德國(guó)Carola Bridge倒塌事故分析

2024年9月11日凌晨2點(diǎn)58分，德國(guó)Dresden（德累斯頓）市Carola Bridge主跨（帶電車軌道及共用人行道和自行車道）發(fā)生部分垮塌，垮塌長(zhǎng)度約為100米。事故發(fā)生時(shí)，橋上沒(méi)有車輛及行人通過(guò)，截止目前未造成人員傷亡。

01 橋梁概況

Carola Bridge是Dresden市中心的四座易北河大橋之一，是新老城區(qū)連接的交通要道。橋梁橫跨易北河，南面與老城區(qū)接壤，北面與新城內(nèi)、卡羅拉廣場(chǎng)接壤，橋梁的地理位置如圖1所示。

圖1 事故位置示意圖

Dresden是德國(guó)薩克森州首府和第一大城市，是德國(guó)東部?jī)H次于首都柏林的第二大城市，是德國(guó)重要的文化、政治、經(jīng)濟(jì)和科研中心，建有Dresden工業(yè)大學(xué)等高等學(xué)府，擁有德國(guó)大城市中比例最高的研究人員，是“德國(guó)硅谷”的核心。在易北河上精美的巴洛克式建筑，使Dresden得到“易北河畔的佛羅倫薩”的美稱。

提出應(yīng)力圓表示方法（Mohr圓）、第一強(qiáng)度理論、計(jì)算梁撓度的圖乘法、應(yīng)用虛位移原理計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的位移等的Christian Otto Mohr教授也曾在德累斯頓(Dresden)技術(shù)學(xué)院任教并在德累斯頓逝世。

Carola Bridge是Dresden市最重要的橋梁之一，歷史悠久。橋梁始建于1895年，在第二次世界大戰(zhàn)為阻止西進(jìn)的蘇聯(lián)紅軍而被炸毀，后在1971年重建。從橫斷面看Carola Bridge由三部分組成，分為東部的A段、中部的B段和西部的C段，如下圖2所示。因?yàn)榇髽虺霈F(xiàn)老化跡象，自2019年起進(jìn)行了加固，A段于2021年6月完成，B段于2022年10月完成。C段在上次主要檢查中評(píng)級(jí)為“不足”，并計(jì)劃于2025年1月開(kāi)始翻修。

圖2 Carola Bridge A~C橋段示意圖

02 橋梁結(jié)構(gòu)形式

橋梁結(jié)構(gòu)形式為多跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，總長(zhǎng)375m，寬32m，跨徑分布為44+58+120+95+58m，如下圖3所示。根據(jù)資料顯示，通航的第3跨跨徑最大，特別采用了掛梁的形式以達(dá)到減小跨中彎矩的目的，其中新城、老城側(cè)分別為44m和12m的懸臂梁，中間為64m的掛梁。施工完成后，縱向三個(gè)獨(dú)立的橋體在被連接在一起，如圖4所示。

圖3 Carola Bridge結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 Carola Bridge施工示意圖

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，彎矩往往是最為關(guān)鍵的控制指標(biāo)之一。以懸臂梁和簡(jiǎn)支梁為例，懸臂梁在自重作用（均布荷載）下，梁上部被拉伸，下部被壓縮，即梁截面的上部受拉下部受壓，抵抗外力和剪力組成的力偶；簡(jiǎn)支梁在自重作用（均布荷載）下，梁跨中上部受壓，下部受拉，也組成一對(duì)抵抗外力和支座反力組成力偶。如圖5所示。

圖5 懸臂梁、簡(jiǎn)支梁彎矩示意圖

帶掛孔的多跨靜定梁，結(jié)合了簡(jiǎn)支梁和懸臂梁的受力特點(diǎn)，跨中承受正彎矩，中間支點(diǎn)位置承受負(fù)彎矩，其彎矩如圖6所示。正彎矩區(qū)受力類似簡(jiǎn)支梁，負(fù)彎矩區(qū)類似懸臂梁，由于支點(diǎn)負(fù)彎矩對(duì)跨中正彎矩起到了“卸載”效果，在單跨跨徑等條件均一致的條件下，三跨帶掛孔的靜定梁最大跨中彎矩小于簡(jiǎn)支梁最大彎矩（如圖5、6最大彎矩公式），使得跨越能力增強(qiáng)，同時(shí)不需要進(jìn)行復(fù)雜超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算，在上世紀(jì)70年代沒(méi)有復(fù)雜計(jì)算機(jī)計(jì)算的情況下，帶掛孔的多跨靜定結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

帶掛孔的多跨靜定結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了橋梁墩頂負(fù)彎矩變大，從而從受力的角度上看，墩頂成為了受彎最不利的位置。

圖6 連續(xù)梁橋及掛梁示意圖

圖7 掛梁實(shí)例

03 橋梁事故分析

（1）主梁破壞情況

橋梁倒塌部分為中間第3跨（2#墩與3#墩之間），倒塌后殘骸掉落至易北河，現(xiàn)場(chǎng)倒塌殘骸如下圖8。從倒塌后現(xiàn)場(chǎng)殘骸可以看出，主梁主要有5處斷裂位置，分別編號(hào)為斷裂位置1~5。各破壞點(diǎn)特征為：

① 破壞位置1處兩側(cè)主梁完全分離，殘骸表面未見(jiàn)明顯的混凝土損壞痕跡；

② 斷裂位置2、3位于破壞位置1兩側(cè)，梁底沉入水中難以觀察詳細(xì)破壞情況，頂面可觀察到混凝土裂縫，根據(jù)兩側(cè)主梁角度分析主梁已斷裂；

③斷裂位置4位于2#墩墩頂，發(fā)生受彎破壞。

圖8 倒塌后主梁斷裂位置示意圖

（2）倒塌過(guò)程分析

根據(jù)網(wǎng)上公開(kāi)資料，易北河沿岸某監(jiān)控恰好記錄了橋梁側(cè)面視角的倒塌過(guò)程，如圖9所示。逐幀分析倒塌過(guò)程錄像，推測(cè)傾覆過(guò)程為：

①主梁懸臂在橋墩處主梁（斷裂位置4）發(fā)生斷裂；

②掛梁在位置1、5處缺少支撐而跌落；

③ 主梁懸臂段和掛梁在墜落時(shí)受到?jīng)_擊，位置2、3處再次斷裂。

圖9 倒塌后過(guò)程示意圖

綜合當(dāng)前信息，事故發(fā)生時(shí)橋面無(wú)列車、行人，橋下無(wú)船舶通行，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯外荷載作用。事故發(fā)生時(shí)，可能由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線有效面積大幅減小，結(jié)構(gòu)突然發(fā)生垮塌，呈少筋受彎破壞特點(diǎn)，無(wú)明顯征兆，推測(cè)橋梁倒塌事故的原因可能為預(yù)應(yīng)力鋼絞線突然失效，詳細(xì)事故原因有待相關(guān)單位進(jìn)一步披露。

（3）事故處置

根據(jù)網(wǎng)上公開(kāi)消息，尚不能確認(rèn)事故橋梁有無(wú)安裝傳感器。根據(jù)親歷者講述，事故發(fā)生時(shí)聽(tīng)到了兩次聲響，第一次是橋梁倒塌時(shí)發(fā)出的沉悶轟鳴，第二次是供暖管線爆裂產(chǎn)生巨大響聲。事故發(fā)生時(shí)附近巡邏的警察等第一時(shí)間注意到了事故的發(fā)生，并且及時(shí)出動(dòng)警力對(duì)橋梁周邊區(qū)域進(jìn)行了封鎖，該市交通公司及時(shí)阻止了本該在3：34（倒塌36分鐘后）通過(guò)該橋的3號(hào)線有軌電車，避免了事故傷亡。

04 小結(jié)

1、根據(jù)當(dāng)前披露的相關(guān)信息，推測(cè)事故原因可能為預(yù)應(yīng)力鋼絞線長(zhǎng)期銹蝕導(dǎo)致有效截面面積減小，墩頂負(fù)彎矩最大位置抗彎承載力不足使結(jié)構(gòu)體系失效，進(jìn)而發(fā)生倒塌，詳細(xì)原因需要進(jìn)一步調(diào)查。

2、從披露的信息上看，暫時(shí)沒(méi)有證據(jù)表明橋梁上有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮了作用。

3、 沒(méi)有倒塌次生災(zāi)害人員傷亡的原因主要是軌道交通發(fā)車頻率低，同時(shí)在附近巡邏的警察第一時(shí)間注意到了事故的發(fā)生，并及時(shí)出動(dòng)警力對(duì)橋梁周邊區(qū)域進(jìn)行了封鎖，阻止了倒塌36分鐘后本該過(guò)橋的3號(hào)線有軌電車。

4、對(duì)于重要橋梁、災(zāi)害多發(fā)地區(qū)的橋梁，在有條件情況下加裝橋梁倒塌預(yù)警裝置，實(shí)時(shí)捕捉事故現(xiàn)場(chǎng)視頻、加速度和聲音信號(hào)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)橋梁倒塌，及時(shí)阻斷交通、減少二次事故的時(shí)間窗口，大幅度降低事故傷亡。