的压缩支柱A9影响不大。对于支柱的横截面（约0.5msup2;）而言，非常低的剪切强度在很大程度上具有恶化效应。

事实上约束应力是由于某些桁架构件连接的松动而引起的，尽管压缩构件的结构紧凑而非紧凑的横截面仍可被忽略，但在我看来，这却是圣劳伦斯桥灾难的主要原因。

图3.4魁北克附近的圣劳伦斯河大桥。 弯曲的下弦杆构件A9的横截面。 1907年，案例3.21

3.3钢桁架或梁的平面外的钢压缩支柱或弦的偏转 - 槽桥问题

在3.12、3.15、3.20和3.36中的桥梁故障就是这种不稳定性的结果。这个问题首先出现在有公路或铁路桥面的桁架桥上，在这个桥面上，头室不允许通过水平支撑的方式使顶部的和弦进行横向加强。它也发生在后来的桁架桥底部的弦和板梁桥的底部凸缘，由于各种原因，它们之间没有通过水平支撑连接。在德国凯泽斯劳滕附近的劳特巴赫山谷上空的桥梁（图3.5）在1954年（案例3.6）架设时倒塌了，这是一个典型的例子。以下信息来自我的讲师克洛佩佩教授在我的协助下所写的关于失败原因的官方调查报告。

战争期间，这座桥被炸毁了。从以前的两个相邻超结构的遗迹中提取了新的钢-混凝土组合超结构的主梁。全长272米，跨度5个跨度的结构如图3.5所示。预应力混凝土路面甲板宽11.1米，铺设在由S355（= St52）制成的两个3.2米高的I形铆接板梁上，相距6.8米，并用螺栓剪力螺栓固定。一个不寻常的特点是，军事占领当局在中间的跨度中指定了两个铰链，形成了一个36米的悬吊梁。

在1米高的横向桁架的下翼缘水平处安装了临时的K型支撑，其上部翼缘与主梁的上部翼缘齐平。这座桥没有其他的桁架支撑。横桁之间的距离，与“柱子”向下延伸至底部法兰的半框架的钢轨之间的距离，在原来的桥上是4米。在重建过程中，这座桥的东半部长度为8米，西半部为12米。(图3.5)。

在浇注混凝土前，必须将钢结构的上部结构提升380毫米，以便在混凝土上部结构被降低时可以将压缩预应力引入混凝土中(图3.5)。在事故发生前6周，悬吊跨度部分在被混凝土浇筑，并装上了约540t的压舱物，后来被移走，将压应力引入到周围的混凝土区域，在中心跨度的旁边支持墩C和D。

桥梁的东半部 - 朝曼海姆方向浇筑 - 在事故发生前7天完成。整个大桥已经关闭，钢筋加固在西半部分 - 在萨尔布吕肯方向。在塌方当天，混凝土开始从悬臂末端向C桥墩施工。当悬跨坍塌时，6米长的桥梁已经浇筑完成。然后，已经凝固的悬吊部分连同其压载物从铰链轴承滑落并下降35米至地面。崩溃是由部分原因引起的：主梁直接位于从191/2到221/2之间的交叉梁之间，向南与主梁平面呈直角(图3.6)。崩溃后悬索桥的这一部分的主梁部分显示出塑性屈曲性。在南向临时支撑以下600至700毫米，顶部的法兰在纵轴上轻微弯曲。

底部凸缘的塑性变形在平面上呈弓形，导致悬臂的西移（由于桥的西部由起重装置在桥墩B上而受到拉紧），对应于差异假设弓形为二次抛物线，则该变形约为的弓与弦之间的距离。 Dl z 8/3 · f2/l z 8/3 · 702/1100 = 12 厘米，但由于在坍塌过程中附加的弹性成分，其实际上至少有15厘米。其他的影响，增加了这个值，在这一点上不需要讨论。总而言之，可以指出，悬臂末端的位移将两个铰链轴承从悬跨中分离出来，使其下落。

图3.5凯泽斯劳滕附近的劳特巴赫高速公路桥。 系统和建筑程序。 1954年，案例3.36

图3.6靠近Kaisers-lautern的Lauterbach高速公路桥，侧向弯曲的底部翼缘（向东看B-C跨度）。 1954年，案例3.36

下法兰侧移的原因是整个下翼缘的密集压应力(图3.5)，由轴承B的提升作用引起，而悬臂的集中载荷是由悬跨和悬臂上的点载荷引起的。在结构分析中，这种加载情况没有被研究，尽管它对于大部分结构的尺寸决定是决定性的。即使是一个基本的“应力校核”，也必然会导致承重结构的加强。勘察是专家报告中的一部分，该报告是由于主要的盖尔-德斯倾覆和主梁下段的侧向扭转屈曲导致的由于点支承的压缩凸缘的偏差而导致的失稳问题的一部分。桥梁坍塌时的安全系数约为1。

克洛佩尔教授在其报告中说：“事实的原因是，桥梁的失效属于疏忽引起的事故范畴，忽略了对结构安全的本质计算，也就是说，在最广泛的意义上通过了错误的计算。因此，这不是一个意外事件，它给了我们新的科学刺激，甚至是洞察力，使之成为钢结构史上的一个里程碑，但不幸的是，这是一个完全不算问题且容易避免的事件。因此，从这一事件中汲取教训的是在其他领域，而不是工程科学。” - 这一现象在第12.3.3.1节中讨论。

3.4箱形梁钢桥破坏

案件3.47,3.49,3.51,3.53和3.58属于这一类。它们是箱梁的应用快速增长的例子，包括钢和预应力混凝土，在十九世纪60年代末，全世界都是大型桥梁。焊接技术的进步使钢构件结合箱梁的扭转刚度得到了经济的应用，并结合了其美观和维护的优点。偏心荷载很大程度上被两个主梁的墙体吸收，因而可以建造只悬在中间的斜拉桥。在梯形箱梁中，由于桥墩宽度较宽，桥面宽窄，因此在梯形箱梁中优势更明显。

箱梁的法兰在宽多为纵向加筋时的受力是一种新的受力形式。屈曲理论是在当时的实践规范中发展起来的，但它案例太少，甚至没有认识到后临界储备通常在腹板中，只适用于某些情况下的法兰，但在所有的缺陷上都是适用的，因此具有更大的意义。结果是，在大多数情况下，设计和构造的压缩和加肋凸缘比通常在桥梁建造中的故障概率小。

维也纳的第四多瑙河大桥和德国科布伦茨的莱茵河大桥（图3.7）都是加筋压缩法兰失效的典型实例。然而，必须从一开始就指出，尽管在加筋法兰的承载能力评估中的描述有所错误，但结构细节的缺陷始终是故障的主要原因。因此，K. Roik〔43〕正确地识别了维也纳（3.47）、米尔福德港（3.49）、墨尔本（3.51）和科布伦茨（3.53）桥梁事故发生的原因：“在所有情况下，主要原因在于构造详图的缺陷”。五起事件中的前四起，有时作为总结，向公众报道，比如[43]和[44]。由于这个原因，他们只是在这里简要描述，强调案件的一般方面。

大钢箱梁桥的一系列事故始于1969年的第4次。维也纳多瑙河大桥(案例3.47)。该桥的跨度为120米- 210米- 82米，没有倒塌，因为作为一个连续梁超过3跨，它保持其承载能力作为一个几乎静定的系统，即在两个屈曲区域的压缩底部法兰没有明显的弯曲。故障是由没有考虑到的温度作用所引发的，另外一个因素是关于静力重分布的过于简化的假设，这导致失效点处的应力未被估计。两个相邻的箱梁的大约7.5 m宽的压缩底部凸缘用580毫米扁平钢纵向加强肋在这里被加固（图3.8）。在两个凸起中的一个区域中，它们的横截面从在接合一侧的10毫米厚的底板上的160times;12变为另一个12 mm厚的底板上的200times;14。在另一个破坏点，12 mm的底板用200times;14加强筋和相邻的15 mm板200times;15加强筋加固。关节在图3.8a中示出，其中一个可以在照片3.8b的左侧看到。

在10毫米的底板区域，单跨具有约73%屈服应力的承载应力，W/D＝580，并且在整个跨度的破坏之前明显屈曲。图3.9显示了靠近主要损伤的单跨的屈曲。接头导致重心的位移约为1厘米。令人惊讶的是，据我所知，没有一项调查涉及到图3.8b左侧的切口。值R＝30毫米是从这张照片得到的，并且可能是准确的。切口削弱了较小的160times;12轮廓，并根据德国DIN 18 800/2标准301计算，给底板的有效面积约为413 x 10，约95％。这个由于截割和重力轴的位移而形成的局部弱点对应于破坏剖面(图3.10)，在接合点处有明显的褶皱。除此之外，W/D相对高达13左右的相对细长的扁平钢加强件已经通过焊接4-6 mm（44）而横向变形，这进一步限制了它们的强化效果（详见[44）]。

b)

图3.7箱梁的加劲，压缩法兰失效

a）1969年维也纳第四多瑙河大桥案例3.47

b）莱茵河大桥，科布伦茨。 1971年，案例3.53

奥地利桥失败9个月后，位于威尔士米尔福德港的克莱顿桥在架设过程中倒塌(案例3.49)。这座819米长的桥梁由77米 - 77米 - 77米--149米--213米--149米 - 77米的单跨组成，梯形箱梁高6.1米，顶宽12.5米，底部6.7米。道路桥面两侧突出，宽20.3米。在悬臂的安装过程中，第九单元被连接到一个已经伸出59米的区域，以到达第二个墩。当这17米长、重约100吨的截面被延长时，在第一个墩上的轴承的横向梁失效了。悬臂断裂并坠落到地面（根据[44]）。倒塌的原因是对大承重板承载能力的错误评估，并因此未能认识到其加劲板偏心的重要性，以及腹板倾斜引起的不寻常的力通量。结构严重不足的事实很明显地表明，在桥的后期使用寿命中，最高的支撑力比失败时高出55%。<!--

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