白河大橋

極端作用下橋梁結構抗連續倒塌綜述

孟陽君;李燦

【摘要】當前,多起橋梁結構的倒塌事故造成嚴重的生命財產損失,嚴重危害公共交

通安全.因此,極端作用下的橋梁結構連續倒塌研究迫在眉睫.根據極端作用的概念定

義,簡要分析了極端作用下的國內、外的多起橋梁連續倒塌事故的原因,針對橋梁結

構抗連續倒塌的研究現狀進行綜述.根據相關研究發現,橋梁結構的抗連續倒塌研究

不同于建筑結構,有其自身的特點,因此,應建立自己的研究體系并制定相關規程等.

【期刊名稱】《湖南城市學院學報（自然科學版）》

【年(卷),期】2017(026)001

【總頁數】5頁(P14-18)

【關鍵詞】橋梁結構;極端作用;連續倒塌;綜述

【作者】孟陽君;李燦

【作者單位】湖南文理學院土木建筑工程學院,湖南常德415000;湖南文理學院

土木建筑工程學院,湖南常德415000

【正文語種】中文

【中圖分類】U447

近段時間以來，國內外各地相繼發生了多起橋梁的垮塌事故(絕大多數為極端作用

導致)，造成嚴重的財產和生命損失，危害交通安全，影響社會穩定．因此，我們

迫切需要研究橋梁結構的抗連續倒塌性能，弄清其破壞機制，提出抗連續倒塌的設

計、評估方法．

當前，極端作用下的橋梁結構抗連續倒塌已經成為一個工程研究的熱點．Priscilla

Nelson等(2000年)將極端事件定義為[1]：起因于社會、人類或自然環境的一種

嚴重的、罕見的、快速的破壞系統平衡的非線性反應，促使人類、生物、生態環境

及地球系統產生變化，促使各個領域或子系統之間產生相互作用，造成嚴重損失，

具有很大的危險性(并非一定危及人類，如國家公園火災)．911恐怖襲擊事件發生

后，PaulSlovic(2002年)將恐怖襲擊也納入極端事件的范疇．根據極端事件的概

念，其特性可以概括為：1)極端性；2)罕見性；3)后果嚴重；4)不確定性等．極端

作用是指導致極端事件的動因，包括地震、颶風、火山噴發、海嘯、泥石流、火災、

爆炸及撞擊等．

關于結構連續性倒塌的概念，現有幾種說法．一般認為是指結構部分組件的損傷或

破壞導致的相鄰組件損傷、破壞或者失效，之后導致更多的組件破壞失效，出現和

初始破壞、倒塌不成比例的破壞、倒塌，類似這種連鎖反應即為結構的連續性倒塌

[2]．

1968年，英國倫敦RonanPoint公寓發生煤氣爆炸事故，結構的連續倒塌問題首

次引起人們的關注．此后，世界各地又陸續發生多起結構連續倒塌事件，其中影響

較大的幾次結構連續倒塌事件詳見表1．

近年來由于地震、火災等極端事件的頻發，特別是爆炸、恐怖襲擊等極端事件的增

多，橋梁結構的破壞倒塌事故也越來越多．橋梁結構在設計的使用期限內可能會遭

受更多的初始設計沒有考慮到的偶辰牌 然作用，尤其極端作用．這些荷載作用遠大于正

常設計，一旦發生，可能導致局部結構破壞，從而退出原來的工作系統，結構發生

部分倒塌或全部倒塌，造成重大的財產損失和人員傷亡，影響社會穩定．因此，橋

梁結構抗連續倒塌需求顯著增加，結構抗連續倒塌研究逐漸引起了學術界的高度重

視．

2.1地震、洪水、颶風等自然災害

地震是工程結構易見的極端作用之一．根據中國地震信息網統計[3]，2005-2016

年十一年間，我國共計發生6級及以上地震64次，7級及以上地震7次．2008

年發生汶川地震，根據災后震害調查結果，受損橋梁高達6140座，各種各樣交

通基礎設施嚴重受損，直接經濟損失670億元．災后橋梁震害調查結果表明地震

導致橋梁結構連續倒塌的主要原因是上部結構移位、落梁及橋梁墩臺破壞．

在國外，由于洪災破壞公路橋梁的事件不少．在中國因洪災導致公路橋梁的破壞也

是非常嚴重的．根據民政部和國家減災委辦公室權威發布的全國自然災害基本情況

[4]，2015年我國災害直接經濟損失達2704.1億元，其中由于洪澇和地質災害導

致損失就占到了34%．洪災是致使橋梁結構破壞的根源之一，其連續倒塌主要原

因與橋梁墩臺的沖刷及水流對上部結構的沖擊有關．

颶風引起的橋梁倒塌案例相對較少．1940-11-07，塔可馬大橋倒塌，其橋面高度

只有通常懸索橋橋面高度的1/3-1/4．它的倒塌原因主要是當時人們對懸索橋受力

體系的認識還不夠全而．2000-08-29臺灣南部的高屏大橋由于強烈熱帶風暴Bilis

來襲造成河流水位暴漲，加之橋梁基礎裸露嚴重，導致大橋下沉、斷裂．

2.2爆炸沖擊

作為橋梁極端作用之一的火災爆炸作用對大橋造成的破壞不可估量．近年來，隨著

經濟的快速增長，交通建設事業蓬勃發展，與此同時橋梁結構頻繁發生火災爆炸事

故，嚴重危及結構安全．統計資料表明由于火災倒塌的橋梁數量與地震倒塌數量之

比高達2.7，即使未倒塌，其修復費用也很高．中國在2010-2016年，更是發生

了多起橋梁火高中作文人物素材 災爆炸事故[5]，導致多人傷亡，造成巨大經濟損失，影響交通質量，

更有甚者造成橋梁坍塌．

2.3超限超載、撞擊

撞擊作用是橋梁的極端作用之一，主要包括車輛撞擊和船舶撞擊．隨著交通運輸業的發展，公路交通流量的驟增，現有的路網已經嚴重不滿足交通增長的需要，車輛

超限超載已成為交通運輸的普遍想象．2006年，一輛拖掛大貨車行駛至北京市東

三環路雙井橋北輔路二閘橋時，由于車廂超高，先撞毀限高龍門架，再撞上二閘橋，

導致橋梁結構嚴重受損．2009-06-29凌晨，黑龍江鐵力市西大橋發生垮塌，間接

原因由于3號墩基底局部被水沖刷脫空，基礎沉降和位移，承載力不足，誘發原

因是汽車超載．2011-07-19，0時40分，北京市懷柔區寶山寺白河橋由于一輛

160噸超載貨車過橋，導致橋梁垮塌．2012-08-24，5時30分左右，哈爾濱陽

明灘大橋引橋—三環路群力高架橋洪湖路上橋分離式匝道由于汽車超載發生斷裂，

導致的單側橋梁倒塌．諸如此類的事故，各地屢見不鮮，造成嚴重的人員、財產損

失，嚴重影響交通通行．

根據統計，1960-2007年，全球平均每年至少發生一起船橋碰撞事故．2006-

2011年，國內船橋碰撞事故頻發，造成巨額損失．武漢長江大橋自建成以來，累

計發生了70多起船橋相撞事故，南京長江大橋自建成以來碰撞事故較多，僅重大

船橋相撞事故就有28起，黃石長江大橋僅在1993、1994年兩年間就發生19起

船橋相撞事故，重慶的白沙陀橋在1998-2005年就有9起重大船橋相撞事

故．2007-06-15，325國道廣東九江大橋引橋(引橋跨徑布置：20m16m)被一

艘運沙船撞擊橋墩，導致大橋坍塌．

2.4加固、拆除等施工過程不合理

隨著經濟的快速發展，現有部分橋梁的承載力已經不能滿足交通量的增長需要，迫

切需要加固或重建．拆除或加固橋梁過程中，如果施工不當，也會導致橋梁倒塌．

2001-11-28，由于工人施工不當，先行切除橋梁上部橫梁，致使長沙撈刀河鎮一

座鐵路桁架梁橋結構破壞而倒塌．2007-08-13下午，湖南省湘西鳳凰縣堤溪大橋

第1孔突然垮塌，接著第2、第3、第4孔朝第1孔方向相繼倒塌，據報道稱，事

故直接原因是由于主拱支架拆除不合理導致全橋垮塌．2009-05-17，湖南省株洲

市紅旗路高架橋(122跨簡支預應力混凝土空心板梁橋)在拆除過程中發生了連續倒

塌．根據媒體報道，直接原因是工人在橋墩打眼施工過程中，引起橋梁振動，導致

橋梁結構重心變化，一個橋墩垮塌，致使橋面倒下，撞擊相鄰的橋墩，導致相鄰橋

墩也發生倒塌．

2.5設計缺陷、病害及其他

由于設計人員自自身知識的缺陷或是對材料、施工工藝等得認識不足，也會導致橋

梁結構的連續倒塌．

1878年，TayRail橋由于設計者沒有考慮橫向的風壓力，其次是缺乏對材料性能

的深入了解，致使該橋倒塌．1940-11-07，塔可馬大橋倒塌，主要原因是當時人

們對懸索橋受力體系的認識不夠全而．1970年，位于澳人利亞墨爾本的雅拉河上

密爾福德天堂橋倒塌，其原因是由于鋼箱梁板件的幾何缺陷和焊接殘余應力導致失

穩，最終橋梁破壞．1983年，美國康乃迪克州的MianusRiverBridge由于應力

腐蝕引起了緊固螺栓的脆斷，導致中間懸掛跨垮塌．

國內橋梁設計主要考慮其安全性能，對其本身的耐久、疲勞等考慮不足，隨著運營

時間的增長，導致橋梁結構發生突然的連續倒塌．

2001-11-07，四川宜賓小南門橋(鋼筋混凝土肋拱橋，凈跨240m，凈矢高48m，

矢跨比1/5)因部分吊桿斷裂橫梁脫落導致橋面坍塌．2011-07-14，福建武夷山公

館大橋(跨徑組合為(80+100+80)m)由于橋梁的個別吊桿突然斷裂突然垮

塌．2007-08-01，美國明尼蘇達州I-35W密西西比河大橋(3跨連續鋼桁拱橋)設

計時未考慮冗余設計，由于支座處節點板的疲勞銹蝕破壞突然坍塌．

橋梁運營過程中，由于附近河道的作業不規范，造成橋梁基礎承載力降低，也會導

致橋梁結構的連續倒塌．2005年7月，黑龍江省尚志市亞布力鎮興安橋由于近來

不斷有人在橋位附近挖沙采沙，致使河床變深，基礎掏空，橋梁突然倒塌．

近來，國內、外橋梁倒塌事故頻發，通過對橋梁的倒塌破壞情況進行調查研究后，

發現橋梁的部分倒塌在多數情況下都會引起連鎖反應，造成連續倒塌．

3.1結構損傷評估研究

目開的英語 前，結構的損傷評估研究主要分為以下兩個方面：①損傷評估指標的合理選取；

②損傷評估方法的研究．對此，各個學者提出了多種損傷評估指標及其評估方法，

主要包括4類，分別是基于強度、承載能力，變形、能量及其組合的雙參數、多

參數評估指標[6-9]．

3.2結構性能退化、劣化研究

橋梁結構的主要建筑材料為鋼筋混凝土及鋼材．研究表明：影響鋼材及混凝土的耐

久性主要包括兩個方面，即結構所在的環境及其耐腐蝕性，許多結構使用一兩年就

發生了諸如鋼筋或鋼材銹蝕、混凝土順筋脹裂、保護層剝落等現象，嚴重影響結構

的使用和安全．

3.3倒塌破壞的判別準則

橋梁結構的倒塌過程模擬分析，應該根據結構類型選擇對應的判別標準，標準不同

倒塌模擬分析結果一般也不同．因此合理選擇判別標準是評估結構抗倒塌能力的關

鍵．

概括來說，倒塌破壞判別準則主要包括強度評價指標(以強度或承載能力進行評價，

該準則經過多次震后倒塌破壞評價說明，采用強度或承載力指標作為倒塌破壞判別

準則是不全面的)、變形評價(例如：橋墩頂部和底部的位御劍情緣奇遇 移、整體或局部的位移、

應變)、應變評價、曲率家常炒面的做法 評價、能量評價及損傷評價指標[10]．

3.4結構倒塌破壞的失效模式

李鴻晶等[11]在汶川地震現場橋梁震害調查資料的基礎上，歸納、總結了汶川地震

中橋梁的震害，提煉出該地震中橋梁震害的主要特征．張行，張謝東[12]提出了基

于墩頂豎向位移的倒塌判別準則，以一座最大墩高為178m的高墩剛構橋為背景，

進行結構倒塌分析，并對其結構塑性變形特征進行研究．孫利民，游新鵬，魏朝柱

[13]以貴州省高速公路上跨越山谷的某大橋為例，在對全橋進行動力特性分析的基

礎上，采用有限元軟件LS-DYNA實現了對全橋倒塌過程的仿真．閏冬等[14]采用

極限分析方法，對斜拉橋(單塔)及連續梁橋進行倒塌模式的識別．陸新征等[15]基

于精細化非線性有限元和事故案例分析，研究超高車輛撞擊橋梁上部結構的損壞機

理與撞擊荷載．彭衛兵等[16]在塑性鉸位置、順序和橋梁結構重要性分布的相關性

的順序上，對雙跨圬工拱橋破壞過程進行了分析，并對碳纖維布加固混凝土梁模型

試驗進行了驗證．

3.5倒塌過程仿真分析

目前，橋梁結構倒塌過程仿真分析主要采用以下3種方法：有限元方法、散體單

元及無網格方法．

孫利民等[17]提出了基于EDEM的梁格模型．張雄等[18]描述了無網格方法的研

究進展和應用，對無網格法進行系統的描述和總結，并討論和分析了無網格法的進

展．徐俊祥，劉西拉[19]利用LS-DYNA程序建立數值分析模型，再現土耳其

Arifiye大橋在1999年地震中由于地裂引起的橋梁結構倒塌過程，研究結果表明

連續結構相比簡支結構更能有效防止橋梁破壞．孫鵬，羅韌[20]采用最新的材料本

構、合理的結構數值模型及結構碰撞模型，利用有限元軟件ABAQUS分析了一座

四跨連續梁橋在地震作用下發生連續倒塌的全過程，分析結果顯示，橋墩底部和中

部系梁連接處的破壞較嚴重，應該進行有針對性的抗震設農村黨員轉正申請書 計或加固．Ghali和

Tadros[21]針對加拿大NorthumberlandBridge的一座雙塔斜拉橋進行了連續

倒塌分析．Hao和Tang[22]研究分析某1018m主跨的雙塔斜拉橋在爆炸荷載

作用下的動力響應及其破壞模式，詳細研究可能發生的橋梁連續倒塌模式．盧嘯等

[23]利用軟件對一座石拱橋進行了兩種不同工況的倒塌過程仿真模擬，

分析了原因并采用Pushdown分析法進行了驗證．

3.6橋梁結構連續倒塌風險評估

進行橋梁結構連續倒塌風險評估需要確定結構、材料的特性，建立合理的計算模型，

選擇不同的極端作用進行結構反應分析，并依據不同的風險評估標準確定其連續倒

塌風險．橋梁結構連續倒塌風險評估各個環節中結構的動力反應及非線性是其風險

評估的關鍵．

姜健，李國強[24]詳細介紹了英國結構工程師學會(IStructE)2013年發布的結構抗

連續性倒塌的風險評估指南，并綜合比較其他規范相關方法的優缺點和適用范

圍．耿波[25]建立了基于風險評估的船橋碰撞系統安全評估的總體方案．

3.7結構抗連續倒塌設計方法

結構抗連續性倒塌的設計方法分為：①結構計算法，②構造措施法．結構計算法主

要有改變傳力路徑法和增強局部構件抗力法；構造措施法是指通過增加構造措施，

增強結構的整體穩定性．依據意外荷載類型，現有的建筑結構抗連續倒塌的設計方

法可以分為兩類：①不針對意外荷載的抗連續倒塌設計．現行各國規范一般采用拉

結構件法和拆除構件法，具體設計中，通過移除結構的一個豎向構件來考查剩余結

構的抗連續倒塌能力．②針對意外荷載的抗連續倒塌設計．目前各國對此還未有具

體明文的規定，大多是從概念設計—即從結構的整體性、構造、冗余度等方面來

加強結構的抗連續倒塌能力．陳寶春等[26]從設計人員的認識水平和設計責任等方

面分析了橋梁事故中存在的人為因素，并從結構方案和構造措施兩方面對如何提高

橋梁的抗倒塌能力提出了若干設計建議．

對所有橋梁結構都進行抗連續倒塌設計也是不合理的，應該建立相關指標來判斷橋

梁結構是否需要進行抗連續倒塌設計[27]．

2000年以來，各國工程界開始廣泛關注建筑領域的抗連續倒塌，為此，英美相繼

制定一些標準、規范，對此，我國尚未出臺相關的規定．針對橋梁結構連續倒塌在

我國研究起步更晚，且其研究不能完全等同于建筑結構，橋梁結構有其自身的特點

(例如獨特的結構形式、施工過程對結構內力的影響等)，相比國外還有很多工作要做，特別近期接連發生數起橋梁倒塌事故，給人民生命財產造成重大損失，嚴重影

響交通運行．僅從這個層面來說，進行橋梁結構的抗連續倒塌研究、建立倒塌橋梁

的數據庫及制定規范、規程等已是勢在必行．

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