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沥心沙大桥桥面被空载集装箱船只撞断,桥面结构怎么这么弱?
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2024/03/21
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事件聚焦
1、引言
今天凌晨(2月22日05时30分左右),一艘集装箱船空载从佛山南海开往广州南沙途中,航经洪奇沥水道时触碰沥心沙大桥桥墩,导致沥心沙大桥桥面断裂。伤亡情况暂时未知,但是根据媒体报道,有车辆(疑似一公交车)落水。事故原因也正在调查中。
央视新闻现场画面
从央视新闻的现场画面可以看到,桥面是“整段”掉落,端口显得有点“整齐”。当我们一眼看到这个画面时,首先想到的是不是这个船只超高了,由此把桥面撞断。央视最早的报道中,只是通报了这个撞断,但是并没有更多的关于如何撞断、撞到哪里的消息。
央视新闻最早的报道
从画面来看,这艘船只似乎并未超高,(更准确的信息,以官方调查为准)。即便是空载,船只吃水线较浅,在过桥时应该心中有数。后续的媒体报道是撞到了桥墩。从画面上也能看到,中间的桥墩明显发生了倾斜。
中间的桥墩歪了
那么问题来了,为何撞的是桥墩,桥墩没倒塌,桥面却发生了断裂?是桥墩太结实了,还是桥面太弱了?这样的桥面,我们能放心使用吗?
2、桥的结构与受力
这座沥心沙大桥结构较为简单,它不像那些大跨度的桥梁,需要利用拉索等柔性结构。其总长约780m,河宽约370m。整座桥梁采用的是较为传统的桥墩+桥面结构。简单来说,桥墩就类似一个立柱,而桥面则是横梁。
沥心沙大桥长度
桥墩桥面结构如下,桥墩竖立,主要承受桥面传过来的载荷,包括桥面自重和车流载荷,这类载荷均是向下的力,桥墩主要用于承压。横梁横卧于桥墩之上,主要用于承受车流载荷,同样它的主要受力也是向下的,垂直于桥面,桥面主要用于承弯。
桥墩桥面示意图
仔细观察这座桥,我们会发现桥墩明显不一样,桥面的厚度也明显不一样。显然,尺寸越大的地方越结实。但实际上,大尺寸的桥墩是21年加固后的结果。为了满足通航的要求,部分区域的跨距较大,跨距的加大,增加了桥面的弯曲载荷和桥墩的压缩载荷,因此桥面的一段厚度增加了,底下的桥墩(虽然被防撞挡住了)尺寸理论上也比普通桥墩更大一些。
主次桥墩与厚薄桥面
从外形上看,整个桥面似乎应该是一个整体。然而,无论是理论上,还是现实上,整体桥面都不可能。理论上,长长的桥面需经历春夏秋冬,温度的变化会引发桥面的热胀冷缩,桥面伸缩缝是必须要考虑的存在。实际施工也不可能整体上现浇筑700多米的路段。通过热胀冷缩的计算,在设计的范围之内,基本上可以确定每一段的长度。
桥面的简化模型
桥面与桥墩的连接,很多同学会认为是完全固定的,但其实并不是。由于桥面的受力特性,如果将桥面与桥墩完全固定死,不允许一点点的相对位移,一方面由于热证冷缩会给桥墩带来额外侧向力,另一方面桥面的厚度将会大大增加。所以,实际的桥面与桥墩的连接是铰链(简化力学模型):一侧固定铰链,另一侧滑动铰链。这样,桥面就是一个简支梁。
3、事故破坏分析
桥墩建造完成之后,桥面分段施工安装。在安装的过程中,桥墩与桥面的连接处,就采用一侧固定铰链,一侧滑动铰链的形式。对于一些普通的桥梁,桥面的两侧甚至都无需任何辅助的连接件,采用直接放置的形式,依靠桥面重力和两者间的摩擦力来固定桥面和桥墩。
桥墩桥面连接
正是这种桥墩、桥面连接方式,导致事故大桥断面相对平整。大船撞到普通桥墩后,普通桥墩发生倾斜。由于桥面与普通桥墩是直接放置,并未锁定,桥墩的倾斜相对容易,桥墩顶部在摩擦力作用下发生滑移。当滑出这个施工段时,路面失去支撑,仅靠钢筋、缆索无法维持,在重力作用下就发生了整段塌陷。主桥墩右侧的悬空段,则由于固定铰链和左侧桥面的约束,保持了“悬臂梁”的姿态。
4、桥墩的防撞
沥心沙大桥前几年经历了的维修和加固。维修的是桥段箱梁,加固的是桥墩防撞。桥墩的加固中,仅对沥心沙大桥通航孔桥墩(16#、17#、18#、19#桥墩)加装附着式防撞设施,并非全部桥墩都做了加固措施。事故发生的撞击处,正是未加固的普通桥墩。
维修加固历史
桥墩最怕的就是侧向力。虽然桥墩底部有地基来约束桥墩,但是直接受撞,肯定或多或少会发生倾斜。通航段的主桥墩,加装防撞装置后,防撞性能得到了明显的提升。这里的防撞装置,其实并非让原桥墩坚不可摧,而是通过防撞装置在被撞后的破坏变形来吸收撞击能量,就像汽车的防撞梁一样。通过牺牲防撞装置来保护原始桥墩。研究表明:在一定的前提下(撞击能量在设计范围之内),保护效果良好。
防撞的学术研究
5、总结
船只撞到了普通桥墩,使之发生倾斜,其上的路面失去支撑在自重作用下发生坍塌。于是导致了这种相对“平整”的断面。至于为何发生碰撞,桥墩、桥面质量究竟如何,需要等待官方正式的调查结果。
[ 来源:力学Nerd王小胖 ]
编辑:张圣斌
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