![[分享]彭卫兵、戴飞：美国迈阿密FIU人行桥倒塌事故分析](/skin/img/logo.png){kind=logo}
[分享]彭卫兵、戴飞：美国迈阿密FIU人行桥倒塌事故分析
2018年3月15日，美国迈阿密在建人行天桥倒塌，已致6死9伤，引发国内外的广泛关注。本文结合现场视频和倒塌后残骸照片，对事故进行初步的分析。
FIU人行桥位于佛罗里达州迈阿密，全桥长320英尺（约97.5m），跨越道路那段175英尺（约53.3m），中央主塔高出地面108英尺（约32.9m），自重950t。天桥造价1420万美元（约合人民币8975万元）。采用快速建桥技术(Accelerated BridgeConstruction，ABC)兴建，3月10日只用了6小时便安放在桥墩上。桥的设计，可抵御5级飓风，寿命100年。该座行人桥是全球首条完全使用自行清洁混凝土兴建的桥梁，建筑中使用的二氧化钛(titaniumdioxide)，当暴露于阳光下，可吸走空气中的污染物，令桥身保持洁白。
1.基于残骸照片的人行桥结构三维几何信息获取
根据照片和相关效果图导入CAD进行描出立面图，以USA TODAYNEWS发布的信息：图1主塔高为79.91m，预制主塔高为13.92m，由已知主塔高度32.9m，按比例确定预制主塔高度为5.73m。以预制主塔高度为参考，由图2，可估算中间腹板沿桥长方向尺寸由东往西依次为0.7m、0.45m、0.6m、0.45、0.5m、0.4m、0.4m、0.4m、0.4m和0.4m。
图1 桁架整体立面图
图2 腹杆桥长方向截面尺寸图
图3 腹杆桥宽方向截面尺寸图
图4 顶板及底板截面尺寸图
（http://www.miamiherald.com/news/local/article204509369.html）
由图3可大致认为沿桥宽方向各腹杆截面尺寸相同，根据比例可估算沿桥宽方向截面尺寸为0.4m。根据图4可估算上顶板厚度为0.7m，宽度为4m；下底板厚度为0.5m，宽度为7m。
2.基于倒塌视频的事故原因分析
FIU人行天桥采用桁架式结构，上下弦杆采用预应力混凝土结构，而斜腹杆采用变角度的混凝土杆件结构。桁架结构的破坏型式主要包括上弦杆、下弦杆、斜腹杆和节点破坏这四种模式中的一种或几种。
事故发生后，研究团队收集整理了大量视频和照片资料。其中在YouTube上一段由行车记录仪拍摄的倒塌视频资料（https://youtu.be/p6L20i6_gzE）最为清晰。
从图5可以看出，直至视频8.229秒，人行天桥结构仍保持完好。
引发了人行天桥上弦杆①和下弦杆②显著向下的变形，如图7所示。
图5 8.229秒各腹杆笔直，结构完好
然而，在视频8.530秒，发现吊车在③处有一个动作，如图6所示，为进一步方便看清楚相关施工操作，特将视频中与吊车相关施工过程关键帧做成动图，如图7所示。
图6 8.530秒吊车施工操作导致结构振动
图7 施工动作
为描述外荷载作用下桥梁的振动，以图6中红色长方形标出的信号灯是否被遮挡为参考，来描述人行桥倒塌前的振动信息，如图8-图11所示。
图8 8.603s斜腹杆1失稳，能看到信号灯
图9 8.612s桥整体下降，看不到信号灯
图10 8.624再次看到信号灯，腹杆1出现失稳，丧失抗压承载力
图11 8.857秒最后一次阻挡信号灯
为了更加直观的表现人行桥在施工荷载作用下的变形过程，根据时间先后顺序，将上述在上述视频片段上用多条线段描出上弦杆、下弦杆和腹杆的位置，具体标记过程如图11所示。
图12 倒塌过程中人行桥各构件位置标记
通过标记发现，人行桥倒塌过程分为三个阶段，首先是施工荷载导致结构振动。在8.229s时，人行桥在节点1处向下发生变形，在8.530s时结构向上振动，在8.545s时，结构向下，节点1在8.229s到8.545s间发生了先向下，后向上，然后再向下的运动过程，如图13所示。
图13 节点1在施工荷载作用下的振动
第二阶段是以斜腹杆1的失去稳定为标志，在这一阶段，结构的整体变形很小，但是，斜腹杆1发生了很大的弯曲变形，说明斜腹杆1在失去稳定后丧失了抗压承载力，如图14所示。
图14 腹杆1发生失稳
第三阶段，斜腹杆1失稳后，人行桥无法继续承受自重，引发连续倒塌，如图15所示。
图15 失稳后人行桥迅速倒塌
为进一步方便看清楚三阶段倒塌过程，将倒塌视频中的几个关键帧做成动图，如图16所示。
图16 三阶段倒塌过程
因此，通过视频信息，可以初步判断，在施工荷载作用下，导致斜腹杆1发生失稳破坏，丧失抗压承载力，进而引发人行桥连续倒塌。
3.倒塌过程有限元分析
依据上节所述图片量测数据，运用ABAQUS有限元软件建立简化模型，采用混凝土C40弹性模型，单元类型采用C3D8R单元，顶底板与斜腹杆节点位置采用固结，计算在简支状态、吊机扰动荷载作用等状态下的结构受力状态。
在正常简支状态下，靠近主塔方向斜腹杆1为最大压应力杆件，斜腹杆2为最大压应力杆件，斜腹杆1为受力较危险杆件，如图17所示。在腹杆1及腹杆2节点部位有吊机作业，存在扰动荷载。因荷载大小未知，本模型施加了一个荷载为50t的较小的节点荷载，研究在加载及卸载后杆件应力的变化。
图17 状态1（简支状态）作用下结构应力云图
图18为扰动荷载完全加载时杆件应力云图，可知腹杆1压应力由39.4MPa增加到44.03MPa（弹性模型），在荷载卸载后，结构会出现小幅度振动，如图19所示，腹杆1应力最大值突增至68.67MPa，相较于状态1扩大约2倍，腹杆1在突增的应力下失稳。
图18 状态2（吊机扰动）作用下结构应力云图
图19 状态3（吊机扰动荷载卸除后）作用下结构应力云图变化
为模拟腹杆1失效后的结构的变形性能，拆除腹杆1继续计算。图20为拆除腹杆1后结构竖向位移云图，在图示靠近主塔黑色图框附近，出现最大竖向位移，结构进一步的失稳破坏，同时在节点1变形激增，与事故现场视频显示的结构变形一致。
图20 状态4（最大压应力杆件失效后）结构竖向位移云图
4.结论
基于目前掌握的视频资料分析和数值模拟的结果，初步认定：在自重作用下，结构最大的压应力发生在斜腹杆1，同时在施工荷载的作用下，导致人行桥斜腹杆1发生失稳，丧失抗压承载力，进而引起连续倒塌。另外，从数值分析的结果上看，在简支状态下，该人行桥仅在自重作用下，斜腹杆1已经存在接近于失稳的较大压力，在斜拉索施工完成前，撤去施工时临时支撑存在较大安全隐患。
彭卫兵，工学博士、教授、博士生导师，长期致力于桥梁倒塌事故分析和新型桥梁结构研究，提出了典型的独柱墩梁桥倾覆破坏模式，提出并建立了基于刚体和变形体转动的梁桥倾覆计算方法。主持国家自然科学基金2项、主持浙江省省自然科学基金、浙江省科技厅和交通部西部课题分项课题多项。
戴飞，博士、美国西弗吉尼亚大学助理教授、博士生导师，长期致力于建设工程信息化、安全与健康风险等方面的基础理论、技术、及应用研究，并在工程视觉传感研究领域做了一些国际有影响力的工作。目前担任美国土木工程师协会建设工程与管理杂志（Journal of Construction Engineering and Management）编委，及美国土木工程师协会可视化信息建模与仿真委员会常务理事。
