西奥多库珀_魁北克大桥失事记

第14卷第4期1997年11月
工 程 力 学
EN G I N EER I N G　M ECHAN I CS
V o l.14N o.4
N ov.　1997
西奥多 库珀——魁北克大桥失事记3
3本文收稿日期:1997年6月
李著王景
(清华大学土木系,北京100084)
1907年8月29日,在加拿大圣劳伦斯河上,魁北克大桥正在施工。

这是一座钢悬臂桥,主跨长达1800英尺(548.6m),是当时世界上最长的桥跨。

两端的锚跨结构(各长500英尺即152.4m)已完工,两悬臂跨各长562.5英尺(171.45m)也已完工,中间的悬吊跨也正在组装并已向河中伸出600英尺(182.9m)。

当时正是下午五点半,收工哨声已响过,工人们正在桁架上向岸边走去。

突然一声巨响,犹如放炮一般,南端锚跨的两根下弦杆突然被压屈,并牵动了整个南端的结构。

其结果是南端的整个锚跨及悬臂跨,以及已部分完工的中间悬吊跨,共重一万九千吨的钢材垮了下来。

由于那里的河水很深,可以行驶远洋邮轮,落入河中的桥身迅即无影无踪,只留下靠近岸边的已被扭曲的部分锚跨桥身和水中漂浮着的一些木板说明刚刚出了大事故。

当时在桥上工作的86个人中只有11人获救。

据目击者说桥身“就像是一根底部迅速融化的冰柱”般的坍塌下来。

这个事故在桥梁史上是场影响深远的灾难。

虽然整个事故的过程才15秒钟,但根子早在好几年前就种了下来。

故事要从1887年说起。

那一年加拿大成立了魁北克桥梁公司并获批准于3年内在圣劳伦斯河上造一座铁路车辆两用桥。

1897年时,这项批准已延期了3次,并且最后一次将于1905年到期。

总工程师霍尔(E.A.Hoare)于是就写信给美国宾州(Penn sylvan ia)的凤凰桥梁公司(Phoen ix B ridge Com p any),请他们在当年六月参加在魁北克举行的美国土木工程师学会年会的工程师顺便造访他一次,讨论魁北克大桥的工程项目。

参加这次讨论的有凤凰公司的总工程师丁斯(John Sterling D ean s)及美国最杰出的桥梁工程师西奥多.库珀(T heodo re Coop er)。

库珀于1839年出生于纽约州。

1858年他19岁时毕业于润斯来尔理工学院(R en sselaer
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In stitu te)土木系,比后来建造布鲁克林大桥的华盛顿.茹布林低一班。

他于1861年参加了海军,在内战的最后三年里在一艘军舰上当助理工程师,随后又到海军院校内任教。

1872年7月,他从海军退役,受聘于伊兹船长(Jam es Eads),监理圣路易大桥的钢结构构件的制造。

伊兹很欣赏库珀的才能和勤奋,提升库珀负责大桥上部结构的组装工作。

这其间发生一件值得一记的事:
1874年1月19日,库珀吃惊地发现大桥第一跨已合龙的管状拱肋有两处出现断裂。

库珀发加急电报(当时最快捷的通讯方式)报告在纽约的伊兹。

伊兹于当天午夜收到电报后,将处理指示也通过电报告诉库珀。

库珀及时地进行了处理并避免了一场灾难。

这件事所以值得一记是因为35年后在另一场类似的事件中,库珀却未能得到像他为伊兹所提供那样的及时服务。

1874年,圣路易大桥完工后,库珀的名声也树立起来了,很多单位邀请他去工作。

1879年,他在纽约成立了他自己独立的顾问工程师事务所,承接了很多重要的铁路桥梁工程项目。

他还在美国土木工程师学会的年会上和学报上发表大量的著作,并两次以他的论文获得学会的诺曼奖章(N o rm an M edal),还一度出任学会的主席。

他在铁路桥梁设计上的一项影响深远的贡献就是将铁路荷载概括为代表机车的一系列固定间距的集中轮压和代表列车的均布荷载,即所谓库珀E制荷载(Coop er′s E-L oading)。

这对影响线的使用提供了便利。

这在当时铁路荷载日益加重而常须对很多旧桥进行复核时是很有用的。

库珀还发表了大量的图表以简化铁路桥梁桁架的内力分析,这些图表一直应用到本世纪中。

1897年库珀参加魁北克大桥项目讨论时,他已是美国铁路桥梁方面的权威,他的事业正如日中天。

但遗憾的是,他还未能像他的前辈伊兹和茹布林那样主持过一座历史性的杰作,因此魁北克大桥对他有不可抗拒的吸引力。

他那时已将近60岁,健康又不佳。

他要把魁北克大桥作为他最后一个作品,为他光辉的事业画个圆满的句号。

因此一周后他向霍尔表示他对主持大桥的设计和建造有兴趣。

由于魁北克桥梁公司自己的总工程师霍尔没有300英尺以上跨度桥梁的经验,所以也欢迎库珀来主持工程。

但由于公司在资金方面有困难,所以动作缓慢,直到两年后才和库珀建立了正式的合作关系。

第一件事就是请库珀审查所有的设计投标,并请他在审查时考虑到公司在财务上的困难。

1899年6月,库珀将他的结论上报公司:“...我的结论是,凤凰桥梁公司的悬臂桥方案是最好并且最便宜的方案。

...”
这里“最好最便宜”几个字说明,虽然有关的各方面都没有明确地将成本的考虑放在安全之上,但明显的是大桥一开始就背上了双重包袱:它自身要承担的荷重和公司的财务困难。

1900年6月,库珀被正式任命为建桥期间公司的顾问工程师,他终于成为一座历史性工程项目的主持人。

他行使他的权力的第一件事就是对河床进一步勘探以确定桥墩的最终位置。

在对勘探结果研究之后,库珀建议将原先1600英尺(487.7m)的主跨加大到1800英尺,这样桥墩基础可以较浅,并且可以避开主航道上春季的浮冰,不但可以降低成本,还可以将工期缩短至少一年。

当然这也使魁北克大桥成为当时世界上跨度最大的桥。

在此之前,世界上最长桥跨为苏格兰弗斯湾(F irth of Fo rth)上的大桥,也是悬臂结构,两个主跨各长1700英尺。

为了降低上部结构由于跨度加大所增加的成本,他又推荐另一项重要改动:提高技术规定中钢材的许可应力。

由于他的声望,他的建议在魁北克几乎被作为当然的事情而批准。

在以后的三年中,一方面桥墩基础在施工,但另一方面,由于魁北克方面资金不到位,凤凰桥梁公司不愿冒风险缔结进行技术设计的合同。

因此对于1800英尺的大跨和提高许可应力后可能会带来什么问题没有进行任何试验和研究。

显然凤凰桥梁公司不愿进行将来不能报销的试验研究,而魁北克公司又拿不出钱来。

这里的潜台词是“库珀的经验和权威足以保证这项工程的成功。

”
在这三年中,库珀到工地上去了三次。

他第三次去时已64岁,他以健康不佳为理由声明今后不再到魁北克来了而是在纽约的事务所里主持这座世界最长桥跨的施工。

他甚至提出辞去大桥顾问工程师的职务,但魁北克公司和凤凰公司都拒绝接受他的辞职,而他也没有坚持。

其实他健康固然不好,但还不是不能走动,每天还能从家里坐车去事务所。

真正的原因是他从来不认为顾问工程师有必要常去现场。

他认为去现场只起渲染气氛的作用。

从他早期从事工程顾问时起他就坚持在合同中写上到现场的次数每个月不超过五天。

1903年,加拿大政府立项修筑穿越美洲大陆的铁路,魁北克大桥成为其中必要的环节,这样一来,政府的资助有了保证。

1908年是魁北克300年纪念,政府希望大桥能在这节日前通车。

因此不但保证发行670万美元的公债来造桥,并且还催促设计加速进行。

这样,在浪费了三年的时间后,凤凰和魁北克公司才开始讨论签定技术设计的合同。

库珀的技术规定呈递给加拿大政府的铁路运河部去报批。

部里的总工程师施瑞柏(C .Sch reiber )建议由部里再请一位顾问工程师来独立复审经库珀审查后的报批施工图以决定是否批准或要求进一步修改。

库珀得知此事后很生气,写信给霍尔说“....这种安排把我放在一个下级的地位,这是我决不能接受的....”。

两周后,库珀到渥太华去和施瑞柏交涉。

结果是部里决定“....只要设计符合技术规定,顾问工程师的意见应被接受。

....”。

因此,虽然图纸仍由库珀呈送施瑞柏报批,但施瑞柏的审批签名却只等于是橡皮图章。

不管库珀一开始是否有此意图,此时他事实上已取得对大桥工程的绝对权威了。

因为库珀不打算再到现场来,而凤凰公司负责设计大桥上部结构的工程师是彼得.施拉普卡(P .Szlap ka ),一位在德国训练的工程师,已在凤凰公司工作了二十多年,曾设计过好几个重要项目,库珀虽是有名的挑剔,但对施拉普卡却很信任,对自己不能亲自深入研究的事都愿接受施拉普卡的意见。

但施拉普卡是一位“图板工程师”,对钢结构组装并无经验,即使去工地也未必能做出判断来。

于是库珀在魁北克安插了一位新近毕业的年轻工程师做他的耳目。

这年轻人名叫诺曼.麦克琉尔(N o rm an M c L u re ),普林斯顿大学1904年毕业生。

他的智慧、勤奋、和忠诚都令库珀满意,他曾受过很好的训练,他的工程技术能力足以胜任将现场的情况准确地汇报给库珀并将库珀的指示在工地上准确地执行。

但他缺少经验,并在工地上没什么权威。

其结果是世界上最大跨的桥梁在工地上的日常工作是由一群对此毫无准备的人在进行着,工地上没一个人对工程有足够的了解可以采取权威的决策,每件重要的事都得请示远在纽约的库珀。

这里牵涉到的人物已很多,最好将他们的关系弄清楚:
1、魁北克桥梁公司是大桥的业主,总工程师是霍尔,并负责工地上的监理工作;
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2、凤凰桥梁公司是大桥设计、制造、施工的承包者,总工程师是丁斯,施拉普卡是设计主持人;
3、库珀是魁北克公司聘用的顾问工程师,虽不能对设计和施工直接下命令,但对设计和施工有审批决策的权威;
4、施瑞柏是加拿大政府铁路运河部的总工程师,名义上对大桥的图纸有最后审批的权力;
5、麦克琉尔是在库珀要求下魁北克公司请来负责工地与库珀之间联系的青年工程师。

凤凰公司在设计大桥时用的恒载是凭经验估计的自重。

但对这样一座规模没有先例的结构经验是不足为凭的,应进行反复核算。

最好的时机是1900到1903年间等待的空闲时间,但这段时间已被耽误过去了。

1905年年初,南端锚跨结构施工图已基本作完,这时有条件可以把自重算到十分精确的程度,理应进行复算,但凤凰公司赶着出图,没有做这件要紧事,库珀也没有叮嘱他们去做。

这是一件致命的重大疏忽,对此库珀和凤凰公司都有责任。

上部结构的组装开始时很顺利,发生的一些小麻烦也不严重。

潜在严重问题的迹像首先出现于1906年。

2月1日,凤凰公司的材料监督员向库珀报告大桥所用的钢料远远超出原估计用量。

库珀估计这会使桁架应力增加7%至10%。

此时南端锚跨及部分悬臂跨的杆件已加工完毕,南锚跨已组装了六个节间。

库珀决定这些应力增量是可以接受的并允许继续施工。

其实此时唯一的另外选择就是完全从头重新开始了。

1907年6月15日,对大桥的实际自重计算的耽搁终于在大桥本身上显示出来了。

麦克琉尔注意到在铆接南锚跨的下弦杆的拼接板时,两个中间肋板的拼接面不吻合。

他向库珀汇报说:“....迄今为止,这样的事已发生四次了,我们用了两台75吨千斤顶才把肋板对齐一些,但也不能完全对直...”
当悬臂跨向河中间伸出越来越远时,后面悬臂下弦杆受压越严重。

在开始吊装中间悬吊跨时,桁架已向河中间伸出600英尺。

8月6日,麦克琉尔向库珀汇报南悬臂跨的72L及82L (第7第8节间左侧)下弦杆出现弯曲。

8月12日,他又汇报82L及92L下弦杆的拼接板也弯了。

库珀开始担心起来。

但凤凰公司的总工程师丁斯坚持认为72L及82L弦杆在出厂时就有些弯曲,而麦克琉尔则坚持是在安装后才出现弯曲的。

大半个8月就在这争议中过去,而工程照常进行,下弦杆的应力也继续的增长上去。

8月20日,82R、92R、及102R(8、9、10节间右侧)的下弦杆出现变形。

8月23日52R及62R弦杆间的节点出现了半英寸(12.7mm)的偏离,同时82R弦杆的弯曲加大。

显然这座桥在人们眼皮底下慢慢地垮下来了!然而,没有人,包括库珀在内,虽然他对凤凰公司漠不关心的态度很不以为然,充分意识到问题的严重性。

8月27日,问题应该是明白无误的了:一周前南锚跨92L弦杆的弯曲度为偏离直线3 4英寸(19mm),而现在则偏离了9 4英寸(57.2mm)。

麦克琉尔当即写信给库珀报告此事。

如果他更有经验的话,他应该用加急电报,正如多少年前年轻的库珀曾半夜三更给伊兹打电报一样。

92L弦杆的消息散布开来之后,大桥上下都为之忧心忡忡。

当天下午,凤凰公司在桥上的总工长彦塞尔(..)决定暂停施工。

他说他得考虑他自己和他手下人的性命!
次日一早,他又改变了主意,命令工人上桥继续工作。

魁北克公司的霍尔批准了他的决定,甚至有迹象是霍尔要求他这么做的;霍尔没看出有什么危险,并且他怕一停工就要等到明年才能再开工了。

8月28日,桥上一片恐惧气氛,而负责人则由于出现权威真空而处于瘫痪状态,魁北克公司在此项目上的负责工程师霍尔由于技术上不胜任而不能下命令。

讨论半天后决定派麦克琉尔回纽约向库珀当面汇报。

8月29日早上11:30,库珀到他曼哈顿的事务所时,发现麦克琉尔已在那里等他。

这时麦克琉尔8月27日从魁北克发出的信也到了。

库珀看了信并和麦克琉尔简短地讨论之后,在中午草了一封电报给凤凰公司:“在问题仔细考虑清楚之前停止在桥上再加重量”。

库珀根据麦克琉尔的信以为施工在两天前已经停止了,而没有意识到施工又已恢复。

麦克琉尔在急于赶火车去凤凰公司时,又没有像他对库珀所承诺的那样将库珀的决定电告魁北克。

因此整个下午魁北克的工程继续进行着。

事后看来,如果库珀的决定能及时到达魁北克,虽然未必还能挽救大桥,肯定可以挽救不少生命。

下午3:00,库珀的电报到了凤凰公司。

丁斯看了电报后没有理睬,工人继续留在桥上。

5:00时,麦克琉尔到了凤凰公司,见了丁斯和施拉普卡,决定次日一早再碰头,那时凤凰公司在魁北克的现场工程师会有信来证明这些弦杆在离厂时就已弯曲但还可用。

几乎就在他们散会的同时,南端锚跨的92L 及92R 弦杆被压屈,魁北克大桥垮了!
事故后,加拿大政府组织了一个委员会进行调查。

调查过程中,委员会对库珀还是很照顾,到纽约他的住宅来向他取证,并给他充分的时间书面作证。

但是在半年之后向政府提供的调查结论是明确无误的。

调查报告中,丁斯由于他在事故前几周内的严重判断失误受到谴责,魁北克公司也由于任命不胜任的霍尔为现场负责工程师受到批评,但事故的主要责任者是库珀和施拉普卡,因为事故是由于弦杆受压失稳引起的,而弦杆受压失稳是由于自重估计过低所致(事后计算实际自重超出估算自重20%而不是原先以为的7%至10%)。

是施拉普卡设计的这些弦杆,是库珀批准的这些设计。

加拿大政府不甘心失败,又在原桥墩上建造了第二座魁北克大桥。

正如每次结构失事后一样,纠正措施往往矫枉过正。

新桥的上部结构重量是旧桥的两倍半,显得傻大黑粗。

受压下弦杆的截面由4片厚141mm ,深2219mm 的肋板构成,所形成的三个空腔每一个都能富余地容纳一个壮汉站在里面。

新桥施工时,中间的640英尺(195m )长的悬吊跨在岸上组装好浮到河中央再吊装到悬臂跨的端部。

但在吊装时又出了事故,整个5200吨重的悬吊跨落到水中而损失掉。

加拿大不得不再组装一个悬吊跨,改进了吊装设施后将之吊装就位。

新桥于1917年通车。

魁北克大桥的失事对结构工程的发展有重大深远的影响。

原来在大跨桥梁的结构体系选择上悬索体系和悬臂体系不相上下,在铁路桥梁上,悬臂体系由于刚度较好还略占优势。

在魁北克大桥两次事故后,体系选择的天平倾向于悬索体系,形成以后数十年悬索桥的飞速发展,而悬臂桥则停滞不前。

魁北克大桥至今仍是世界上跨度最大的悬臂桥。

魁北克大桥失事的另一个影响是促进了对压杆,特别是用格条缀合起来的组合压杆的3
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稳定研究。

因为显然当时对格缀压杆的稳定性能了解不够,事故中有些受压下弦杆的格缀还没有全部铆上去。

从这个意义上,全体结构工程师都有责任,不能全怪某一个人,因为类似的事故也可能发生在任何一个设计者身上。

即使魁北克桥侥幸不出事,以后别的结构也会出事。

事后的科研填补了这个空白。

库珀的事业随着大桥的倒塌而终结。

他在这事故的阴影中过了他的余生,于1919年80岁时逝世于纽约家中。

图1
　魁北克大桥南臂在倒塌前的施工情景
图2　大桥倒塌后的情景441
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