澳洲西门大桥事故的教训

编者按

20世纪70年代初，在欧洲和澳洲，因为对薄壁钢板稳定性和钢箱梁构造的认识不足，有5座桥梁在施工过程中接连发生事故，造成重大人员伤亡和财产损失，并因此写入了世界桥梁工程事件的历史。其中，死伤人数最多的，就是发生在澳大利亚墨尔本的西门大桥（West Gate Bridge）事故。事后，有很多分析报告把事故的原因简单地归咎于工程师认知的历史局限，3名驻场工程师也因此付出了生命的代价。

如今，50多年过去了，虽然很多当事人都已经相继离世，但重新回顾这次事故，分析事故发生的原因，对现在的桥梁工程师而言，仍然具有一定的教育意义。

位于澳大利亚墨尔本的西门大桥由两部分组成：东西两侧长67m的预应力钢筋混凝土引桥和全长848m的钢结构主桥。钢结构部分为5跨连续钢箱梁，3个中心跨度（144m+336m+144m）的上部悬挂斜拉索。主桥钢箱梁采用单箱三室梯形断面，外侧两道斜腹板，内侧两道直腹板。梁高4.1m，顶板宽度37.4m，悬臂宽度5.8m，桥面为正交异性钢桥面板。工程总长度接近2.6公里，双向8车道。凭借这一体量，建成后的大桥本应成为当时澳洲桥梁工程史上的里程碑。

然而，1970年10月15日，上午11时50分，在建的主桥西岸尾跨（112m钢箱梁）发生垮塌，造成35人遇难和17人受伤。迄今为止，这次事故仍保持着澳洲桥梁工程建设史上最严重的事故纪录。

“另类”吊装 埋下隐患

20世纪70年代，澳洲本地的工程咨询公司还缺乏此类大型桥梁的设计经验。但由于弗里曼·福克斯合伙人（Freeman & Fox Partners, FF&P），一家老牌英国工程咨询公司在1932年出色地完成了悉尼海港大桥( Sydney Harbor Bridge) 的设计任务，因此在澳洲有着不错的口碑和业绩。于是，西门大桥的设计任务就落到了这家“享誉盛名”的英国工程设计咨询公司头上。

大桥于1968年4月开始动工，耗时30个月，工程预计在1970年12月底完成。但是由于工人罢工和其他原因，工期遭到了多次的延误。直到1969年底，项目进度已经比原定计划晚了七个月。在1970年初，原来的钢结构施工单位又被更换了，出于各种原因，工期已经大大延后。

1970年6月，英国威尔士的米尔福德港桥(the Cladal Bridge in Milford Haven)发生事故，钢箱梁在施工过程中，主梁因悬臂根部底板发生局部屈曲而断裂。而这座桥也是由FF&P担任的设计。FF&P向业主保证，在威尔士发生的事故纯属意外，并解释西门大桥的施工方法与威尔士的完全不同。可就是因为这“与众不同”的钢梁吊装方案，为事故埋下了隐患。

图1 两半分开的吊装过程

由于工期的压力，为了节约时间和降低起吊重量，西门大桥没有搭设满堂支架，也没有采取整跨吊装方式，而是把箱梁分成左右两半分别起吊，并在墩上完成横移和拼接。

然而在现场吊装时，东岸这一侧的半幅钢箱梁就先发生了问题。地面上的梁段在吊装前，由于没有足够的临时支撑（顶、底板间只有竖向撑杆和斜向拉索），在自重作用下产生了跨中弯矩，箱梁上翼缘处于受压状态，应力集中导致了局部失稳。

把箱梁切成两半究竟有什么问题？将原本沿左右对称的全截面沿Y轴切开，那么由于半幅截面的不对称性，使截面的主轴绕形心发生了旋转。主轴旋转后，应力计算点到主轴的距离和截面对主轴的惯性矩都发生了改变。对于顶板应力计算点（屈曲发生处），如果忽略主轴旋转，那么应力计算结果会比实际值低31.1%。

西门大桥钢箱梁顶板纵向加劲肋为球头扁钢，横向间距为1.06m。桥面板横梁纵向间距为3.2m，断面为460mm高的球头扁钢。如果把主梁沿纵向切开，剖开的一侧就变成了没有约束的自由边。经过计算，切开和不切开，临界屈曲应力可以差2.35倍。换句话说，把梁沿纵向切开后，临界屈曲应力降低了-57.4%。

但是，现实情况比理想简化更糟糕。由于顶板横梁并非绝对的刚性，因此仅可以算作弹性支撑对受压顶板进行有限的约束。

由于边界刚度的弱化，顶板的实际屈曲模态变成了跨多根横梁的整体失稳。同时，由于加劲肋嵌补段的刚度不足，顶板加劲肋在梁段横向接缝处的变形呈现出了折角,加劲肋的拼接板发生了局部失稳破坏。当时现场顶板加劲肋的变形测量记录也证实了这点。顶板加劲肋嵌补段刚度不足的确降低了顶板的临界屈曲应力。

当时，这块拼接板被叫作“K板”。很明显，K板在构造上就存在明显的缺陷：K板的尺寸要大大小于被连接的纵向加劲、单侧布置增加了不必要的偏心、K板的上缘也没有和顶板焊接导致了侧向刚度不足。

对于嵌补段连接来说，这一系列的构造缺陷也是犯了结构工程的“大忌”，连接强度小于被连接构件的强度。

图2 当时现场组拼的照片（顶板已发生屈曲）

奇怪的是，施工方当时没有注意到这个问题，而是决定继续吊装，待梁段在空中就位后再处理已经屈曲的板件。而合乎逻辑的做法应该是，在钢梁起吊前，在地面上对受压的上翼缘进行卸载，消除内部应力，并对发生塑性变形的地方进行矫正和加固。

迫于工期的压力，施工方尝试在简支钢梁的一侧增加悬臂段来消除跨中应力，降低正弯矩。

在拼接了一个梁段后，他们发现效果并不明显。于是，有人出了一个更大胆的想法：把顶板上用于连接钢梁梁段的螺栓松开，这样接缝处的顶板会发生纵向的相对滑动，由于应力的释放，已发生弹性屈曲的顶板可以复位。

施工单位先在东岸进行了尝试，结果这一招“竟然”成功奏效了。这一“成功经验”大大增加了施工单位的信心。

螺栓松开 悲剧发生

在积累了东岸钢梁的经验后，施工单位开始着手西岸112m钢梁的组拼和架设。吸取了上次的教训，为了给顶板增加足够的支撑，施工单位在顶板自由边的上缘增加了一条槽钢，并在每一道横梁的位置增加了一道L形钢斜撑。

实践证明，增加临时支撑还是有效果的，在吊装西岸左、右半幅钢梁时，顶板并没有和上次一样发生屈曲。但是，又出现了新的问题：左、右两侧半幅箱梁的预拱度对不上了：跨中处的高差竟然达到了115mm，大大超过了组拼的误差限值。其实，之前在东岸也发生过类似的问题，但是那时预拱度差得不大，可以靠一侧的支座顶升来调平跨中的高差。但这次，115mm已经超过了顶升的能力极限，施工单位不得不想办法另辟蹊径。于是，又有人出了一个主意: 在跨中处放置混凝土压重来消除高差。

增加压重无可厚非，问题是顶板受压自由端在临时加固后，屈曲抗力富余度仍然有限，抵抗一下恒载倒没什么问题。可是，跨中放置的7块共计56吨的混凝土压重，相当于为跨中增加了10%～20%的恒载弯矩，结果造成顶板自由端带着加劲槽钢一起失稳了。

出现了问题，接下来该怎么办？设计和施工为此讨论了一个多月，项目也因此停了下来。最终，他们决定继续使用在东岸已经成功的“老办法”：松开顶板横向拼缝螺栓进行卸载。

按照工作计划，左侧半幅顶板卸载的工作开始了。以6～8个螺栓为一组，拧开每组螺栓后暂停，对钢梁进行观测，如果没有发生什么异常，则继续下一组的工作。与东岸相比，由于混凝土压重并没有被全部拿掉，所以西岸的顶板屈曲更加严重，荷载也更大。

随着越来越多的螺栓被松开，顶板的压应力开始向剩余的螺栓集中。当第二组工作完成后，由于拼缝处顶板发生了相对错动，受压屈曲的顶板得到了一定的卸载和复位。但是剩下的螺栓被挤压得更紧了，工人发现要拧开它们异常困难，他们最终只能靠剪力扳手把螺栓剪断。

图3 模拟事故发生时的过程

当工作进行到第37个螺栓时，可怕的事情发生了。顶板的屈曲开始沿横桥向发展，就连邻近腹板的上半部分也发生了屈曲。剩下的螺栓一个个被强大的剪力剪断，一个个“人为”的塑性铰产生，事故发生不可避免。由于在卸载之前，左、右半幅间部分的横梁已经被连接，失稳的左半幅箱梁带着右幅一起，从50m高的桥墩掉落下来，并直接砸中了桥下工人休息的工棚。由于事发时正是工人午休的时间，包括3名在场的工程师，共计36人当场遇难。

尾声

1972年，被暂停的西门大桥工程重新开始。又经过6年的建设，西门大桥于1978年11月正式建成通车，总共耗资20.2亿澳元。

自通车以来，西门大桥一直是墨尔本道路网络中的重要组成部分。2004年，VicRoads作为大桥的管理单位，开始对大桥进行结构审查，结果表明：理论上，该桥的某些构件在极端荷载工况下，不符合现行的桥梁设计规范。经过调查，并与国际公认的钢结构评估和加固专家讨论后，VicRoads向维多利亚州政府申请资金，将西门大桥加固项目列为“优先事项”。

2006年，维多利亚州政府宣布了一项重大决定，对西门大桥进行必要的加固，主要包括：加固西门大桥结构以确保其长期的可持续性，使其继续安全地满足当前和未来的通勤和货运需求，并符合现代桥梁荷载和设计标准；将桥梁的通行能力从双向8车道增加到10车道，从而减少了拥堵；通过新增预防自杀的屏障和可翻新、升级的防撞护栏，改善过桥公共交通和提高行人通行的安全。

此时，西门大桥的日均通行流量约为16万辆，其中近15%是商用车。相比之下，这座桥在1978年首次通车时每天通行的车辆仅为4万辆，足足翻了4倍。

2011年，随着新增的两条车道向公众开放，西门大桥加固和升级项目顺利完成。伴随而来的，大桥在高峰时间的交通拥堵得到了明显的改善。

图4 当年事故中保留下来的残骸

在墨尔本的另一个地方，Monash大学土木工程学院的门口，有一块空地，放置着若干块变形的钢结构。这些钢结构就是当年事故中保留下来的残骸，其中有一块就是受压屈曲的加劲顶板。这些扭曲的板件像雕像一样矗立在那里，时刻提醒着未来的桥梁结构工程师：“前事不忘，不要重复前人犯过的错误。”

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2021年 第6期 总第104期

作者 / 张文庆

作者系新西兰Beca公司桥梁工程师

编辑 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 陈晨

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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