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运用故障树分析方法分析Schoharie小河桥梁垮塌事件Keary H. LeBeau, P.E., S.M.ASCE1; Sara J. Wadia-Fascetti, M.ASCE2

1作者联系方式：邮箱地址：klebeau@

摘要：美国已经发生了一些桥梁坍塌导致人员伤亡的事件。其中一个失败的例子就是什科哈里溪特大桥(1987年)，激发了对桥梁管理有关政策和程序的改善。本文运用事故树分析的方法对桥梁坍塌事件做了详细地审查。故障树是用图形描绘了各种导致恶果的故障的路径。它会将船舶碰撞到火灾等一系列灾难性的事件考虑进去。故障树还提供了定量评估和比较不同的失效机制。分析结果显示，在现实根源中冲刷是桥梁坍塌的根本原因。特别是在类似桥型的桥梁管理知识上，允许存在只专注关键环节的漏洞。对过去的桥坍塌事件的认识提醒着现在的做决策的桥梁工程师和管理人员，要促进公众的安全和结构的保护。吸取经验教训，有助于在未来避免类似的灾难性事件的发生。

CE数据库关键词：桥梁；故障；复原；坍塌

介绍

纵观历史，灾难性的桥梁坍塌事件已经发生，造成人类生命的损失，商业的中断，巨大的维修费用。桥梁是我们国家基础设施的重要环节，必须加以保护，以便为公众提供安全性和可维护性。桥梁的设计应不断提高，维护和复原方案应该保护这些宝贵的资产。对过去发生的桥梁坍塌事件的深入审查，为今天的结构工程师和桥梁管理者提供了宝贵的知识和见解。

本文是介绍使用故障树分析方法分析过去发生的Schoharie小河大桥坍塌事件。除了直观简化地将桥梁作为一个系统，故障树定性描述了导致故障发生的不同路径，对其逻辑关系进行对比分析。建立故障树并对其进行评估来替代故障场景。

故障树模型的桥梁垮塌

故障树提供了一种塑造复杂系统的方法(在这种情况下，该系统是一个桥)，考虑系统不同组成部分之间的相互作用，为建立系统水平的失效概率评价模型提供了一种方法(Sianipar 和Adams 1997；约翰逊1999)。它确定故障路径和关键要素，如桥墩基础。一个故障树的优点是它能够通过图形化描述和布尔代数推出桥梁系统相互的逻辑关系。这座桥可以塑造它的全部，包括元素的相互作用、冗余、恶化的机制，如腐蚀和疲劳，以及环境因素。表1提供了故障树中使用的符号解释。

对桥梁管理的需求和目标而言，关键故障的路径的知识是有用的。物理推理的桥梁设计师运用失效机理的相对重要的信息，能够提高恢复现在桥梁和未来的桥梁的设计。此外，对桥梁状况进行评估时，易出故障的元素对现场监察者来说是很重要的。故障树的状态评估信息也可以决定维修桥梁时的优先次序。

虽然Schoharie小河大桥坍塌事件发生的十分突然，但是桥梁灾难性的瞬间坍塌时没有办法的。下面应用故障树分析法分析Schoharie小河大桥的坍塌来说明事件的恶化，最终导

致坍塌的局面。

表1 故障树中使用的符号含义

Schoharie小河大桥

Schoharie小河大桥横跨Schoharie小河，位于纽约中央纽约州高速公路(I-90)，是莫霍克河的主要支流。该桥建于1953年到1955年，有五个简单的支撑跨度，总长度约540英尺(165米)。四车道的流量，每个方向有两个，在水上大约80英尺(24米)，如图1所示。

图1 Schoharie小河大桥的海拔示意图(WJE/ MRCE1987) 每个桥跨的上层建筑是由两个钢梁和地板梁系统组成，下部结构包括四个混凝土桥墩和两个桥墩。每个码头是由两列平行排列的梁连接在顶部。并列梁的底部深入到混凝土基座的上面(图2)。

大桥在使用三十二年后，在1987年4月5日的一场严重的洪水中桥梁发生了坍塌，10人丧生。由于冲刷导致了机制恶化，三号码头支撑失效；立足点周围的抛石没能有效防止河床的侵蚀，底座和基础断裂张力的不足，导致了码头的坍塌。跨度3和4紧接着坍塌，跨度2在几个小时内也发生坍塌。图3是桥梁坍塌的照片。

Schoharie小河大桥的故障树模型

本文的目的是演示如何使用故障树分析法分析桥梁坍塌事件。在设计阶段，建立一个事故树预测模型；换句话说，用事故树列出导致Schoharie小河大桥坍塌的一切可能的事件。故障树代表一个时间点，而这恰好是桥梁坍塌的时间，或者更具体的说就是Schoharie小河大桥使用32年的时间。总之，在设计阶段建立的这个事故树，推测在32年后桥梁会坍塌。

故障树先要假设已经根据设计和规格建造好了桥梁，还要假定该桥梁在使用的32年中没有进行过大规模的维修和任何检查或保养。目前，人们经常对桥梁进行，但是像Schoharie 小河大桥超过它的使用期限的，往往缺乏检查的标准，甚至是不存在的。在故障树中考虑到了这一点，并认为上述是最坏的情况。

建立故障树，其顶上事件是使用32年的Schoharie小河大桥的坍塌，如图4，在图5中进行了详细的介绍。每个故障树事件中必须描述该事件是什么，什么时候发生的(Haasl等，1981)。因此，对于这个事件，Schoharie小河大桥倒塌的是什么，具体地说，部分桥梁的坍塌导致无法通行。时间是32年，这是桥梁坍塌时桥梁的年龄。一旦确定了顶上事件，它就会认为是系统故障，促使着辨别导致其发生的原因。

图2 Schoharie小河大桥码头(WJE/MRCE 1987)

图3 坍塌的Schoharie小河大桥[图片来自斯克内克塔迪公报(1902)]

图4 Schoharie小河大桥坍塌事件的事故树：顶上事件和其层次结构示意图作为一个系统的桥梁主要是由下部结构支持的上层建筑。分析上层建筑的顶上事件，桥梁的坍塌可以详细地定义为上层建筑中每一个跨度的坍塌，如图4所示。这些都是组成上层建筑的每个起到简单支撑作用的跨度的坍塌事件。有五个具体的事件：使用32年的上层建筑跨度X的坍塌，其中X = 1到5，分别代表5个跨度，如图4所示。这些事件是独立的，基于一个合理的假设，每个跨度都是简单的而不是连续的。上层建筑事件或输入事件通过一个或门输出使用32年的Schoharie小河大桥坍塌事件。或门就是5个跨度中的任何一个发生坍塌时就会导致桥梁坍塌事件的发生。请注意，因果关系永远不会通过一个“或”门来表达，输入事件是有详细定义并且进行重新表达了的输出事件(Haasl等1981)。