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临时托架坍塌事故分析

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2021年,某双支薄壁桥墩施工临时钢托架在预压施工过程中发生坍塌,造成4人死亡。根据事故调查报告,对倒塌过程进行分析,从中吸取教训,为托架等临时支架施工提供参考和借鉴。

01

托架设计与荷载工况

事故发生时,桥墩及托架已施工完成,正在进行0号、1号梁段施工前的预压作业。墩顶下部预埋了6根双拼工字钢托架纵梁,贯通穿过双肢薄壁墩。纵梁上方安装底模横梁、分配梁和钢模板,形成预压托架体系。


图1 桥墩与托架结构示意图


图2 托架预压示意图

纵梁由5.4m和12m两段I40a工字钢接长,再将两根接长后的工字钢错缝反向拼装成双拼纵梁,接长拼接位置位于纵梁与桥墩的连接处,如图3所示。托架斜撑、竖杆与纵梁及预埋钢板相连接。预埋钢板背部通过3根Φ25 U型螺纹钢筋锚固于桥墩混凝土内。斜撑与纵梁之间采用4个M20、8.8级高强螺栓连接,如图4所示。


图3 托架结构俯视图


图4 托架结构示意图

施工方案采用混凝土预制块进行预压,以单侧混凝土重量约672t为基准,按60%、80%、100%和120%四级加载,要求每级加载后静停1小时观测变形,此后间隔12小时记录沉降量,满足规定条件后方可继续加载。实际加载过程中,现场完成60%荷载加载后,继续加载,托架在80%预载工况过程中发生坍塌。

02

施工缺陷调查

事故后的残骸调查表明,取样的工字钢、钢板及螺纹钢筋的化学成分和相应力学性能满足要求。但节点连接、纵梁拼接和预埋件施工存在问题,降低了相关构件和节点的承载能力,主要表现如下。


图5 钢托架节点施工缺陷

(1)斜撑上端节点抗剪承载力不足

斜撑与纵梁采用4个M20、8.8级高强螺栓连接,螺栓孔径为24.5mm。连接板基本平整,未见焊接痕迹,螺栓孔未见明显变形,连接板上的螺栓均有脱落情况。托架斜撑上部节点抗剪承载力不足是造成这起倒塌事故的直接原因。


图6 托架纵梁与斜撑连接破坏情况

(2)纵梁接长位置不当,焊接质量存在缺陷

纵梁接长拼接位置位于纵梁与桥墩的连接处,处于内力较大部位。部分纵梁沿接长焊缝断裂,另一侧贯通工字钢发生较大变形,上翼缘和腹板出现明显颈缩。接长焊缝存在无坡口、无垫板和未熔透等问题,多数焊缝深度仅为翼缘厚度的30%~50%,未达到熔透等强焊要求,如图7所示。接长位置不当及焊接质量缺陷降低了纵梁的受弯承载能力。


图7 焊接失效

(3)斜撑下端未设置设计要求的工字钢

斜撑底部预埋件下方未设置设计要求的3根工字钢,降低了该处的抗剪承载能力。8块预埋钢板中有7块脱落,锚筋呈受拉破坏特征,断裂位置主要位于上部。所有预埋件均无竖向滑动痕迹。


图8 预埋件残骸

03

破坏过程反演

分别以上述三个关键节点率先失效为起点,推测结构后续的破坏过程,并与现场残骸对照,评判是否相符,用以验证结构率先破坏的节点。

(1)斜撑上端节点率先破坏

假设斜撑上端节点的四颗螺栓率先断裂,纵梁与斜撑失去连接,纵梁会呈现悬臂梁受弯破坏的特点,即上翼缘和腹板失效。实际上,纵梁下翼缘未断裂,仍然悬挂在桥墩,与残骸照片相符。


图9 斜撑上端节点率先破坏后的破坏过程推测


图10 纵梁悬挂在桥墩上

(2)纵梁接长焊缝位置率先破坏

若纵梁焊缝节点首先失效,纵梁将会脱落,与实际情况(纵梁仍然悬挂)不符。


图11 纵梁接长焊缝节点率先破坏后的破坏过程推测

(3)斜撑下端预埋件率先破坏

若斜撑下端预埋件率先破坏,即预埋钢筋断裂,预埋件会向下滑动,并在混凝土桥墩留下钢筋滑动的痕迹,但预埋件位置的残骸照片并未发现预埋钢筋的滑动痕迹,与实际情况不符。


图12 斜撑下端预埋件率先破坏后的破坏过程推测


图13 预埋钢筋没有滑动

根据上述破坏过程推测分析,斜撑上端为率先破坏的节点,与事故报告一致。

04

非线性倒塌模拟

为了进一步证明结构破坏过程,建立了ABAQUS三维实体有限元模型,采用动力显示分析步进行非线性分析。分别定义了螺栓(8.8级)、工字钢(Q235)和预埋钢筋(HRB400)的弹塑性本构和损伤本构。


图14 材料弹塑性和损伤本构

模拟结果如图15所示。托架倒塌首先由斜撑上端螺栓连接失效引起。连接板发生滑移后螺栓触碰孔壁,螺栓受力迅速增大并断裂,而此时纵梁仍处于弹性阶段。螺栓断裂后,斜撑逐渐向外滑出,纵梁失去斜撑支承,以悬臂方式承担上方荷载,靠近墩身处的弯矩和应力急剧增大,随后纵梁根部发生剪弯破坏,最终导致托架坍塌。

为判断纵梁焊缝缺陷是否决定倒塌结果,比较了双拼截面完整受力和仅单根工字钢有效受力两种情况。两者出现几乎相同的破坏顺序,表明即使纵梁焊接质量满足要求仍无法阻止倒塌。因此,尽管纵梁焊缝缺陷削弱了承载能力,斜撑上端连接失效是本次倒塌的关键。


(a)双拼截面


(b)单工字钢截面

图15 托架倒塌过程模拟

非线性倒塌模拟视频如下,破坏顺序为:斜撑上端螺栓断裂——斜撑下端预埋钢筋断裂——纵梁上翼缘和腹板断裂。

托架倒塌过程模拟视频

05

小结

根据事故分析报告披露的信息,事故原因如下:

(1)事故的直接原因是:托架斜撑上部节点抗剪承载力不足,使托架在预载80%工况下垮塌。

(2)托架纵梁选择的接长拼接位置不当,位于纵梁与桥墩连接处,该处纵梁内力最大;双拼工字钢梁接长施工和质量存在缺陷,降低了纵梁的受弯承载能力。

(3)斜撑底部预埋件下方施工中未放置设计所提的3根工字钢,降低了斜撑底部预埋件的抗剪承载力;

(4)托架上方横梁在纵向未能与纵梁形成有效连接,降低了托架体系整体性。

临时结构往往由施工单位自行设计建造,设计冗余小。国内发生多起临时结构倒塌事故,需要尤其关注螺栓、焊缝和夹具锚具等关键节点设计和施工质量。

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