Chirajara大桥坍塌事故调查
ACI第133届灾害调查委员会成员进行的研究摘要
作者:圣地亚哥·普霍尔，迈克尔·克雷吉，乔纳森·莫尼卡尔，阿图罗·舒尔茨
哥伦比亚政府正在通过其国家基础设施局扩大其建筑基础设施，包括运输系统。Chirajara大桥是1号项目中47座桥梁之一，该项目旨在将波哥大至Villa Vicencio的高速公路从两车道扩建为四车道，大桥将采用两车道。在建设过程中，2018年1月15日Chirajara桥一半坍塌。ACI第133委员会承担灾害调查任务，即收集影响钢筋和预应力混凝土结构的灾害信息。收集的信息用于为ACI委员会提供信息，以制定规范条款、设计建议和说明。倒塌发生后，ACI133委员会的代表联系了ANI，要求进入现场收集任何可能将倒塌与需要改进的设计建议联系起来的信息。这篇文章总结了调查的结果。
桥梁概况
该桥为斜拉桥，预计全长446.3米，跨越近150米深的奇拉贾拉峡谷。它由两个钢筋混凝土桥塔支撑，每个桥塔有52根斜拉索。每座塔的高度为107.34米，中心到中心的距离为286.3米。斜拉索由ASTM A416/A416M 270钢绞线束组成。如图1所示，中跨斜拉索的典型间距为9.25米..边跨约80米。在较短边跨的末端，有一个巨大的桥台提供反作用力，以抵抗施加到较长中跨的部分荷载。
图1:Chirajara大桥布置图，全长446.3米的斜拉桥，跨越近150米深的chira jara峡谷:成桥示意图；2018年1月15日西塔倒塌时的示意图
这座塔倒塌了，九名工人丧生。当时桥梁施工接近尾声，每个桥塔悬臂桥面两端相距约30米。据悉，坍塌过程中，坍塌部分没有进行任何涉及重物或相对较大外力的施工活动。关键部件、尺寸和性能
主梁为13米宽的钢-混凝土组合结构，两个1500毫米高的钢纵梁和840毫米高的钢横梁，每隔3米支撑一个200毫米厚的钢筋混凝土桥面。
每座塔都有空为中心的38米高的上塔柱，用来固定斜拉索。桥上的塔柱呈长方形，由菱形结构支撑；菱形的最宽部分容纳了道路。桥塔混凝土的规定抗压强度为35MPa。提供给监理公司的标准圆柱体试验报告显示结果超过规定强度。上塔柱截面外形尺寸沿桥向为6m，跨桥向为4.6m。对应的内部尺寸分别为4m和3.8m。因此，塔壁的厚度为1000毫米和400毫米。
图2:桥塔示意图
图3:下塔柱及其腹板的横截面。
下塔柱截面为6× 1.6m，沿桥长，跨桥窄。塔的下部包括一个500mm厚的混凝土墙，作为下部塔柱之间的腹板。在该腹板的顶部和主梁的下方是一个宽6m、厚600mm的系梁，在图中称为托盘。塔盘在下塔最宽处起系梁的作用。在提供给作者的设计图纸中，没有说明变形钢筋要达到的标准。但提供给公路扩建工程监理公司的出厂合格证，分别列出了60000和78000 lbf/inch 2的最小和最大屈服强度，要求最小延伸率为14%。这表明这些钢筋设计为ASTM A706/A706M 60。
根据图纸，每个塔柱的竖向钢筋包括146根10号钢筋，配筋率为1.2%。体积横向配筋率为0.5%。
上塔柱钢筋包括空核心段外圆周面附近156根10号钢筋和内圆周面附近46根6号钢筋，配筋率1.1%。上塔柱横向钢筋的体积比也是1.1%。
上塔柱内部用钢板加固。钢板顺桥向厚度为20毫米，横桥向厚度为25毫米，通过剪力钉与塔柱混凝土连接。
图4:桥塔区交叉系梁结构
下部塔柱的腹板在每个面附近用垂直和水平钢筋加固。竖向钢筋包括8号带肋钢筋，水平钢筋包括4号钢筋。图中显示每三根竖向钢筋有一根4号拉筋。虽然图纸要求纵横钢筋间距为200mm，但我们观察到，在西塔腹板废墟中，4号钢筋的竖向间距在100mm到200mm之间不等。根据设计，腹板水平钢筋通过弯钩锚固在下塔柱主筋上，如图3所示。如图4所示，钢托盘由12根直径为0.6英寸的无粘结后张预应力筋组成。我们认为这些钢筋被指定为ASTM A416/A416M 270级钢筋。请注意，塔盘的带肋钢筋终止于每个下柱的圆柱面附近。
由于施工过程中造成的塔盘混凝土与下塔柱之间的冷缝，带肋钢筋不能传递塔盘与柱之间的拉力。带肋钢筋搭接在一起，搭接位置远离关键部位。
施工程序
基础和桥塔建成后，主梁首先从每个桥台安装到相邻的桥塔。在这个过程中，用支架支撑主梁，然后将主梁从桥塔安装到跨中。这些主梁节段由斜拉索支撑，每个桥塔由斜拉索对称悬挂以达到平衡。安装7对斜拉索后，中跨其他主梁节段由锚定在桥台的斜拉索平衡。
倒塌
报道的情况
对于桥梁坍塌部分，据报道，从桥塔到中跨共安装13对斜拉索，主梁长度从桥塔中心悬臂约129.5m。我们知道200mm厚的钢筋混凝土桥面是沿着桥面的长度浇筑的。我们也知道，倒塌桥塔支撑的主梁在倒塌时只包含少量的活荷载。东塔承载的主梁上已安装12对斜拉索，第13节主梁段已安装主梁架。然而，第12段和第13段的混凝土桥面尚未完工。
回顾结构倒塌时没有经历的事情也很重要。桥的两部分不承受很大的活载，混凝土桥面没有沥青磨耗层。最后，没有地震，没有强风的报告，也没有迹象表明塔基础有问题。
图5:西塔倒塌视频中的几帧，由桥北附近的安全摄像头记录。每一帧的时间间隔约为1秒。
视频证据一个安全摄像头记录了西塔楼的倒塌。从该视频中提取的图片见图5。该序列清楚地表明，坍塌的主要特征涉及桥塔下的塔之间的分离，表明拉伸破坏发生在塔盘上或塔盘附近。其他桥梁构件几乎直接倒下。
现场评估
失事
视频简化了结构部件识别和碎片标记的任务。对残骸的检查表明，事故涉及下塔柱和腹板之间的分离。图7显示腹板上的4号水平钢筋在与下塔柱的连接处断裂。
尽管发生了坍塌，但腹板的剩余部分仍有有限的裂缝，这表明应变集中在下塔柱附近，即腹板水平钢筋断裂的地方。我们观察到主梁上的缆索锚固装置没有故障，我们注意到主梁在拼接处断裂。
未建成的东塔
2018年1月25-26日，东塔还屹立在原地。我们用强大的瞄准镜、带变焦镜头的相机和无人机检查了桥塔，我们观察到托盘两端的冷缝是敞开的)。我们还注意到，腹板北侧有一条大裂缝，从冷接缝附近开始，向基础延伸。我们估计这条裂缝的长度为8至9米。
图6:无人机拍摄的坍塌现场LCS和LCN分别为下塔楼的南面和北面；UCS和UCN分别代表中塔的南、北，MAST代表上塔，WEB代表腹板。
图7:下塔柱南侧视图，显示了与腹板连接处N4水平钢筋的残余。全局观；下塔柱与腹板分离时钢筋向下弯曲的视图；特写镜头的颈缩和断裂的钢筋在接头。桥塔分析桥塔被简单地理想化为一个桁架
坍塌的视频显示，断层与垂直力有关。我们已经估算了倒塌期间作用在西塔上的垂直载荷，如下所示。
图9是西塔和甲板倒塌时的受力示意图。主梁的分布荷载约为6.5 kPa，包括混凝土板和斜拉索。主梁悬垂于西塔129.5米，因此这部分主梁共约129.5米×13米×6.5千帕= 11000千牛。
由于最外侧跨度实测的80米跨度比悬臂部分短，所以必须对锚定在桥台上的一组斜拉索施加应力以平衡系统。这些支架的垂直力将增加作用在上塔柱上的垂直力。我们没有得到拉索张拉操作的记录。但假设水平部分和混凝土过渡块平衡悬臂荷载，我们估计这部分是3600kN。
边跨梁总长约66m，重量为66m× 13m× 6.5kpa =5600kN，其中66m的尺寸为桥塔中心与桥台之间梁的近似长度。混凝土过渡块放置在主梁和桥台之间。这块混凝土包含空 gap，重约2220kN，一半由主梁端部支撑。
上塔本身重量接近12,000kN。因此，上塔柱对中塔柱的总竖向力为21300+12000≈33300kN。最后，每根中间塔柱重近8000kN。
如果我们将塔的上半部分理想化为一个简单的桁架，其重量在构件的两端分成两半，则每个上部塔柱中轴向力的水平分量大约为:
因数1/2是塔中柱子数量的倒数。因数1/5是立柱和垂直面之间近似角度的正切值。估计的水平力必须主要由作为塔柱系梁的托盘来承受。主梁本身并不能帮助抵抗这种水平力，因为主梁和桥塔之间唯一的直接连接就是支座，其目的是支撑主梁的一部分。在之前的估算中，我们假设这部分的重量与其他重量相比可以忽略不计。
需要抵抗近1000000lbf的临界拉力。拉力从一个组件转移到另一个组件，确保可靠的长期能力，并防止混凝土开裂。这就需要在设计上极度谨慎，对钢筋进行细致入微的处理。
将整个桥塔理想化为一个桁架将使作为系梁的托盘的预计轴向力增加近一倍。相比之下，托盘构件中唯一的连续肋由12根直径为0.6英寸的270级无粘结钢绞线组成。这些钢绞线的标称强度约为12×0.217 in2×270 ksi = 700000 lbf，远小于所需的100-2000000lbf的拉力。
图8:使用无人机检查东塔。柱、托盘和腹柱之间的连接；打开塔与塔盘之间的冷缝；和网中的大裂缝。
图9:西塔和主梁倒塌时的受力示意图。
这是可能解释崩溃的最明显的问题。托盘——作为塔楼之间的系梁——不够坚固。
当桥梁倒塌时，桥梁上的荷载小于使用中的预期，系统中的任何应力都没有理由远远接近极限值。然而，静力学和前面描述的简单桥表示表明托盘没有足够的容量。从这个角度来看，坠机原因应该很好理解。
塔架和腹板的线性分析
我们还对桥塔进行了线性分析，包括一个薄膜来代表连接较低塔柱的腹板。由于该模型，临界塔柱连接处的张力约为1500000lbf。同样，这个力超过了托盘的承载能力。抵抗这种张力所需的钢绞线数量为26根。包括安全系数和考虑倒塌时没有影响的荷载，我们可以预计这个数字应该会增加近3倍。有趣的是，在托盘的横向，预期拉力几乎为零。但是托盘图显示有14根筋，每根筋有8根筋，这个方向有112根筋。
塔架和腹板的有限元模型
更难解释的是，为什么西塔倒了，东塔还立着。我们认为在施工过程中没有更早的事故，因为结构可以通过桥塔腹板的裂缝和钢筋的屈服来适应部分力的重新分布。为了进一步探讨这个问题，我们基于以下假设，使用SAP2000建立了桥塔的近似模型:
l桥塔理想化为框架单元，塔与柱连接处有扭矩传递，而柱与托盘连接处无扭矩或轴向荷载传递。换句话说，柱与塔盘之间的冷节点表现为轴向和弯矩释放，减轻了柱与塔盘之间相应的自由度；
l柱和塔板采用线性梁构件建模，假设弹性模量为-25000 MPa；
下塔柱间腹板采用非线性层状壳单元，钢筋屈服应力为480 MPa，混凝土抗拉强度为1.7mpa..
l托盘-作为腹板顶部的加强件；将中间直径为0.6英寸的无粘结钢绞线施加在托盘上的力模拟为外夹紧力。
图10:由塔架有限元模型确定的腹板水平钢筋应力图。下塔柱与腹板连接处的水平钢筋应力随着夹紧力的变化而发生明显变化。夹紧力p = 700，000磅力；P = 800,000lbfp = 1，000，000磅力
用不同的夹紧力进行了三次分析。最小夹紧力为3100kN，约为托盘中12根无粘结钢绞线的抗拉强度。其他夹紧力为3560和4450kN。分析以美国习惯单位进行。在最高夹紧力下，不计算水平腹板钢筋的屈服。对于3100 kN和3560kN的较低夹紧力值，计算了下塔柱-腹板连接处的屈服和集中应变。图10显示了三种夹紧力下的水平钢筋应力。请注意，在腹板上观察到的应力也低于直接拉伸下混凝土的预期抗拉强度。应变集中会导致脆性反应，这在腹板-塔-柱连接处是可以预期的，因为当腹板中的水平钢筋屈服时，直接受拉混凝土的开裂应力几乎与混凝土截面的总应力相同。当水平腹板配筋率为0.26%时，混凝土总应力可计算为0.26% × 480mpa = 1.25mpa，这种情况会导致有限开裂，因为应变会集中在初始裂缝处。此外，托盘未加固端的冷裂纹将成为裂纹的引发者。如果腹板钢筋较多，结构延性达到，可能提供更多的时间来应对事故。
在东塔中观察到的裂缝支持了应变集中在板的冷接缝处以及腹板和下塔柱之间的连接处附近的假设。为什么东塔没有倒塌？以下是一些合理的理由:
因为东塔悬臂上最远的两段混凝土还没有浇筑，所以东塔的荷载较低。200毫米厚的混凝土桥面在13米宽的主梁上产生了4.7千帕的均匀荷载。因此，与西塔相比，悬臂侧总索力可减少61 kN/m×2×9.25 m = 1100 kN。另外，锚定在桥台上的水平力可以减少1340kN以平衡悬臂，这样索塔的斜拉力可以减少1100+1340×tan 40 = 2220 kN——合理。
l东塔盘的后张预应力可能比倒塌的西塔更有效；
l东塔可能有更多的腹板钢筋；或者
初始收缩裂缝可以更好地分布应变，降低塔架的脆性。
答案可能涉及这些合理的理由中的一个或几个。无论如何，很明显东塔已经接近极限了。。
上述应变集中意味着腹板钢筋可能在倒塌过程的早期阶段断裂。如果剩余结构有足够的承载能力，这种断裂不一定会导致坍塌。
排除腹板屈服的失效机理极限分析表明，预测的抗力小于预测的需求。为了安全操作，要求应远小于阻力。考虑到腹板的脆性，腹板和塔架不太可能同时达到其承载能力。
结论
我们认为Chiraja桥西塔的倒塌是由于作为系梁的托盘的后张预应力不足。相反，在垂直方向上，预计不会产生大的应力，托盘提供了9倍的预应力钢筋。如果所提供的预应力筋旋转90度，则不会发生坍塌。
楼板上的预应力钢筋束提供的侧向约束不足(楼板是塔楼之间系梁的关键部件)，迫使下部塔楼之间的钢筋混凝土腹板在张力下工作。两个因素在网络对这种张力的反应中起着关键作用。
腹板具有最小的抗拉钢筋。其强度相当于混凝土直接受拉时的预期开裂应力。当开裂应力与钢筋强度相近时，变形集中在单个裂缝或几个裂缝处，容易导致脆性破坏。
在塔盘和下塔之间的连接处形成的不连续冷缝迫使应变进一步集中，并增加了系统的脆性。
需要在受拉状态下工作的关键构件，应采用超过规范最小值的钢筋进行加固，以避免脆性破坏。腹板的脆性阻碍了力的更好的重新分布，而力的重新分布本来可以延缓倒塌。
这个悲惨的例子再次强调了对所有项目进行同行评审的重要性，尤其是那些大型复杂的项目。
圣地亚哥·普约尔，FACI，是印第安纳州西拉斐特普渡大学莱尔斯土木工程学院的土木工程教授。他的研究兴趣包括结构的地震易损性、结构对冲击载荷的响应、结构健康监测、修复和结构加固。他是ACI 133灾害调查委员会、ACI 314混凝土建筑简化设计委员会、ACI 318-R高强度钢筋委员会、ACI-ASCE 441钢筋混凝土柱联合委员会和ACI-ASCE 445剪扭联合委员会的成员。
拉贾拉大桥简要调查报告
