 FIU天桥项目连接佛罗里达大学校园和该校许多学生居住的斯威特沃特市区。2018年3月15日下午1:45左右，天桥在施工中倒塌。1名工人和5名乘坐汽车的行人死亡，另一名工人永久性致残。该桥是一座跨度约174英尺（约53米）、重约930吨的混凝土桁架桥。在倒塌前5天吊装到桥墩上，在运河旁相邻的位置将建造一座混凝土桁架，与该桥一起形成一座289英尺（约88米）长的连续桥梁。 调查结果 2019年6月20日，职业安全与健康管理局（OSHA）发布了一组最新调查报告，主要结果为—— 1.FIGG桥梁工程师（以下简称FIGG）、记录工程师（以下简称EOR），在倒塌前数小时对桥梁进行检查时，没有意识到桥梁有倒塌的危险。当时，混凝土桁架出现了许多宽而深的结构裂缝，已经危及桥梁的完整性。EOR应立即指示将桥梁支撑在适当位置，并封闭西南第8街交通。而桥梁倒塌时，EOR却正在指导工人重新张拉后张预应力钢筋。 2.该桥存在结构设计缺陷，由于结构设计缺陷，导致桥梁出现裂缝，并导致其最终在第三阶段施工过程中坍塌。 3.事故发生当天上午，在评估了前两天的裂缝后，EOR与项目参与者召开了一次会议。在那次会议上，EOR承认他的计算结果无法解释桥梁裂缝的出现，因此他不知道裂缝发生的原因。该项目的施工工程师和检查员（CEI）在这次会议上告知EOR，裂缝每天都在变长。尽管了解这些情况，并且知道裂缝的尺寸在增加，EOR还是不止一次地表示，裂缝的出现并不意味着结构存在安全问题。 4.根据裂缝的大小，当时应立即关闭西南第8街的交通。必须马上在混凝土桁架多个中间位置进行支撑，以减少北斜腹杆和节点的荷载，直至完成最终评估并采取相应补救措施。 5.网络工程服务公司博尔顿佩雷斯协会（BPA）被FIU授权为项目的CEI。BPA未能根据佛罗里达州运输部（FDOT）的要求，对本质上属于结构性的裂缝进行识别。作为一个CEI，BPA应根据其与FIU和FDOT要求的合同，行使自己独立的专业判断权力。虽然对桥梁开裂很有经验，但BPA未能认识到桥梁有倒塌的危险，并且没有（撇开EOR意见）向FIU、MCM或其他人提出关闭街道并加强支撑桥梁的建议。 6.莫妮娜施工管理公司（MCM），是该桥设计-建造承包商，被MCM主管和质量控制人员于2018年3月12日和14日告知裂缝“越来越大”。2018年3月13日，EOR在给MCM的一封电子邮件中指出：“从星期六（2018年3月10日）开始，MCM一直在监测裂缝，但裂缝没有扩大。”MCM应在2018年3月14日立即通知EOR，该假设不对。尽管MCM有这种疏忽，但EOR在2018年3月15日的早晨会议期间，获得了BPA在桥梁倒塌前几天的裂缝照片和测量结果，并被特别告知裂缝在增长。 7.MCM作为设计-建造承包商，延迟了EOR的决定，作为桥梁的建设者，未能行使其独立的专业判断，在EOR最终确定裂缝的原因和同行评审前，封闭西南第8街道的交通。MCM在混凝土结构方面拥有丰富的施工经验，并且对裂缝的大小有着密切的了解，这些裂缝每天都在增大。但MCM附和了EOR上述第6项的结论，没有自己的独立判断，未能实施必要的安全措施，这是不合理的。 8.EOR对裂缝的评估，以及他对重新张拉11号斜腹杆内后张预应力的建议未包含在原始设计中，因此应接受同行评审。 9.根据FDOT要求，EOR保留的顾问对EOR的设计进行独立的同行评审，没有检查桥梁在不同施工阶段的结构完整性，这违反了FDOT的要求。调查发现，独立检查仅在桥梁的所有部分都建成的最终设计阶段进行。 10.根据FDOT要求，EOR未能按照建筑文件的30％、60％和90％，向Louis Berger提供施工文件。 11.EOR应该知道，进行同行评审的顾问没有按照FDOT的要求，检查第三阶段桁架的结构设计，而此时，EOR应当采取额外的安全预防措施。 12.EOR应该知道，桁架是一个非冗余结构，如果一个斜腹杆构件失效，整个桥梁可能倒塌。鉴于裂缝的性质和程度以及桥梁设计的不冗余性，应采取包括封闭桥梁下方道路、立即在适当位置为桥梁提供支撑，直到完成完整的评估等必要的安全预防措施。  英国桥梁专家对报告的解读 英国一位关于桥梁和桥梁设计的博客（2019年6月20日），对OSHA这份调查报告进行了进一步分析—— 对于FIU人行桥倒塌的原因，美国国家运输安全委员会（NTSB）正在进行彻底的调查，预计于今年晚些时候完成。这份OSHA的调查报告在很大程度上与NTSB去年11月发布的初步调查结果一致。 到目前为止，英国尚无与NTSB相当的机构，虽然有国家航空和铁路事故调查机构,但不是针对高速公路的。毫无疑问,我们将不得不等待自己的严重事故发生，才会催生这一机构,而不是从别处学习。 FIU人行天桥为两跨混凝土桁架桥，桁架上方有装饰性的塔架和钢管，使人从外观上看似乎为斜拉桥，这样做的主要目的，是减少主要结构构件由行人所导致的振动。 OSHA发布的这篇调查报告，对事故原因分析得十分详细透彻，有些警告是非常有条理的。 调查报告指出，设计方（Figg）、设计同行评审员（LouisBerger）、施工工程师和检查员（BPA，作为FIU的代表）以及承包商（Munilla ConstructionManagement，MCM）均未能履行职责，没有在设计施工各个环节严格把控，未能防止桥梁倒塌悲剧的发生。 所有在通行道路上修建桥梁的项目，需要得到FDOT的批复，但奇怪的是，OSHA在报告中，并未过多提到佛罗里达州交通部（FDOT）的失职。作者之前曾对此发表过评论：在英国和其他一些司法管辖区，公路管理局将对在其基础设施上方或下方修建的任何新桥梁进行技术审批，以保护其自身利益，避免新建项目对交通造成不当影响，以及保护公路使用者的安全。 FDOT也参与了FIU人行天桥的建设，派出内部结构工程小组审查设计，并定期参加现场会议，其中桥梁倒塌当天上午召开的重要会议FDOT也有人参加了，但是同其他参会者一样，FDOT工作人员也未发现桥梁的异常并阻止桥梁继续施工。但奇怪的是，这在报告的执行摘要中被省略了。此外，还不清楚FDOT是否掌握了独立同行评审人的失职行为。据报道，独立同行评审人在桥梁各施工阶段均未出面检查过桥梁，只是在成桥阶段进行审查。 OSHA从桥梁倒塌前后似乎获得了广泛的证据，但是在调查报告中仅仅显示了与主要参与者的有限内容。设计方Figg很快就公开批评了这份报告，称在国家运输安全委员会调查还未结束期间，他们不会就FIU天桥倒塌事件做更多的评论。 所以，尽管OSHA的调查报告给人们的印象是调查彻底、分析清晰，但是也可能有些言论也是不公平的，需要等到国家运输安全委员会调查结束后，才会知道事故真正的原因和主要责任方。 设计方的忽视 OSHA一开始就反复提醒人们，这座桥的目标是成为一座极具吸引力的标志性建筑，似乎故意引导大众，认为采购环境导致了桥梁倒塌。否则，为什么要提到这个话题？就个人观点而言，作者认为依靠顾问和承包商的职业操守和判断，FIU天桥可以建造成功，而追求一座外观美观的桥梁不是桥梁倒塌的根本原因。 每个跨径的主桁架分为四个阶段在场外预制完成，然后通过自行式模块化运输车（SPMT）运到现场后，架设到设计位置。 在桁架预制阶段，各个受拉构件均施加了预应力，除了梁端两个斜桁架构件（构件2、构件11）外，其他预应力构件均完成了灌浆；构件2、构件11需要在施工阶段调整预应力的大小（图1）。  图1 位于斜杆11底部的一条较大裂缝 当临时脚手架被拆除时，整跨桁架支撑在梁端的临时支撑上，这时出现了第一件麻烦的事情：首先听到了“砰”的一声，很快就在斜腹杆2和11的底部与桥面板连接的位置发现了裂缝，在这种结构中，端部斜腹杆处于受压状态，因此施加的任何预应力都应该是最小的。随后将这些裂缝的照片分享给设计方，OSHA的报告中提出，这一点并未引起设计方足够的重视。 一周后，桁架结构从端部临时支撑状态转移到SPMT上，准备运输到现场，此时，斜杆2、斜杆11处于受拉状态，需要施加预应力。一旦结构放置在永久支撑上后，需要调整（减小）斜杆2、斜杆11的预应力（图2）。  图2 根据OSHA报告，在桁架运输和安装过程中，初始裂缝没有进一步发展，也并未出现新裂缝。斜杆2放张过程中没有出现异常，但是斜杆11放张时在下部节点处出现了多处裂缝，现场预应力施工人员报告说“开裂如地狱”（图3）。  图3 两天后，施工方将裂缝照片送至设计方，并向设计方征求意见。施工人员说，裂缝宽度很大，发展速度惊人，桁架节点正与下层板分离（图4）。但是设计师表示，“这不是安全问题”，建议重新拉回斜杆11，使其回到原来的状态。在此操作期间，设计者不打算参加现场设计。  图4 接下来两天拍摄的裂缝照片看起来令人越来越担忧。桁架安装后5天举行了一次关键会议，参加方包括佛罗里达国际大学（FIU）、设计师、承包商、施工检查员和佛罗里达州交通部（FDOT）。设计师现场亲自检查了裂缝（继续增长），但表示没有安全问题（图5、6、7）。  图5  图6  图7 设计方还指出有必要继续建造第二跨桁架，应为当与第一跨桁架形成连续结构时，将减少第一跨斜杆11上的荷载，这将有利于限制裂缝的发展。根据OSHA的调查，在这阶段内并没有向同行评审人提出咨询。 表面上看，提出的对斜杆11继续施加应力的建议是有问题的。当桥梁支撑在SPMT上时，应力钢筋用于临时情况。一旦桥梁被架设在永久性支架上，对斜杆再次张拉预应力会增加斜杆及其连接节点的负荷，而不是减少荷载。 施工方按照指示对斜杆再次张拉预应力，在桥梁倒塌时基本上达到指示张拉的预应力值。 OSHA将这种破坏描述为“混凝土爆裂”，用术语形容应为剪切或冲切破坏：桁架节点的上部剪短桥面板，部分混凝土沿着施工浇筑期间形成的施工缝破坏。  图8 图8显示了失效后的节点，图中空心部分原来是实心混凝土；照片底部边缘中心的粗糙区域,为桁架斜杆与桥面板连接的位置。各种垂直管道似乎是用于照明电缆等设备。  图9 图9显示了同一区域从倒塌现场移除后，从桥面板端部的视角图。 破坏前观察到的裂缝与图片一致，包括斜腹杆11上的纵向裂缝，这可能是由底部节点的纵向移动引起的，由于混凝土内上下受力钢筋的不同锚固位置而发生裂缝。 图10 图10显示，随着节点的破坏，在破坏处桁架结构不再为空间三角形，桥梁的全部荷载仅靠雨棚和桥面板来承受，桁架的各个杆件不再按原设计承受荷载。这种设计被描述为缺乏冗余性，缺少二次负载路径。此外，剪切破坏比弯曲破坏更为突然。 图11 图11是OSHA报告中所示的节点细节，从侧面看，施工缝的位置不清楚，但报告在其他地方指出，桁架斜腹杆和竖杆是在桥面板之后浇筑的，因此接缝水平穿过图中斜腹杆的中间。 OSHA的计算表明，穿过施工缝的钢筋的组合承载力，加上斜腹杆11轴向荷载垂直分量引起的摩擦，不足以抵抗斜腹杆11轴向荷载的水平分量：剪切荷载超出抗剪承载力22%。若对斜腹杆11再次张拉预应力的情况下，剪切荷载超出抗剪承载力将高达45%。下面的图表可以更清楚地表达这一观点。 OSHA报告显示了节点冲剪破坏，从俯视图观察节点，斜腹杆11的作用力如图12所示。 图12 该报告没有说明为什么当桁架首次落在其永久支撑上时未发生故障，而那时的荷载和预应力状态与发生故障之前的相同。 裂缝发展的原因可能为：对已经严重断裂的结构再次施加预应力，会导致施工缝的剪切面发生滑动。在这种情况下，阻力会大大低于设计规范值。断裂和滑动本身可能是由于安装时混凝土表面的初始破坏造成的，随后穿过接缝的钢筋发生塑形破坏，导致产生裂缝并逐渐发展。 调查表明冲切破坏是三维的，因此节点的二维图具有误导性。目前还不清楚的是，斜腹杆11中的压力是如何传递到后张桥面板的受拉系统中的。OSHA的报告指出似乎是由于缺乏足够的设备，将这些力从桁架平面横向转移到桥面板平面而造成了这一故障。 在OSHA分析中，桁架节点的设计不足，桁架的承载能力不足以抵抗外荷载，但是独立检查员没有对此进行检查（据报道，独立检查员计划仅在成桥后的结构进行检查）;设计中没有冗余，如果任何一个桁架构件失效，桥梁坍塌将是不可避免的；垂直管道位于节点的任一侧，都会削弱整个区域，增加桥梁的脆弱性。 OSHA提出的原因和破坏情况是一致和令人信服的。但是报告中缺乏图表显示力线，裂缝的位置以及最终的失效模式，下面为作者做的结构分析。 图13 图13显示了斜腹杆11中的压力（红色），可以分解为垂直的压力和水平剪切力（均为灰色），其中斜腹杆11与桥面板相连，水平力由桥面拉力平衡（蓝色）。 图14 图14显示了倒塌前可见裂纹的位置（黄色），以及与这些裂纹相对应的节点上部的移动方向（白色）。 图15 图15粗略地显示了混凝土失效导致坍塌的区域，用黑色突出显示截面的左侧边缘，在这块区域内混凝土发生冲剪，而在同一区域的右侧边缘，破坏是通过斜腹杆和桥面之间的施工缝进行纯剪切。 施工图显示了穿过该部分施工缝的抗剪钢筋，在一些OSHA照片中也可以看到失效钢筋。报告没有说明这些钢筋的直径，但从照片上看，它们与其他可见钢筋相比显得非常细。 存在的疑虑 OSHA得出的结论是：（a）桁架节点设计不足，无法承受其设计荷载；（b）当发现明确的结构问题时，专业人员未能采取足够的预防措施。 应该给予参与人员更多的解释原因，找出OSHA提出论点的缺陷。作者认为以下地方存在疑虑—— 1.负责公路安全的机构如何确保设计和施工过程的安全性？是否应由相关机构对结构设计方法，特别是关键位置、特殊节点等进行审查和批复？在英国，施工前需按照技术审批流程提出设计方法，并由相关基础设施管理局审查，审查通过后方可施工。美国当局是否采取了类似的措施，如果没有，是否有从国际经验中吸取教训？ 2.需要进一步明确同行评审人的范围。对于这个特殊的结构设计，在不同的施工阶段荷载发生了显著的变化，但同行评审完全忽略了关键的施工阶段，包括倒塌发生的阶段。施工阶段审查本来是他们工作的一部分，但是却没有尽到相应的责任。 3．缺少设计方提供的计算文件，不清楚设计阶段的节段是否正确和全面。OSHA报告给出了机构自身计算的结论，没有说明设计方提供的计算结果，也没有说明为什么设计方给出的结果是满足条件的。 4.考虑到结构明显缺乏冗余，设计师是如何概念化关键细节的？是否应用了简单的剪切规则，或更详细地模拟了复杂的细节，如节点？ 5.为什么设计师说裂缝不是安全问题？事后看来，严重的裂缝发展证明了强度不足。一旦混凝土以这种方式开裂，节点的强度就会立即降低。 6.其他项目参与者完全依赖设计师的建议是否合理？其他参与方有足够的专业知识来判断结构的安全性，但是却没有采取合理的预防措施。 7.是否存在一些外部压力，与成本或方案有关，或与不进一步干扰交通的愿望有关？ 8.这是最合适的设计吗？尤其是材料的选择，很难相信这种破坏会发生在钢桁架设计中。 OSHA的报告非常直接和简洁地分析了桥梁倒塌原因：桁架节点冲切破坏；节点设计能力不足；设计师和其他参与该项目的人员都没有意识到初始开裂的严重性；没有人采取任何措施来防止裂缝发展，或保护公路交通；再次张拉两根斜腹杆的预应力，使结构受力更加不利。 此次FIU天桥倒塌事故调查到此，仅仅明确各方责任是不够的，错误是不可避免的，应该建立识别错误（如独立检查）和最小化其影响的机制（如采用坚固的材料和结构形式）。 如果OSHA的报告是准确的，那么也暴露了行业内许多严重的问题。从与业内其他人的交谈中，FIU人行天桥项目遇到的问题并不是唯一的：对建议的依赖而不受挑战；认为有能力的人做的每件事都是正确的；不愿意接受今天的证据并想象明天会发生什么；认为由于一件事尚未解释，不应采取任何行动的建议。 其中许多都可以归因于认知偏差，项目的参与者应反思自己的安全文化：建立项目在出现问题时的处理机制、建立处理突发情况的奖惩机制；明确工程师项目实施工程中的责任划分；对项目可能出现的问题采取超前预防措施。 结构工程师通常倾向于简单地遵循正常的过程、标准和方法。风险评估通常集中在施工和运营风险，甚至是商业风险上，很少有项目在制定结构工程计划前，对结构倒塌风险进行评估和分析的。解决如何使结构安全建设的最佳方法是，首先解决它将如何倒塌，这是一个可以从许多灾难中吸取教训，但是目前仍然没有真正地应用到实践中。 编译者的一些理解 参建各方角色——文中FIU是业主，MCM获得了该桥的设计施工总承包合同，FIGG是总包方MCM聘任的桥梁工程师和记录工程师，个人理解记录工程师相当于国内设计代表，但是权限更大。施工工程师和检查员CEI对业主FIU负责，相当于国内的监理工程师。设计同行评审顾问，在本案例中由FIGG付费，费用少，只完成成桥阶段复核计算。 （本文综合Investigation of March 15, 2018 Pedestrian Bridge Collapse at Florida International University, Miami, FL；U.S Department of Labor Occupational Safety and Health Administration Directorate of Construction；June 2019等资料编译。） 本文刊载 /《桥梁》杂志 2019年 第5期 总第91期 作者 / 陈多 董佳霖 作者单位 / 浙江省交通规划设计研究院 |
|
|
