奇拉贾拉大桥坍塌事故的调查
ACI第灾害勘察委员会成员进行的一项研究的摘要
作者：SantiagoPujol,MichaelE.Kreger,JonathanD.Monical,ArturoE.Schultz
哥伦比亚政府正在通过其国家基础设施局（AgenciaNacionaldeInfraestructura，ANI）对包括交通系统在内的建筑基础设施进行扩建。奇拉贾拉大桥是一个1号项目中的47座桥梁之一，该项目旨在将波哥大至维拉维森西奥的高速公路从两车道扩大到四车道，大桥承担其中的两车道。在施工过程中，奇拉贾拉大桥的二分之一于年1月15日倒塌。ACI第委员会承担灾害勘察的任务是收集影响钢筋和预应力混凝土结构的灾害信息。收集到的信息被用来为ACI委员会制定规范条款、设计建议和说明提供信息。坍塌事件发生后，ACI委员会的代表与ANI联系，要求进入现场收集任何可以将坍塌与需要改进的设计建议联系起来的信息。这篇文章总结了调查的结果。
大桥概况
该桥是一座斜拉桥，预计总长度为.3米（英尺），横跨近米（英尺）深的奇拉贾拉峡谷。它由两座钢筋混凝土桥塔支撑，每座桥塔有52根斜拉索。每个塔的高度为.34米（英尺）（在挖孔基础之上），塔的中心到中心的距离为.3米（英尺）。斜拉索由ASTMA/AM级（抗拉强度为,psi[MPa]）钢绞线束组成。如图1所示，中跨斜拉索的典型间距为9.25米（30英尺）。边跨约为80米（英尺）。在较短边跨的端部，设置有巨大的桥台以提供反力抵御施加在较长中跨上的部分负荷。
图1：奇拉贾拉大桥布置图，总长度为.3米（英尺）的斜拉桥，横跨近米（英尺）深的奇拉贾拉峡谷：（a）建成后的大桥示意图（从南面看）；（b）年1月15日坍塌时的西塔示意图（注：尺寸单位是米；1米=3.3英尺）
西塔（位于图1中的B塔）倒塌，夺走了9名工人的生命。当时，桥梁建设已接近尾声，每座桥塔悬挑的桥面两端相距约30米（98英尺）。据报道，在倒塌时，倒塌部分没有进行涉及重物或外力比较大的施工活动。
关键部件、尺寸和性能
主梁是一个13米（43英尺）宽的钢-混凝土复合结构，有两个0毫米（59英寸）高的钢纵梁和毫米（33英寸）高的钢横梁，每隔3米（9.8英尺）支撑一个毫米（8英寸）厚的钢筋混凝土桥面板。
每个塔都有一个空心的38米（英尺）高的上塔柱，用来固定斜拉索（图2）。桥塔上塔柱为矩形，由一个菱形的结构支撑；菱形的最宽部分容纳了道路。桥塔混凝土的规定抗压强度为35MPa（0lbf）。提供给监理公司的标准圆柱体测试报告显示结果超过了规定的强度。上塔柱横截面的外部尺寸在顺桥向为6米（20英尺），横桥向为4.6米（15英尺）。相应的内部尺寸分别为4米和3.8米（13和12.5英尺）。因此，塔壁的厚度为1和毫米（39和16英寸）。
图2：桥塔的示意图
图3：下塔柱及其腹板的横剖面图（注：尺寸单位为米；1米=3.3英尺；钢筋尺寸使用ASTMA/AM术语表示--大致上，直径为1/8英寸的倍数）
下塔柱的柱子截面为6×1.6米（20×5.2英尺）（实心），顺桥向长，横桥向窄。塔的下部包括一个毫米（20英寸）厚的混凝土墙，作为下塔柱之间的腹板（图3）。在这个腹板的顶部和主梁的下面是一个6米宽、毫米（24英寸）厚的系梁——图纸中称为塔板（图4）。塔板在下塔柱最宽之处起到系梁作用。
在提供给作者的设计图纸中没有说明变形钢筋所要达到的标准。然而，提供给公路扩建项目监理公司的出厂合格证书列出了最小和最大屈服强度分别为60,和78,lbf/inch2（和MPa），要求最小延伸率为14%。这表明这些钢筋被设计为ASTMA/AM60级。
根据图纸，每根塔柱的竖向钢筋包括根10号钢筋（图纸上用ASTMA/AM命名法标明了钢筋尺寸），配筋率为1.2%。体积横向配筋率为0.5%。
上塔柱钢筋包括空心截面外周面附近的根10号钢筋和内周面附近的46根6号钢筋，其配筋率为1.1%。上塔柱的横向钢筋的体积比也是1.1%。
上塔柱的内部是用钢板加强的。钢板在顺桥向的厚度为20毫米（0.8英寸），在横桥向的厚度为25毫米（1英寸），通过剪力钉与塔柱混凝土连接。
图4：桥塔塔区横系梁构造（注：除非另有说明，否则尺寸单位为米；1米=3.3英尺；1英寸=25毫米）
下塔柱腹板在每个面附近用竖直和水平钢筋进行加强。垂直钢筋包括8号带肋钢筋（1%的配筋率），水平钢筋包括4号钢筋（0.26%配筋率）。图纸显示大约每隔三根竖向钢筋就有一根4号拉筋（如图3所示）。虽然图纸上要求竖直和水平钢筋的间距为毫米（8英寸），但我们在西塔腹板的遗迹中观察到，4号钢筋的垂直间距在至毫米（4至8英寸）之间变化。设计截面显示，腹板水平钢筋采用弯钩锚固在下塔柱主筋上，见（图3）。
塔板钢筋见图4，由12根直径为0.6英寸（15毫米）的无粘结后张预应力筋组成。我们认为，这些钢筋被指定为ASTMA/AM级钢筋。请注意，塔板带肋钢筋是在每个下塔柱柱面附近终止的。
由于施工过程导致塔板和下塔柱的混凝土之间出现冷缝，带肋钢筋无法在塔板和柱子之间传递拉力。带肋钢筋被搭接在一起，搭接位置远离关键部位。
施工顺序
在基础和桥塔建造完毕后，主梁从每侧桥台到相邻的桥塔先安装。在这一过程中，采用了支架来支撑着主梁，然后从桥塔往跨中安装主梁，这些主梁节段由斜拉索支撑，每座桥塔对称进行斜拉索挂索，达到平衡。安装七对斜拉索之后，中跨的其他主梁节段由锚在桥台的斜拉索来平衡。
倒塌
报告的情况
对于大桥倒塌的部分（西塔），据报道，从桥塔向中跨安装了13对斜拉索，主梁长度从桥塔中心悬臂约.5米（英尺）（见图1）。我们了解到，毫米厚的钢筋混凝土桥面板是沿着桥面长度浇筑的。我们还了解到，倒塌的桥塔所支撑的主梁在倒塌时只含有少量的活载。在（剩余的）东塔所承载的主梁上，已经安装了12对斜拉索，并为第13个主梁节段安装了主梁框架。然而，第12和第13节段的混凝土桥面板尚未完成。
同样重要的是，回顾一下结构在倒塌时没有经历的情况。桥梁的两个部分都没有承受很大的活荷载，而且混凝土桥面还没有施工沥青磨损层。最后，没有地震，没有强风的报告，也没有迹象表明桥塔地基出现了问题。
图5：西塔倒塌视频中的几帧，由桥北附近的一个安全摄像头记录。每一帧的时间间隔约为1秒
视频证据
一个安全摄像机记录了西塔倒塌时的情况。从该视频中提取的图片见图5。该序列清楚地显示，倒塌的主要特征涉及到桥塔下塔柱之间的分离，表明在塔板上或附近出现了拉伸破坏。其他桥梁部件几乎直接向下坠落。
现场评估
残骸
视频简化了结构部件识别和残骸标记任务（图6）。对残骸的检查显示，事故涉及到下塔柱和腹板之间的分离。图7显示，腹板上的4号水平钢筋在与下塔柱的连接处断裂。
尽管发生了坍塌，但腹板的残余部分出现了有限的裂缝，表明应变集中在下塔柱附近，即腹板水平钢筋断裂的地方。我们观察到，主梁上的斜拉索锚固装置没有出现故障，我们注意到，主梁在拼接处出现断裂。
未倒塌的东塔
年1月25-26日，东塔仍然矗立在原地。我们用强大的瞄准镜、带变焦镜头的照相机和无人机对桥塔进行了检查（图8（a）），我们观察塔板两端的冷缝是开放的（图8（b））。我们还注意到腹板的北侧有一条大裂缝，从冷缝附近开始，向基础方向延伸。我们估计这条裂缝的长度为8到9米（26到30英尺）（图8（c））。
图6：使用无人机拍摄的坍塌现场LCS和LCN分别表示下塔柱的南面和北面；UCS和UCN分别表示中塔柱的南面和北面，MAST表示上塔柱，WEB表示腹板，（图片由XenitalS.A.S.提供）
图7：下塔柱南面（LCS）的视图，显示了与腹板交界处的N4水平钢筋的残余。(a)整体视图；(b)下塔柱脱离腹板时向下弯曲的钢筋视图；(c)连接处钢筋颈缩和断裂的特写。
对桥塔的分析
将桥塔简单理想化为一个桁架
坍塌的视频表明，故障与竖向力有关。我们对坍塌时作用在西塔上的垂直载荷做了如下估计。
图9显示了西塔和甲板在倒塌时的受力图图。主梁的分布载荷约为6.5千帕（平方英尺），包括混凝土板和斜拉索。主梁从西塔悬挑.5米（英尺），所以主梁这个部分总共约为.5米×13米×6.5千帕=11kN（2lbf）。
因为测量到边跨最外侧的80米（英尺）跨度比悬臂部分要短，所以锚在桥台上的一组斜拉索必须受力以平衡该系统。这些支撑的垂直力会增加作用在上塔柱的垂直力。我们没有得到斜拉索张拉操作的记录。然而，我们通过假设水平部分和混凝土过渡块（在下一段中讨论）平衡了悬臂载荷，估计这个部分为3kN（,lbf）。
边跨主梁总长约为66米，重量为66米×13米×6.5千帕=5kN（1260lbf），其中66米（英尺）的尺寸是桥塔中心与桥台之间主梁的大致长度。一个混凝土过渡块（横截面约为3×3米[9.8×9.8英尺]，长度为15.7米[51.5英尺]）被放置在主梁和桥台之间。这块混凝土包括空隙，重约kN（,lbf），一半的重量由主梁的末端支撑。
上塔柱本身的重量接近12,kN（0lbf）。因此，上塔柱对中塔柱的总垂直力是+12≈kN（约7490lbf）。最后，中塔柱每根重近8kN（1lbf）。
如果我们把塔的上半部分理想化为一个简单桁架，其重量在构件的两端被分成两半，在每个上塔柱中的轴向力的水平分量将大约为：
因子1/2是塔中柱子数量的倒数。因子1/5是柱子和垂直面之间的大约角度的正切值。估算的水平力必须主要由作为塔柱系梁的塔板来抵抗。主梁本身没有帮助抵抗这种水平力，因为主梁与桥塔的唯一直接连接是支座，目的在于支撑部分主梁。在之前的估计中，我们假设这部分的重量相对于其他的重量来说是可以忽略的。
需要抵抗近1lbf（kN）的关键拉力，拉力从一个构件转移到另一个构件，确保可靠的长期能力，并禁止混凝土开裂，这需要在设计中极其谨慎，并对钢筋进行细致的细节处理。
将整个桥塔理想化为一个桁架（即忽略腹板）将使作为系梁的塔板的估计轴向力增加近一倍（达到近2lbf[kN]）。相比之下，塔板构件中唯一的连续筋由12根直径0.6英寸的级无粘结钢绞线组成。这些钢绞线的名义强度大约是12×0.in2×ksi=lbf（3kN），这比所需的-2lbf的拉力要小得多。
图8：使用无人机对东塔进行检查。(a)塔柱、塔板和腹塔之间的交接处；(b)塔柱和塔板间开放冷缝；以及(c)腹板上的大裂缝。
图9：西塔和主梁在倒塌时的受力图（注：1米=3.3英尺；1kN=lbf；1千帕=21psf）
这就是可能解释坍塌的最明显的问题。塔板--作为桥塔之间的系梁构件--不够强大。
垮塌时，桥上的载荷比使用时的预期要小，系统中的任何应力都没有理由远远地接近极限值。然而，静力学和前面描述的简单桥梁表示表明，塔板没有足够的能力。从这个角度来看，崩溃的原因应该不难理解。
桥塔和腹板线性分析
我们还对桥塔进行了线性分析，包括一个膜来代表连接下塔柱的腹板。这个模型的结果是，在关键的塔柱连接处的拉力约为0lbf（kN）。同样，这个力超过了塔板的承载能力。抵抗这一拉力所需的钢绞线数量（按强度工作）为26根（比提供的12根钢绞线多得多）。包括安全系数和考虑到坍塌时没有作用的载荷，我们可以预计这个数字应增加近三倍（约78根）。有趣的是，在塔板的横向方向（顺桥向），预计拉力几乎为零。然而，塔板图纸显示有14束预应力筋，每束预应力筋有8根，在这个方向上共有根预应力筋。
桥塔和腹板的有限元模型
更难解释的是，为什么西塔倒了东塔仍然屹立不倒。我们认为，在施工过程中没有更早地发生事故，因为结构能够通过桥塔腹板的裂缝和钢筋的屈服来适应一些力的重新分配。为了进一步探讨这个问题，我们使用SAP2建立了一个桥塔的近似模型，基于以下假设：
l桥塔被理想化为框架元素，在塔柱连接处有力矩传递，但在柱子和塔板的连接处没有力矩或轴向载荷传递。换句话说，塔柱和塔板之间的冷接点由轴向和弯矩释放来表示，解除塔柱和塔板之间相应的自由度；
l塔柱和塔板使用线性梁构件建模，假设弹性模量为-25,MPa（3psi）；
l下塔柱之间的腹板使用非线性分层壳元素建模，钢筋的屈服应力为MPa，混凝土的抗拉强度为1.7MPa（psi）。
l塔板--作为腹板顶部的加劲部分；塔板中直径0.6英寸的无粘结钢绞线所施加的力被模拟为外部夹紧力。
图10：腹板中水平钢筋的应力图，使用塔的有限元模型确定（整个塔被建模，但图中的柱子被截断）。下塔柱-腹板连接处的水平钢筋的应力随着夹紧力的变化而明显变化。(a)夹紧力P=,lbf（3kN）；(b)P=,lbf（kN）；和(c)P=1lbf（kN）
使用不同的夹紧力进行了三次分析。最小夹紧力是3kN，这大约是塔板中12根未粘合的钢绞线的抗拉强度。其他夹紧力为和kN。分析是以美国习惯单位进行的（夹紧力为,；,；和1,lbf）。在最高的夹紧力下，水平腹板钢筋没有计算出屈服。对于较低的3和kN的夹紧力值，在下塔柱-腹板连接处计算了屈服和集中应变。图10显示了三种夹紧力下水平配筋应力。请注意，在腹板上观察到的应力也低于混凝土在直接拉伸时的预期抗拉强度（可低至1.4至2.1MPa[至psi]）。
应变集中导致脆性反应，可以预期在腹板-塔柱连接处，因为混凝土在直接拉伸中的开裂应力与腹板中水平钢筋屈服时的混凝土截面的总应力差不多。在水平腹板配筋率为0.26%的情况下，混凝土的总应力可以计算为0.26%×MPa=1.25MPa（psi）。这种情况将导致有限的开裂，因为应变将集中在初始裂缝处。此外，塔板端未未配筋处的冷缝会作为裂缝的引发者。如果腹板配筋更多，实现结构延展性，可能提供更多的时间来对事故作出反应。
在东塔上观察到的裂缝（如图8所示）支持这样的假设：应变集中在板层的冷缝处和腹板-下塔柱连接处附近。为什么东塔没有倒塌？这里有几个合理的原因：
l由于东塔悬臂上最远的两段混凝土尚未浇筑，东塔的载荷较低。毫米厚的混凝土桥面板导致在13米宽的主梁上施加了4.7千帕的均匀荷载。因此，相对于西塔，悬臂一侧的总斜拉索索力可以减少61kN/m×2×9.25m=1kN。此外，锚定在桥台上的水平力可以减少kN，以平衡悬臂，从而使桥塔的斜拉索索力合理地减少1+×tan40°=kN-（减少10%）。
l东塔塔板的后张预应力力可能比倒塌的西塔更有效；
l东塔可能有更多的腹板配筋；或者
l最初的收缩裂缝可能更好地分布了应变，减少了立塔的脆性。
答案可能涉及这些合理的原因中的一个或几个。在任何情况下，很明显，东塔已接近其极限。(在一家咨询公司的详细研究之后，奇拉贾拉大桥的剩余部分在年7月被控制引爆而倒下)。
前面描述的应变集中意味着腹板钢筋很可能在倒塌过程的早期就断裂了。如果剩余的结构有足够的承载能力，这种断裂不一定会导致坍塌。
对不包括腹板屈服的失效机制进行极限分析，得出的预估阻力小于预估需求。为了安全运行，要求应远小于抗力。考虑到腹板的脆性，腹板和桥塔（作为塑性变形的一部分）不太可能同时达到其承载能力。
结论
我们认为，奇拉贾拉大桥西塔的倒塌是由于塔板作为系梁其后张法预应力筋远远不够。相反，在垂直方向（即横桥向），预计没有大的应力，该塔板提供了9倍的预应力筋。如果所提供的预应力筋旋转90度，坍塌就不会发生。
塔板上的预应力筋提供的横向约束不足--作为塔之间的系梁的关键部件--迫使下塔柱之间的钢筋混凝土腹板在拉力下工作。在腹板对这种拉力的反应中，有两个因素起到了关键作用。
腹板有最小的抗拉钢筋（水平腹板配筋率为0.26%）。它的强度与混凝土在直接拉伸中的预期开裂应力相当。当开裂应力和配筋强度相似时，变形集中在单个或少数裂缝处，并倾向于导致脆性破坏。
在塔板和下塔柱的连接处形成的冷缝不连续，迫使应变进一步集中，增加了系统的脆性。
需要在拉力下工作的关键构件应该用超过规范最小值的配筋量进行加固，以避免脆性破坏。腹板的脆性阻止了更好的力的重新分配，而这本可以延缓坍塌。
这个悲惨的例子再次强调了对所有项目进行同行评审的重要性，特别是大型复杂结构的项目。
作者SantiagoPujol,FACI,是印第安纳州西拉法叶市普渡大学Lyles土木工程学院的土木工程教授。他的研究兴趣包括结构的地震脆弱性、结构对冲动荷载的反应、结构健康监测、修复和结构加固。他是ACI灾害勘察委员会、ACI混凝土建筑简化设计委员会、ACI-R小组高强度钢筋委员会、以及ACI-ASCE钢筋混凝土柱联合委员会和ACI-ASCE剪力和扭转联合委员会的成员。
Chirajara大桥调查报告简要