大跨度钢桥中的疲劳与稳定问题(强士中)

第二届亚洲桥梁峰会
大跨度钢桥的疲劳与稳定问题
强士中 教授 任伟平 博士

内容提纲
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钢桥疲劳事故 钢桥稳定事故 大跨度钢桥疲劳研究热点及工程实例 大跨度钢桥稳定研究及工程实例 结论
大跨度钢桥疲劳与稳定问题

Î大跨度钢桥迅速发展
统计表明，我国已建成各类桥梁 32 万多座，其中特大型桥梁有七百多 座，这些桥梁中大部分为钢桥。下表给出了国内代表性的大跨度钢桥。
桥 名
重庆朝天门长江大桥 南京长江三桥 苏通长江大桥 舟山西堠门大桥 武汉天兴洲长江大桥
跨度（m） 建成年代 552 648 1088 1650 504 2008 2005 2007 2009 2009
特点 世界最大跨径 钢桁拱桥 我国首座大跨 钢塔斜拉桥 世界最大跨径 斜拉桥 我国最大跨径 悬索桥 世界最大跨径公 铁两用斜拉桥

Î钢桥疲劳问题突出
桥梁钢结构的疲劳问题正变的日趋严重：运营车辆总重加大（特别是超 载）；交通量增加；新的结构细节出现（疲劳性能未知）;桥梁寿命的增加。 上世纪60年代以来，许多钢桥都出现了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断 裂而酿成的灾难性事故也时有发生。根据美国土木工程学会疲劳与断裂分委 会的调查结果，80～90％的钢结构破坏均和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结 构失效的主要形式之一。下面列举几个钢桥疲劳破坏的典型案例： （1）1967年12月15日美国的Point Pleasant桥因眼杆钉孔处两条腐蚀疲劳裂 纹的脆断突然整桥倒塌，造成46人丧生，37辆车坠落河中。从此才引起了 研究人员对钢桥疲劳问题的重视。
Point Point Pleasant Pleasant桥倒塌前后 桥倒塌前后

（2）1994年10月21日早，韩国汉城的圣水大桥中央悬挂跨因疲劳破坏突然 断裂，其中 15m 掉入江中，造成六辆汽车掉入汉江，导致32人死亡，17人重 伤的重大事故，； （3）2001年11月7日清晨，我国宜宾金沙江桥的4对短吊杆由于腐蚀疲劳突 然断裂，局部桥面坠落江中；
韩国圣水河大桥倒塌前后 韩国圣水河大桥倒塌前后

（4）2007年8月1日，美国35号州际公路上的密西西比河大桥因腐蚀疲劳 而瞬时倒塌（上承式钢桁拱结合梁桥）。 从这些重大事故来看，目前世界各国的钢桥建设和管理者都面临着如何 更好解决钢桥疲劳问题的巨大挑战。 2006年由里海大学的Fisher教授发 起， 在美国费城召开了第一届钢结构疲劳国际会议。今年将举办第二次国际 会议，目的就是通过国际合作来更好的解决钢桥所面临的日趋严重的疲劳问 题。

Î钢桥稳定问题突出 稳定是桥梁钢结构的另一个重要研究课题。 下面是两起因压杆失稳而导致桥梁塌坍的严重事故。 （1）俄罗斯的克夫达(Kebfa)敞开式桥，于1875年因上 弦压杆侧向失稳而引起全桥破坏。
俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏 俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏

Î钢桥稳定问题突出
（2）加拿大魁北克(Quebec)钢桁架桥。该桥1907年8月29日清晨在 施工过程中因下弦失稳，导致悬臂跨坠入河中，当时桥上工作的86人中只 有11人幸免于难。 原因：悬臂伸出的由四部分分肢组成的格构式组合截面的南侧一下弦压 杆因所设置的角钢缀条过于柔细，在主跨悬臂已悬拼至接近完成时，挠度 的发展已经无法控制，分肢屈曲在先，随之弦杆整体失稳 。
加拿大魁北克 加拿大魁北克(Quebec) (Quebec)钢桁架桥 钢桁架桥

Î四座大型钢箱梁严重事故
1969年11月～1971年11月间，在欧洲不同地方相继发生了四起重大 钢箱梁失稳事故。
1、奥地利维也纳多瑙河4号桥
奥地利维也纳多瑙河4号桥(The Fourth Danube Bridge ）， 1969 年11月6日箱梁下翼缘由于施工时的恒载效应和温度效应叠加，所受压应力 过大，局部失稳，使梁损坏。

2、英国米尔福德港桥
英国米尔福德港桥（Milford Haven Bridge）为连续箱梁桥， 1970 年6月2日边跨（跨度为75.8m）在采用全伸臂安装过程中，当伸臂长度为 59.6m、用小车将前方梁段运往臂的前端时，伸臂根部位置处的支承横隔 板突然发生失稳，伸臂立即转动、下落，臂端撞击地面，臂的根则抵住桥 墩顶端，使墩身因受弯而开裂。

该桥的箱梁截面呈梯形，在恒载作用之下，斜腹板对横隔板也有水平压力，由于当时没有认识到此问题，导致横隔板在压力下失稳，这就引发了这一事故。

3、澳大利亚墨尔本西门桥（The West Gate Bridge）

1970年10月15日，澳大利亚墨尔本西门桥在架设拼拢整孔左右两半（截面）钢箱梁时，跨中上翼板突然失稳（图片），112 m的整跨倒塌，导致35人死亡，18人受伤。

事故直接原因：不应在跨中有正弯矩的情况下拆除该处的接头高强栓；间接原因：施工方案实施困难。在1970年，钢箱梁是一种新型结构；关于钢板件的承载力理论尚未形成。

4、德国科布伦茨桥（The Rhine Bridge）

1971年11月10日，德国科布伦茨桥的伸臂伸出（桥墩之外）长度达104.5m，在吊机起吊下一个安装梁段时，梁的伸臂突然在其离墩55m处(因是连续梁的反弯点，截面最弱）发生折角，使臂端落水。桥上的吊机随之下落，当时是下午2时15分，事故历时仅几秒钟。

Î四座大型钢箱梁严重事故

工程事故带来的损失是令人痛心的，也是难以弥补的，但是对工程事故的产生原因进行深入分析，又能使人们受益匪浅，从而促使科技进步。

这些事故发生之后，英国曾对板件承载力理论进行了深入研究。对有初始缺陷的板件，能将其破坏历程及最大承载力，用数值方法计算出来。上述桥梁事故都发生在施工阶段，在血的教训中，人们得到了很多启发，这对以后的设计是有益的。

Î设计规范在稳定问题上的不足

钢桥规范只适用于给定的钢材种类和结构构造，不能指导新型截面构造设计，也无法考虑初始缺陷的影响。桥梁规范在稳定性计算方面的不足，需要完善。