[分享]迈阿密人行天桥倒塌事件

拱桥自建成之日 就已经衰老

《关于传统》，北岛

2018年3月15日下午1点45分左右，美国佛罗里达州迈阿密一座在建的人行天桥突然发生倒塌，重达950吨的桥整体跌落至路面。

当时，司机们正在桥下等待红绿灯，而工人们正在桥的顶部进行工作。一名司机的行车记录仪恰好记录下了这不幸的一幕。

“哦,我的天啊。很多车都压在桥下！”

“请快点过来！”

有些人在拨打电话时，甚至没有意识到警方和救援人员已赶达现场。

事故共导致了6人丧生，10人受伤。在对现场进行救援清理的同时，媒体也不断发掘出了工程项目相关的一些信息。其中有一个蹊跷的细节，不得不让人留意：天桥五天前，才刚刚被成功整体架立上桥墩。

一座全新的桥梁，为什么在这么短时间内就整体塌下？这不仅仅是我们的疑问，这也是美国职业安全与健康管理局（OSHA）和国家运输安全委员会（NTSB）在此后长达一年的调查中围绕的重点。

位于迈阿密的佛罗里达国际大学（FIU）是美国最大的校区之一。每天，数百名FIU的学生都要靠步行穿过车水马龙的SW 8街(SW 8th Street)。

“这是一条繁忙的街道，汽车不遵守交通规则，所以过马路时耐心等待是很重要的。”

在此之前，曾有行人在穿越马路时被车撞中身亡。对于在这个地区的学生而言，他们在穿越西南8街时总是很担心。

出于对安全的考虑，在2012年，FIU获得来自美国运输部1140万美元的拨款中，其中一个项目就是在SW 8街和109大道上建造一座最先进的人行天桥，为学生和当地人提供一条更安全的路线。通过这座天桥，学生可以很方便地从毗邻的甜水市(Sweetwater)前往FIU校区。

这是一个设计施工总承包（DB）项目。在投标中，来自MCM公司的方案给评委留下了深刻的印象。在方案中，桥梁全部均由钢筋混凝土制成，桥板与顶篷仅通过中间一排轻巧的桁架连接，顶篷上部设置了钢管斜拉索。

在夜晚，人们可以聚集在桥面的社交区域进行交谈聚会。

在2015年12月，MCM赢得了合同，并委托FIGG进行工程设计。

FIGG将该桥设计为一个连续的单桁架混凝土桥，桥面宽9.65m，顶篷宽4.9m，桥板和顶篷之间的高度大约是4.5m。桥梁分为主跨（main span）和后跨（back span），分别架设在三个桥墩上。主跨和后跨中间相连部分是33m高的桥塔，通过倾斜的钢管连接到主跨和后跨桁架顶篷的节点上，形成斜拉桥的外观。

桥梁主要分为8个步骤进行施工。

在整个施工过程中，值得注意的是，桥梁主跨采用了FIU新研制和推广的加速桥梁施工工法（Accelerated Bridge Construction，ABC）。

主跨长度为53m，从南往北分别由12根设置在中部的桁架，连接桥板和顶篷形成整体体系。除两端的直立桁架（1号及12号杆件）外，中间2~11号桁架杆均设置了预应力钢筋（PT bar）。

桥板沿轴线方向也设置了12股预应力钢绞线，桥翼板两边各6股。所以主跨是一个预应力构件。在南端1号杆件和北端12号桁架杆件的下部，分别设置有端横梁，桥板通过端横梁座落在两边的桥墩之上。

ABC工法采用的是预制的思路：在工厂里将桥梁先建造好，再运输到现场进行安装。相较于常规桥梁在现场浇筑，ABC工法仅在安装期间会短暂占用道路空间，可最小化桥梁施工对道路交通阻塞的影响。

承包商MCM选择了FIU校区SW 8街以南的一个地方作为预制场，通过架设模板进行主跨的浇筑。

2018年3月10日，倒塌前5天，主跨早已完成了浇筑，并做好了被运输到现场进行安装的准备。

主跨的运输是通过一种称为自行式模块运输车（SPMT）的机械实施的。实际上，SPMT是一个大型的液压平板车，工作原理类似于我们平常看到的液压搬运叉车。

在凌晨，SPMT开始载上主跨，缓缓地向指定场地移动。

接近中午时，主跨已被成功安装到桥墩上。

此时，大概没有人能够想到，桥梁会在五天后跌落。

2018年3月15日，在总包MCM的指示下，分包商VSL的工人正在主跨的顶篷上作业。大约在中午时分，他们开始对11号桁架的预应力筋进行重新张拉固定。

11号桁架共有上下两根预应力筋。按照指示，预应力筋的张拉每次加载量为220kN，上下两根钢筋交替进行，直至两根钢筋的预加力达到1245kN左右。在不久后，倒塌发生了。

天桥的倒塌影响巨大，在对现场进行搜救的同时，也促成了OSHA和NTSB联合对事故的原因进行调查。

倒塌现场的一些发现似乎暗示着这不是一场普通的工程事故。

在北桥墩区域，11号桁架与10号桁架在顶篷处的交点发生了断裂，由12号桁架、11号桁架及顶篷组成的三角形体系以北桥墩作为支点转动了80度跌下。

据此，我们大致可以判定桥梁最先在11号桁架与10号桁架之间的桥板发生了断裂。

图示区域桥板出现破坏后，桥梁根据其几何特征将会在图示位置出现三个结构的转动点，并转变为一个几何可变体系。其中一个转动点正是位于10号桁架与11号桁架的交点，才导致了该点因过度转动而断裂。

那是否有可能其他区域的破坏也可以导致相同的倒塌形态？我们可以假设以下另外两种场景：

可以看到，由于桥梁独特的单桁架几何特征，几乎每个特定区域的破坏都会有其对应的破坏形态。

从行车记录仪拍摄到的倒塌过程来看，也几乎验证了我们的分析。

围绕这一区域进行重点搜证，调查组发现了一些特别的破坏痕迹。

在10-11桁架区域顶篷的锚固点，发现了仍然与预应力钢筋相连的加压装置。这意味着，在事故发生时，工人们在顶篷的预张拉工作仍未结束。桥梁很可能是在加压张拉过程中就发生了倒塌。

与加压装置相连的是下部预应力筋。上部的预应力筋已装上锚具，说明上部预应力筋的预张拉工作已经完成。由于上下钢筋的张拉是交替循环进行，不难推断出下部预应力筋正在进行最后一步的增量加载。

在11号桁架与12号桁架相连的北端点区域，则发生了严重的混凝土爆裂。11号桁架与12号桁架直接从桥板与端横梁处连根拔起。

为了更好地观察爆裂节点处发生了什么，桥板被拖到更加开阔的空地上。从北往南看， 6股预应力钢绞线整齐地分布在桥板两侧。

靠近爆裂位置仔细观察，在节点两侧发现了异乎寻常的撕裂痕迹，大概以45°的角度向下扩散。

这些新的发现，让调查范围和重点再一次收窄，直指发生爆裂的节点处。很明显，这些痕迹需要巨大的冲击力才能形成，桥梁从高处的坠落不足以让混凝土桁架连根拔起。

随着获得证据的增加，多个疑问也应运而生：

带着这些疑问，调查进入了一个更深入的阶段。设计图纸、施工日志、会议记录、各方邮件往来等等，只要是与工程有关的一切信息，都要被送到调查组。

调查组一开始的目光放在了材料质量上。多处的混凝土发生破坏，混凝土的强度是否达标？钢筋的抗拉性能是否满足？

在现场，分别对桥梁残骸的混凝土和钢筋进行了取样，并送到试验室检测。

调查结果显示，混凝土和钢筋的性能完全满足要求。此外，主跨在预制时的混凝土检测报告也显示，当时8个试样的抗压性能均达标（>8500 psi）。

在现场，也缺乏有力的证据显示材料的性能出现问题。钢筋没有出现拉断，即使节点处出现了混凝土爆裂，11号桁架的预应力筋也相对完整地锚定在指定位置。

材料没有问题，不代表主跨预制时的施工质量没有问题。下一个调查重点主要集中在主跨还在预制场时的预制施工。

通过翻阅资料发现，主跨的混凝土分成了四次进行分段浇筑。第一次是桥板和端横梁整体浇筑；第二次是中间的桁架，第三次是顶篷，最后一次是顶篷上部的锚固点。

由于混凝土在浇筑时间上有先后顺序，当后浇的混凝土施工时，先浇的混凝土已超过一定时间开始硬化。此时，新旧混凝土之间就会产生一个结合面，称为施工缝（construction joint）。如果新旧混凝土之间结合不好，就会产生裂缝，变为冷缝（cold joint）。

为了防止冷缝的出现，在浇筑新混凝土之前，要对已浇筑的旧混凝土表面进行处理，使其足够粗糙，从而在混凝土之间形成更好的结合。根据规范，工程所要求的粗糙度为6.5mm，一般需要人工处理后才能达标。

由于桁架和桥板的混凝土不属于同一批浇筑，那么在桁架与桥板的相接面就是一个施工缝。

经过现场细致的检查，在12号桁架残骸底部找到了这个施工缝的痕迹。

对施工缝表面进行激光扫描后，发现施工缝的粗糙度仅为2.7mm左右，明显小于6.5mm。这意味着，在桁架混凝土浇筑时，桥板的混凝土表面并没有进行粗糙处理。

调查组找到了设计方FIGG进行问询，因为FIGG并未在设计文件中注明节点处对施工缝粗糙度的要求，似乎有违反规范之嫌。

FIGG回应，他们已在文件中注明了按FDOT规范执行，该规范中有对施工缝粗糙度的要求。按该规范执行，则默认了遵守这条要求，所以没必要在图纸中再次注明。意思即是虽然图纸中没有标明，但也不能说他们的设计违规。

随后，调查组发现在FDOT规范中并没有这条要求。更吊诡的是，FIGG却在桥梁另外一些构件的设计中明确注明了对粗糙度的要求。按照FIGG的说法，既然采用规范就是默认采用该要求，那么这些构件又何必画蛇添足重复注明？更何况是一条FDOT规范中不存在的规定。

不利的事实似乎指向了FIGG在刻意隐瞒设计上的疏忽。也许施工缝的失误对桥梁倒塌不是决定性的，但设计方的态度却让人不得不产生怀疑。

很快，更多被隐瞒的事实被发掘了出来。

调查组发现，早在2018年2月26日（倒塌前18天），主跨桥梁在拆除施工模板后不久就出现了裂缝。

2月28日，工程质检方BPA拍摄了这些照片给总包MCM，要他们转发给设计FIGG并给予答复，因为这些裂缝需要“引起重视”。

裂缝主要集中在主跨南北两端的桁架底部节点，其余位置并未有发现裂缝。

3月7日（倒塌前8天），FIGG作出了回应：

“无结构问题。”

“预计会出现裂缝。”

FIGG似乎没有对这些裂缝产生过多的关注。FIGG预计“总包MCM将按照FDOT规范修复这些裂缝。”然而，这些裂缝从未被修复。

3月10日（倒塌前5天），主跨由SPMT运输置于桥墩上。除上述之外，并无产生其他裂缝。

在安装上桥墩后，施工分包VSL开始准备解除2号桁架和11号桁架的预应力，因为这两根桁架的预应力只是在主跨搬运时才需要施加，目的是为了抵抗主跨在运输过程中两端悬臂产生的弯矩。

首先，2号桁架的预应力被解除，随后才是11号桁架。当他们开始逐渐解除11号桁架的预应力时，裂缝开始出现在多个位置，最明显的是11号桁架和桥板的施工缝处，以及在端横梁的顶部。

在观察到裂缝后，VSL的作业员工明显感到不安，并拍下了裂缝的照片，发给了他的上司。

“It cracked like hell”，信息中说到。

3月12日（倒塌前3天），总包MCM也赶到了现场，拍下了裂缝的照片。MCM的项目经理给FIGG发了一封电子邮件，请他们尽快对裂缝图片进行评估和分析。

项目经理显得十分紧迫，认为“其中一些裂缝相当之大并令人不安”。

3月13日（倒塌前2天），由于邮件是12日晚上发出的，FIGG直到13日上午8:30左右才打开MCM的邮件。经过讨论，FIGG要求MCM立刻在端横梁和桥墩之间增加一个塑料垫片。

此外，FIGG还在邮件中要求垫片必须紧紧地贴着端横梁和桥墩。据了解，FIGG之所以提出这个措施，是想复制主跨在预制场的受力工况，因为从2月28日到3月10日，除了FIGG所说的收缩或发丝状裂缝外，主跨并未出现过多的裂缝。

但是，FIGG没有考虑到端横梁在在预制场中是通过钢管支架从四个方向横向支撑的，这些支架为端横梁提供了相当大的横向抗力。FIGG并没有要求MCM同时加上这些支撑，而仅仅是增加一个垫片。

FIGG打了电话给监管部门FDOT，留言说桥的北侧有裂缝，需要维修，但“没有安全隐患。”

在当天下午，FIGG给MCM的回复中再次确认，“我们已经进一步评估并确认这不是一个安全问题。”

同时，因为担心裂缝继续变大，他们还指示MCM，让他们重新给2号桁架和11号桁架施加预应力，每根钢筋张拉至1245kN后锁定。

由于负责预应力张拉的分包VSL已经退场，他们要直到2018年3月15日才能重新进场施工。

在等待VSL重新进场的13、14日两天，裂缝的尺寸仍在进一步加大。

在3月15日（倒塌当天）上午，项目各方举行了一个会议，讨论主跨裂缝的问题。在会上，设计方FIGG提出了几点意见：

1. 根据FIGG的评估，这些裂缝不存在任何安全问题；

2. 这仅是施工期间的临时荷载条件；

3.MCM必须加快桥塔和后跨的施工；

4. 后跨施工后，主跨的结构性状将会发生变化，令主跨安全度提升；

5. “这些裂缝在工程模型分析中并没有出现。”

6. “这些产生裂缝的区域很小。”

FIGG不知道裂缝的原因，但仍然表示没有安全隐患。然而，正是开完会的当天中午，桥梁整体发生了倒塌。

从获得的信息来看，桥梁的倒塌并非毫无预兆。在预制场刚拆掉支模就出现裂缝，似乎意味着主跨的承载能力先天就存在不足。尽管FIGG三番四次对桥安全性能作出保证，调查组还是将调查重点放在了FIGG的设计上。

在FIGG的设计中，11号桁架在主跨的重量下会产生轴向的压力（Axial Force）。

在11号桁架与12号桁架的节点处，轴向压力可分解为两个力：一个是竖直向下的夹紧力（Clamping Force），它使桁架与桥板之间的施工缝会更紧密地结合到一起；另一个是水平向北的剪切力（Shear Force），它使桁架沿施工缝产生滑动，向外推出。

其中剪切力是对结构不利的，因为桁架的推出将会令结构破坏。在桥梁倒塌后对结构采用FHWA模型重新计算时，该点的剪切力的计算值为1835 kips。

然而，在FIGG设计中该点的计算剪切力为978 kips，仅为前者的54%。通过对其他节点的剪切力计算后，发现FIGG在几乎所有节点的剪切力计算值都偏低。在10-11节点处，FIGG计算值仅为FHWA模型计算值的9%。

如此大的差异，问题就在于FIGG使用错误的计算模型进行内力计算。

在FIGG的设计里，桥梁的计算模型为两端铰接中部固接的两跨连续梁。在桥塔处，由于主跨在桥梁竣工后会与桥塔和后跨相连，此处按固定端进行了考虑。

在11-12节点处，由11号桁架分解出来的水平剪切力也会被后跨吸收和抵抗。

但是，由于主跨先于后跨和桥塔的施工，在主跨被安装到桥墩后，在实际情况中它却是单跨的简支梁模型。同时，在节点处的水平剪切力无从传递（因为后跨仍未施工），仅能由自身抵抗。

在桥塔处缺乏固定端对力的吸收，简支状态下的11号桁架本来就比模型中的轴力要大。同时，没有了后跨对水平剪切力的抵抗，实际中节点处受到的剪切力要远大于计算值。

也就是说，FIGG仅计算了桥梁在整体工况下的内力分布，但忽略了主跨施工阶段不一致的条件，从而大大低估了爆裂节点处遭受的剪切力。

这也是为什么FIGG在节点处的剪切力计算值均低于FHWA模型的计算值。原来，一切事故的源头出在设计身上。

现在我们可以大概推断出事情的经过。

由于FIGG忽略了对桥梁在施工阶段工况的计算，从而大大低估了主跨在南北两端所受的剪切力，从一开始就存在抗剪承载力不足的问题。

主跨在预制场拆掉底部支模后，桥梁在自重下的下沉使得11号桁架和2号桁架产生轴力，并分解出水平剪切力。南北节点处的抗剪承载力开始捉襟见肘，开始出现轻微的裂缝。由于预制场桥墩处设置水平支撑，且桁架施加有预应力，部分消解了水平剪切力，使得裂缝没有进一步加大。

主跨运输到指定场地，并安装上桥墩后，随着2号桁架和11号桁架预应力的消除，水平剪切力被释放出来，这两个区域产生了更多的裂缝。据事后计算，此时节点处受到的真实水平剪切力已经比设计抗剪承载力高出22%，节点处于一个破坏的危险临界状态。

FIGG发现裂缝在扩张，并指示MCM重新对11号桁架施加预应力，则无疑是一个火上加油的举动，成为压死骆驼的最后一根稻草。在对11号桁架两根预应力筋施加了1245kN的力后，水平剪切力飙升至1579 kips，比设计抗剪承载力高出45%。此时节点处的施工缝在巨大的水平力下开始发生滑动，导致了节点发生了混凝土爆裂，桁架从桥板的连根拔出。

随着节点被巨大的剪切力破坏，在桥板节点处也留下了倾斜的冲击剪切（punching shear）破坏痕迹，这与照片中留下的痕迹是一致的。

FIGG另一个致命的失误是他们设计了一座非冗余（non-redundant）的桥梁。在工程设计中，冗余度是一个很重要的概念。

假设你把所有鸡蛋都放到一个篮子里，要是一不小心把篮子掉到地上，那么所有的鸡蛋都会碎掉，此时的冗余度为0。

吸取教训后，我们把鸡蛋分别装在两个篮子里。即使其中一个篮子不小心掉了，我们知道还有另一个篮子装满鸡蛋，此时的冗余度可简单算作1。

桥梁的主跨也是同样道理。因为主跨是一个非冗余结构，任何一个构件的破坏都足以摧毁整座桥梁。

假如在11号桁架处还设置了另外一根交叉桁架，即使11号桁架不幸断裂了，桥梁也不至于形成机构，发生整体性的垮塌。

2019年3月，总包MCM提出破产申请，公司与受害者及其家人达成和解协议，该协议将支付至多4200万美元。

2019年10月，美国国家运输安全委员会发布调查报告，剑指FIGG的设计失误为悲剧发生的主要原因。