魁北克大桥(Quebec Bridge)——这个世界第一成了结构力学的反面教材

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在河水完全冻结之前,河流将无法重新路线。作为竞争对手,蒙特利尔已经拥有从西部到多伦多的铁路连接以及横跨圣劳伦斯河的维多利亚大桥,该大桥于1854年完工,迅速确立了蒙特利尔作为加拿大东部主要港口的地位。这些使得魁北克需要在圣劳伦斯河上建造桥梁更加迫切,但是桥梁并不容易,因为圣劳伦斯河最窄处也有3.2公里,水深58米,流速为14公里,波高5米。冬季,冰缘高达15米。

1850年,有人提议建造魁北克大桥。直到1887年,桥梁的建设才被提上日程,魁北克桥梁委员会成立。后来,加拿大议会通过一项法案,重组委员会,组建魁北克大桥公司,资本额为100万美元。并有权发行债券。尽管如此,该公司仍面临很大的财务压力,需要更多的政府资金。初步调查工作完成后,魁北克政府提供了财政援助。经过多年的争议,这座桥址于1898年被选为第一座鹿,并开始设计这座桥梁。

1897年6月16日,魁北克桥公司总工程师Edward Hall邀请他的朋友凤凰桥总裁David Reeves。 1897年,在魁北克举行的美国土木工程师学会(ASCE)会议上,凤凰城总工程师John Diss与Edward Hall会面,并建议凤凰城应免费提供桥梁解决方案,但施工必须由凤凰城进行。在会议上,Theodore Cooper还承诺为魁北克大桥公司提供咨询服务。主要涉及桥梁建设和与倒塌有关的工作。

魁北克大桥公司总工程师Edward Hall没有参与超过90米的桥梁设计经验。 1903年,魁北克铁路桥公司邀请了美国最着名的桥梁建筑师Teodoro Cooper进行设计和建造。 Cooper是纽约市的独立顾问,也是当时美国最好的桥梁工程师之一。对于Cooper来说,这个项目也将是他职业生涯的巅峰,因为魁北克大桥的跨度将超过英国的Forth Bridge。 Petroschi(1995)指出,Cooper非常有资格主持这个项目,因为他是钢桥施工的创始人,并且提出的桥梁铁路荷载计算方法也被广泛使用。

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魁北克大桥使用了一种相对较新的悬臂结构,首先在1867年使用。它的典型形式是主墩从一个方向的悬臂跨度突出,而另一个方向的锚臂跨越平衡。中跨与简单的支撑悬架连接形成整体结构,简单支撑中跨和悬臂横向重量由锚臂跨度和反倾销墩平衡。

Cooper获得了六个子结构设计和两个子结构。经过审查,他选择了凤凰城的悬臂桥解决方案。在整个过程中,凤凰城一直与Cooper(Holgate等人,1908年)保持联系,而魁北克大桥公司也赞成凤凰桥公司(Tarkov 1986)。所有这一切都让人觉得至少招标过程是不公平和不透明的,尽管许多人信任库珀(Holgate等人,1908年)。

凤凰桥公司获得上层建筑施工合同,戴维斯公司获得下层建筑施工合同。然而,由于经济原因,凤凰桥公司拒绝与魁北克大桥公司签订合同,这导致魁北克公司面临相当大的风险。 1903年,政府资金到位,财务问题得到解决。该合同最终于当年6月19日签署,魁北克大桥公司更名为魁北克大桥和铁路公司。

魁北克大桥是当时最长的悬臂梁结构。悬臂达到171.5米。两个悬臂支撑205.7米的简易悬架。梁体距离河流45.7米。初始设计跨度为487.7米。 1900年5月,库珀将主跨增加到548.6米,避免了深水墩和冰脊的影响,缩短了桥墩的施工时间。尽管跨度变化表面上是基于工程考虑因素,但跨度的增加(超过英国的Forth Bridge)使Cooper成为当时世界上最长的悬臂桥的工程师(Petro 1995; Middleton 2001)。

魁北克大桥于1900年10月2日正式启用。码头由大块花岗岩和混凝土组成,高度比最高水位高约8米。码头下方5.8米的码头由坚硬的花岗岩制成。码头设计坡度为1144.码头顶部为9.1米×40.5米。码头基础长45.7米,宽14.9米,高7.6米。沉箱重达1600吨。

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凤凰桥与魁北克大桥公司签订合同后,该桥的建设于1903年完工,但该桥的上部结构建设始于1905年7月22日。凤凰桥公司承诺完成工作在1908年底,否则它将向魁北克大桥公司支付每月5000美元的违约赔偿金,直到项目完成。

由于弱点和其他原因突然倒塌,导致悬臂落入河中。当时在桥上工作的钢铁和86名工人落入水中。由于河水很深,工人们被弯曲的钢筋压碎或淹死,75人被杀。这次事故是由Cooper的过度自信和忽略对桥梁重量的准确计算造成的。

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桥梁倒塌的全过程

在钢桁架梁的架设过程中,工人们发现一些和弦表现出明显的偏转。当试图铆接这些弦杆时,发现钻孔装置不是直线,并且最不利的压缩构件也显示出显着的弯曲变形,并且偏转随时间增加,导致桥梁坍塌。截面编号从悬臂的最外端到码头,从1到10开始,锚臂跨越符号“A”。例如,符号“A9L”弦位于第9节的锚臂的左侧(或西侧)。弦。

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魁北克大桥基本结构示意图

杆的偏转发现于1907年6月中旬,并向Cooper报告。由于压力杆具有预弯度,因此大多数杆被强制铆接在一起,并且一些杆仍未被铆接。 Cooper等。相信偏转相对较小的问题并不重要。 8月,使用了越来越多变形的和弦,因此库珀向凤凰公司的总工程师询问了7L和8L和弦的变形,并没有得到满意的答复。

凤凰城的首席设计工程师Peter Szlapka认为,弦弯曲发生在制造工厂,他后来承认他从未见过这些变形的和弦。 Norman McLure认为和弦在被按下后会弯曲。关于弦7L和8L的弯曲的争论尚未结束,并且Markur已经向Cooper报告在弦8L和9L中发生了类似的弯曲变形。这些变形的杆构件是靠近墩的负弯矩区域的下弦构件,并且压力负荷大。

铆钉的力量也在增加。

Cooper认为在安装过程中和弦已经弯曲,但没有证据支持这一点。现场的工程师认为情况并不严重。棒材制造商坚持认为棒材在出厂前符合要求。在1905年的施工期间,发现A9L在竖立之前变形,并在桥上进行了修复和竖立。然而,后来发现A9L引起了整座桥梁的倒塌。

虽然库珀非常有经验,但似乎对他面临的问题感到困惑。在60岁时,他接受了魁北克桥工程咨询工程师的工作,并监督钢构件的制造和安装。出于健康原因,他无法当场工作,只能根据他人报告的信息做出决定。 Cooper依靠施工现场的年轻工程师Marco Ruhr做出准确及时的决策(Petro1995; Middleeton 2001)。

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辞职后,工人人数大大减少。有些人担心会有更多的工人临时离开工会,这将导致工程延误,因此不会停止工作。

在例行检查后,弦A9L的偏转在两周内从19毫米增加到57毫米。相应的弦A9R也在相同方向上经受弯曲变形,并且偏转问题变得越来越严重。工头决定暂停工作直到问题解决。 1907年8月27日,施工停止。马库尔对库珀说,要求他在重新开始工作之前对此事进行审查。第二天,Marco Ruhr也前往纽约向Cooper寻求建议。

魁北克大桥公司总工程师Edward Hall说服工头重新开始工作。霍尔向库珀解释道:“停工对各方面都有不良影响,可能导致人力不足,施工完全停止。两天后,事情被传递到凤凰公司的最高层。经过讨论,它决定重新开始,因为他们已经处于某种状态。在安装之前,默认和弦已经弯曲,凤凰城的总工程师表示和弦具有很高的安全系数。

与此同时,Markur正在与纽约的Cooper会面,他们都不知道他们已经重新开始了。 1907年8月29日,经过两人的简短讨论后,库珀打电话给凤凰城凤凰办公室,要求不要装载它,等待马科尔(Marcorull)前往现场。 Cooper认为这比直接通知施工现场要快。 Markurur向Cooper保证,他在前往凤凰城的途中已经将建筑工地的指令传给了施工现场,但他没有在途中发出指示。

1907年8月29日,13: 15,Cooper的指示抵达凤凰城办公室,由于总工程师不在场,订单被推迟了。 15: 00菲尼克斯总工程师回到办公室。看到这个消息后,他在Marcoruer抵达后安排了一次小组会议。 17: 15 Marquel到了,他简要地讨论了情况,决定等到第二天早上采取措施。当工程师研究对策时,魁北克大桥倒塌,声音传到10公里外的魁北克。大约15吨钢的整个南跨落入河中,当时只有86名建筑工人,只有11人幸免于难。

随着桥梁载荷的增加,弯曲的下弦A9L发生弯曲,载荷立即转移到相对的A9R杆上,A9R也弯曲,然后全桥坍塌,只有墩完好无损。

事故调查结论

加拿大成立皇家委员会调查事故原因,包括蒙特利尔的Henry Holgate,Belford的John Kerry和多伦多的John George Galkerry。调查发现,坍塌的直接原因是弦A9L和A9R屈曲。主要原因如下:

魁北克大桥倒塌是因为主桥墩锚臂附近的下弦设计不合理且不稳定;

杆的允许应力水平太高;

严重低估了体重,未能及时纠正错误;

魁北克大桥和铁路和凤凰桥的权力和责任是未知的;

魁北克大桥和铁路公司过于依赖个人和经验丰富的桥梁工程师,导致在桥梁施工期间几乎没有监督;

凤凰桥公司的规划设计,制造和安装工作没有问题,钢材质量也很好。不合理的设计是一个根本性的错误;

当时的工程师并不了解钢筋的专业知识,也无法设计像魁北克大桥这样的大跨度结构。

桥梁坍塌原因分析

1.工程技术

通常,悬臂梁桥的上弦和下弦设计为直杆,易于制造。由于美学上的考虑,魁北克大桥的弦杆设计为略微弯曲,这增加了制造难度,增加了杆的二次应力并降低了屈曲强度。

在安装过程中未正确设计连接节点。所有杆端设计都基于杆在最大载荷下的小偏转。弦杆的拼接板通过螺栓连接,这会导致大的变形。开始时,这些接头只有一端紧密接触,除非变形足够大,否则接合板不能传递负载。从这个观点来看,拼接板应永久铆接以形成承受轴向载荷的刚性接头。因此,在拼接板铆接之前必须特别注意这些节点。

除了设计问题,Cooper增加了桥梁的允许应力,正常载荷的允许应力为145 MPa,极限载荷为165 MPa。这些值太高,因此受到桥梁工程师的质疑。但是,由于Cooper的声誉,这个允许的压力值被接受。 Cooper根据构件的长度比(Lr)提出了允许的应力σ公式:

其中L是支柱的长度,r=√IA,I是惯性矩,A是杆的面积。

下图比较了现代AISC规范中Cooper配方与A36和A33钢的允许应力值。对于细长比为10到100的所有杆,Cooper的允许应力值超过当今常用值的3.3%至8.7%。 Cooper的配方是不安全的,考虑到钢的质量和当时的压力杆水平。

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在AISC规范中比较魁北克桥与A36和A33钢的允许压应力

魁北克大桥是一个大跨度结构,当时知之甚少,魁北克大桥公司缺乏全面测试的资金。 Cooper要求对眼杆(主张紧弦)进行大量测试,而不测试压力杆。

跨度从487.7米增加到548.6米,但负荷没有重新计算,应力计算仍然基于487.7米的跨度。 Cooper在发现此错误后立即做出估计,发现压力增加了约7%。重新计算自重,发现压力增加了10%以上。该桥的初始设计为276 MN(2760吨),实际桥梁为325 MN(3,250吨),增加了18%(Tarkov 1986)。凤凰城和魁北克省的工程师忽略了纠正自身重量的需要,因此,杆在安装后受到过度应力。

根据皇家委员会报告自重的计算值和实际值,桥梁计算存在基本误差,正确的桥梁计算结果应与实际情况接近。当发现自重计算误差时,结构的大部分制造和安装工作已经完成。除了增加桥上的允许应力外,库珀别无选择。

2.工程管理

Cooper不在现场,但坚持完全控制施工。那时,Schreiber建议铁路和运河管理局聘请第三方咨询工程师审查Cooper的工作并做出最终决定,而Cooper,魁北克大桥和凤凰城都反对。 Cooper也亲自说服Schreiber,因此魁北克桥公司未能澄清Cooper的权威。

Cooper做出了最终决定,因为没有明确的管理体系。虽然由于生病不可能到达施工现场,但所有关键问题仍然存在。因此,施工现场没有人监督并做出决定,特别是当结构不安全并需要停止工作时。一旦有需要,站点管理员应该相互协商并做出决定,以便推迟执行的可能性很小。皇家委员会的调查报告指出:“很明显,在建造世界上最宏伟的桥梁时,没有一个人有足够的经验,专业知识和应对可能危机的能力”。

组合物形成组合的横截面。由于铆钉的剪切破坏,在测试过程中晶格系统迅速被破坏,然后弦被弯曲。结果证实了调查委员会的猜想,即和弦力量不足。四个独立的钢板没有足够的强度彼此连接以形成整体力单元。

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下弦的横截面和平面图(单位:mm)

魁北克大桥倒塌后,对压力杆和连接进行了前所未有的大规模试验和研究,促进了工程领域的重大进展和桥梁规范的发展(Shepherd and Frost 1995)。

它还促进了两个组织的建立:AASHTO(国家公路和运输协会)成立于1914年,AISC(美国钢结构研究协会)成立于1921年。这些组织资助了公司无法负担的研究。促进工程的发展(Roddis 1993)。

魁北克大桥还涉及以下工程管理问题。首先,结构变形长期以来一直被忽视。长期以来,现场工程师一直在争论他们的原因。虽然工人缺乏专业的技术知识,但他们似乎是唯一真正了解桥梁结构问题的团队。因此,工程师必须当场听取经验丰富的工人的意见。其次,Cooper拒绝其他工程师。审查工作。在审查之后,工程师可能不允许结构的实际应力如此之高,而在桥梁坍塌之前可能会发现其他错误,例如低估自重。因此,Cooper的工程专业知识成为确保桥梁结构安全的唯一因素(1993 Roddis)。

然而,在魁北克大桥首次倒塌后,政府为新桥的设计和建造提供了资金。新桥的设计非常保守,组件的尺寸急剧增加。旧桥的压力控制构件的横截面积为平方米,而新桥的横截面积为平方米。在重建过程中也存在问题,并且在1916年发生了第二次坍塌。在施工期间,悬臂中跨通过驳船而不是悬臂组件运输和提升,因此悬臂的长度减小并且棒上的力也减少了。悬臂的中跨长195米,超过5000吨。需要将其升高到水面以上46米的设计位置。 1916年9月完成了和龙十字架的预制后,该船被运到桥址,在驳船固定后,开始提升作业。首先是和龙穿过四角到吊杆,然后使用液压千斤顶每步提升60厘米。当它升到水面以上9米处时,一个角落的支点突然断裂,其他支点不能承受所有载荷,导致变形和变形。落入河中并杀死13名工人,原因是连接细节不足。新桥最终于1917年完工,其重量是旧桥的2.5倍。

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结论

魁北克大桥经历了艰辛困苦,在建设开始时面临严重的财务问题,项目进展延迟。在确定自重的计算误差后,没有采取合理的措施。在整个项目的过程中,当结构安全与经济发生矛盾时,通过降低结构安全来解决矛盾。咨询工程师库珀做出了大部分错误的工程决策。由于健康问题,他无法在现场工作,这导致了该领域的混乱。当变形变得越来越严重时,表明整体结构逐渐失效。现场的工程师可能已经意识到问题的严重性并且应该停止施工,但是他们缺乏对Cooper判断的信心和权力,并且不需要停工,导致悲剧。发生。

该形状用于纪念事故和事故中被带走的生命。结果,这枚戒指成为后来在工程界闻名的工程师们。戒指戴在右手的小指上,手指在绘制时绘制,提醒工程师要有高度的责任感来设计安全,强大和有用的结构。

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公路和铁路桥,从大西洋沿岸的哈利法克斯东海岸到太平洋的鲁珀特王子港。该桥全长986.9米,主跨548.64米,中间长195.1米,长156.97米。 177米长的悬臂支撑着195米长的中间部分,形成主跨。该桥仍然保持着世界上第一个悬臂梁桥跨度记录。

由于Doe的命运,1987年,魁北克大桥被加拿大和美国土木工程师协会宣布为历史古迹。 1995年9月1日,加拿大邮政发行了《桥梁》一套四枚邮票,其中一枚是魁北克大桥。 1996年1月24日,这座桥成为加拿大国家历史遗址。

1966年至1970年间,在魁北克大桥旁边建造了一座新桥。它最初被称为“新魁北克大桥”,后来改名为皮埃尔拉波特大桥。可能是“魁北克大桥”这个词不是禁忌。吉利。

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