工程概況,K-B橋位于太平洋島國帕勞共和國境內(nèi)的阿托蓋爾航道上,連接Koror島(簡稱K島)和Babeldaob島(簡稱B島),為跨中帶鉸的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛架橋。設(shè)計者是美國檀香山的Alfred Yee事務(wù)所(Alfred A.Yee and Associates,Inc.),施工者是德國DykerhoffWidmann。1977年4月建成時,其跨度創(chuàng)造了同類橋梁的世界紀錄(倒塌時位居第11位)。
橋梁跨度布置為18.6rn+53.6m+240.8m+53.6m+18.6m。梁高從跨中的3. 66m變化到主墩處為14. 17m,在邊墩則線性減小到10. 26m,并在橋臺處銳減為2.74m。.箱梁上翼緣頂板寬9. 63m,厚18 - 43cm,腹板厚35. 6cm。橋梁在邊跨部分箱室填充了碎石作為壓重,以平衡懸臂的主跨。橋梁在主墩處固結(jié),并由傾斜的樁支撐,使其能夠抵抗水平力;邊墩處則釋放了縱向約束,通過豎向樁基提供支撐。
橋梁跨中的鉸只傳遞豎向和橫向剪力,保證在混凝土收縮徐變、溫度變化下能夠自由變形,也允許兩段懸臂梁發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。該橋在施工中,先完成邊跨,并支撐在邊墩上,同時在邊跨壓重,主跨采用非對稱節(jié)段懸臂灌筑施工。箱體內(nèi)的三向預(yù)應(yīng)力均為精軋螺紋鋼筋。在縱向,316根直徑32mm的Dywidag螺紋鋼筋一端錨固在配重跨,另一端錨固在半個主跨的25個懸臂節(jié)段上。這些預(yù)應(yīng)力鋼筋分4層在主墩處的箱梁頂板內(nèi)通過,預(yù)加力總噸位為182.4MN。但是,預(yù)應(yīng)力筋在跨中剪力鉸處不連續(xù)。
橋梁的下?lián)霞凹庸?,在橋梁通車后,跨中懸臂端逐漸產(chǎn)生了較大的撓度和過大的相對轉(zhuǎn)角,至1996年跨中下?lián)弦呀?jīng)達到了120cm,嚴重影響到外觀和行車舒適度,并引起橋面鋪裝損壞。
承擔評估的美國公司(Louis Berger International)和日本公司(The Japan International Co-operation Agency)均認為該橋是安全的,只是撓度還要持續(xù)增長。有一項加載試驗,將一輛重125kN的載貨汽車開到懸臂端,測得下?lián)?/FONT>30. 5mm,據(jù)此推測亨昆凝土彈模為18kN /㎜2。根據(jù)評估結(jié)論,帕勞政府決定進行加固招標,以恢復(fù)部分撓度并克服進一步下?lián)稀?/FONT>
最后的加固方案由VSL國際公司提出,加固施工由一家當?shù)毓?/FONT>(Black Micro)承擔,加固方案要點如下:(1)取消跨中的鉸接,使結(jié)構(gòu)連續(xù)。用8根連續(xù)的體外預(yù)應(yīng)力束加固主跨,錨固于邊跨,張拉力36MN(相當于補充初始預(yù)加力噸位182. 4MN的20%損失),如圖15-4所示。體外束在跨中通過轉(zhuǎn)向塊下彎至梁底部,并在跨中產(chǎn)生負彎矩以使跨中能抬高o.3m。(2)為平衡體外預(yù)應(yīng)力對主墩新增的水平力,在跨中鉸兩邊的箱梁頂板內(nèi)設(shè)置8個扁千斤頂,提供與體外預(yù)應(yīng)力大小大致相等、方向相反的水平推力(31MN),使得水平力在主墩處疊加后抵消,而跨中正彎矩可以幫助跨中上拱。最后用混凝土灌注鉸的空隙(同時撤去千斤頂),使結(jié)構(gòu)連續(xù),并由后澆的混凝土繼續(xù)提供這個水平推力。(3)修復(fù)已經(jīng)磨損的橋面,在橋跨中央用一種輕質(zhì)混凝土鋪設(shè)平順的行車路面。加固工作于1996年7月結(jié)束,橋面修補工作于8月中旬完成。
橋梁的倒塌,1996年9月26日5:45PM,即該橋加固后的第3個月,橋梁突然倒塌。倒塌時天氣良好,車輛不多,造成2死4傷,并造成島嶼間的供電、供水和通信等中斷。根據(jù)披露的文獻資料,推斷破壞過程如下:在發(fā)生倒塌前30rnin左右,B島一側(cè)橋墩上方有混凝土爆裂聲和撞擊金屬聲響,箱梁上翼緣頂板(43cm厚)首先發(fā)生分層剝離,使體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋暴露;隨后,箱梁在橋墩處折斷,腹板下方斜向壓碎,B島側(cè)懸臂段掉人海中。受B島側(cè)懸臂段墜落牽連,數(shù)秒后,K島一側(cè)箱梁也在橋墩處發(fā)生折斷,下腹板幾乎沿豎向壓碎,懸臂段以類似的破壞形式掉人海中;在這一過程中,有推斷K島側(cè)邊跨還曾繞主墩發(fā)生短暫的旋轉(zhuǎn),使主墩處的底板和肋墻嚴重壓碎,邊墩處截面剪斷。
原因分析:①對徐變撓度應(yīng)早有預(yù)計,后期難有補救措施。用連續(xù)束和千斤頂?shù)姆绞郊庸?,不會引起較大的應(yīng)力改變,也不會改變下?lián)蠁栴}。以致后來采用填筑聚苯乙烯塊的辦法調(diào)整線形。②在加固中將靜定懸臂結(jié)構(gòu)改變?yōu)槌o定梁,不會引起倒塌,因為徐變影響是緩慢的,并且沒有引起附加剪力招致剪切破壞的機制。③同意夏威夷美軍工程兵的倒塌分析,但是,B島一側(cè)箱梁頂板混凝土首先發(fā)生分層剝落的原因,可能來自箱梁局部表面的過分鏟除(鏟除位置恰對應(yīng)后來首先發(fā)生爆裂的B側(cè)頂板區(qū)域),加上預(yù)應(yīng)力筋的密集布置和缺乏恰當?shù)臉?gòu)造措施,使得箱梁頂板削弱過大引起,這反過來也說明本橋設(shè)計的魯棒性不足。
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