白河大桥

极端作用下桥梁结构抗连续倒塌综述

孟阳君;李灿

【摘要】当前,多起桥梁结构的倒塌事故造成严重的生命财产损失,严重危害公共交

通安全.因此,极端作用下的桥梁结构连续倒塌研究迫在眉睫.根据极端作用的概念定

义,简要分析了极端作用下的国内、外的多起桥梁连续倒塌事故的原因,针对桥梁结

构抗连续倒塌的研究现状进行综述.根据相关研究发现,桥梁结构的抗连续倒塌研究

不同于建筑结构,有其自身的特点,因此,应建立自己的研究体系并制定相关规程等.

【期刊名称】《湖南城市学院学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2017(026)001

【总页数】5页(P14-18)

【关键词】桥梁结构;极端作用;连续倒塌;综述

【作者】孟阳君;李灿

【作者单位】湖南文理学院土木建筑工程学院,湖南常德415000;湖南文理学院

土木建筑工程学院,湖南常德415000

【正文语种】中文

【中图分类】U447

近段时间以来，国内外各地相继发生了多起桥梁的垮塌事故(绝大多数为极端作用

导致)，造成严重的财产和生命损失，危害交通安全，影响社会稳定．因此，我们

迫切需要研究桥梁结构的抗连续倒塌性能，弄清其破坏机制，提出抗连续倒塌的设

计、评估方法．

当前，极端作用下的桥梁结构抗连续倒塌已经成为一个工程研究的热点．Priscilla

Nelson等(2000年)将极端事件定义为[1]：起因于社会、人类或自然环境的一种

严重的、罕见的、快速的破坏系统平衡的非线性反应，促使人类、生物、生态环境

及地球系统产生变化，促使各个领域或子系统之间产生相互作用，造成严重损失，

具有很大的危险性(并非一定危及人类，如国家公园火灾)．911恐怖袭击事件发生

后，PaulSlovic(2002年)将恐怖袭击也纳入极端事件的范畴．根据极端事件的概

念，其特性可以概括为：1)极端性；2)罕见性；3)后果严重；4)不确定性等．极端

作用是指导致极端事件的动因，包括地震、飓风、火山喷发、海啸、泥石流、火灾、

爆炸及撞击等．

关于结构连续性倒塌的概念，现有几种说法．一般认为是指结构部分组件的损伤或

破坏导致的相邻组件损伤、破坏或者失效，之后导致更多的组件破坏失效，出现和

初始破坏、倒塌不成比例的破坏、倒塌，类似这种连锁反应即为结构的连续性倒塌

[2]．

1968年，英国伦敦RonanPoint公寓发生煤气爆炸事故，结构的连续倒塌问题首

次引起人们的关注．此后，世界各地又陆续发生多起结构连续倒塌事件，其中影响

较大的几次结构连续倒塌事件详见表1．

近年来由于地震、火灾等极端事件的频发，特别是爆炸、恐怖袭击等极端事件的增

多，桥梁结构的破坏倒塌事故也越来越多．桥梁结构在设计的使用期限内可能会遭

受更多的初始设计没有考虑到的偶辰牌 然作用，尤其极端作用．这些荷载作用远大于正

常设计，一旦发生，可能导致局部结构破坏，从而退出原来的工作系统，结构发生

部分倒塌或全部倒塌，造成重大的财产损失和人员伤亡，影响社会稳定．因此，桥

梁结构抗连续倒塌需求显著增加，结构抗连续倒塌研究逐渐引起了学术界的高度重

视．

2.1地震、洪水、飓风等自然灾害

地震是工程结构易见的极端作用之一．根据中国地震信息网统计[3]，2005-2016

年十一年间，我国共计发生6级及以上地震64次，7级及以上地震7次．2008

年发生汶川地震，根据灾后震害调查结果，受损桥梁高达6140座，各种各样交

通基础设施严重受损，直接经济损失670亿元．灾后桥梁震害调查结果表明地震

导致桥梁结构连续倒塌的主要原因是上部结构移位、落梁及桥梁墩台破坏．

在国外，由于洪灾破坏公路桥梁的事件不少．在中国因洪灾导致公路桥梁的破坏也

是非常严重的．根据民政部和国家减灾委办公室权威发布的全国自然灾害基本情况

[4]，2015年我国灾害直接经济损失达2704.1亿元，其中由于洪涝和地质灾害导

致损失就占到了34%．洪灾是致使桥梁结构破坏的根源之一，其连续倒塌主要原

因与桥梁墩台的冲刷及水流对上部结构的冲击有关．

飓风引起的桥梁倒塌案例相对较少．1940-11-07，塔可马大桥倒塌，其桥面高度

只有通常悬索桥桥面高度的1/3-1/4．它的倒塌原因主要是当时人们对悬索桥受力

体系的认识还不够全而．2000-08-29台湾南部的高屏大桥由于强烈热带风暴Bilis

来袭造成河流水位暴涨，加之桥梁基础裸露严重，导致大桥下沉、断裂．

2.2爆炸冲击

作为桥梁极端作用之一的火灾爆炸作用对大桥造成的破坏不可估量．近年来，随着

经济的快速增长，交通建设事业蓬勃发展，与此同时桥梁结构频繁发生火灾爆炸事

故，严重危及结构安全．统计资料表明由于火灾倒塌的桥梁数量与地震倒塌数量之

比高达2.7，即使未倒塌，其修复费用也很高．中国在2010-2016年，更是发生

了多起桥梁火高中作文人物素材 灾爆炸事故[5]，导致多人伤亡，造成巨大经济损失，影响交通质量，

更有甚者造成桥梁坍塌．

2.3超限超载、撞击

撞击作用是桥梁的极端作用之一，主要包括车辆撞击和船舶撞击．随着交通运输业的发展，公路交通流量的骤增，现有的路网已经严重不满足交通增长的需要，车辆

超限超载已成为交通运输的普遍想象．2006年，一辆拖挂大货车行驶至北京市东

三环路双井桥北辅路二闸桥时，由于车厢超高，先撞毁限高龙门架，再撞上二闸桥，

导致桥梁结构严重受损．2009-06-29凌晨，黑龙江铁力市西大桥发生垮塌，间接

原因由于3号墩基底局部被水冲刷脱空，基础沉降和位移，承载力不足，诱发原

因是汽车超载．2011-07-19，0时40分，北京市怀柔区宝山寺白河桥由于一辆

160吨超载货车过桥，导致桥梁垮塌．2012-08-24，5时30分左右，哈尔滨阳

明滩大桥引桥—三环路群力高架桥洪湖路上桥分离式匝道由于汽车超载发生断裂，

导致的单侧桥梁倒塌．诸如此类的事故，各地屡见不鲜，造成严重的人员、财产损

失，严重影响交通通行．

根据统计，1960-2007年，全球平均每年至少发生一起船桥碰撞事故．2006-

2011年，国内船桥碰撞事故频发，造成巨额损失．武汉长江大桥自建成以来，累

计发生了70多起船桥相撞事故，南京长江大桥自建成以来碰撞事故较多，仅重大

船桥相撞事故就有28起，黄石长江大桥仅在1993、1994年两年间就发生19起

船桥相撞事故，重庆的白沙陀桥在1998-2005年就有9起重大船桥相撞事

故．2007-06-15，325国道广东九江大桥引桥(引桥跨径布置：20m16m)被一

艘运沙船撞击桥墩，导致大桥坍塌．

2.4加固、拆除等施工过程不合理

随着经济的快速发展，现有部分桥梁的承载力已经不能满足交通量的增长需要，迫

切需要加固或重建．拆除或加固桥梁过程中，如果施工不当，也会导致桥梁倒塌．

2001-11-28，由于工人施工不当，先行切除桥梁上部横梁，致使长沙捞刀河镇一

座铁路桁架梁桥结构破坏而倒塌．2007-08-13下午，湖南省湘西凤凰县堤溪大桥

第1孔突然垮塌，接着第2、第3、第4孔朝第1孔方向相继倒塌，据报道称，事

故直接原因是由于主拱支架拆除不合理导致全桥垮塌．2009-05-17，湖南省株洲

市红旗路高架桥(122跨简支预应力混凝土空心板梁桥)在拆除过程中发生了连续倒

塌．根据媒体报道，直接原因是工人在桥墩打眼施工过程中，引起桥梁振动，导致

桥梁结构重心变化，一个桥墩垮塌，致使桥面倒下，撞击相邻的桥墩，导致相邻桥

墩也发生倒塌．

2.5设计缺陷、病害及其他

由于设计人员自自身知识的缺陷或是对材料、施工工艺等得认识不足，也会导致桥

梁结构的连续倒塌．

1878年，TayRail桥由于设计者没有考虑横向的风压力，其次是缺乏对材料性能

的深入了解，致使该桥倒塌．1940-11-07，塔可马大桥倒塌，主要原因是当时人

们对悬索桥受力体系的认识不够全而．1970年，位于澳人利亚墨尔本的雅拉河上

密尔福德天堂桥倒塌，其原因是由于钢箱梁板件的几何缺陷和焊接残余应力导致失

稳，最终桥梁破坏．1983年，美国康乃迪克州的MianusRiverBridge由于应力

腐蚀引起了紧固螺栓的脆断，导致中间悬挂跨垮塌．

国内桥梁设计主要考虑其安全性能，对其本身的耐久、疲劳等考虑不足，随着运营

时间的增长，导致桥梁结构发生突然的连续倒塌．

2001-11-07，四川宜宾小南门桥(钢筋混凝土肋拱桥，净跨240m，净矢高48m，

矢跨比1/5)因部分吊杆断裂横梁脱落导致桥面坍塌．2011-07-14，福建武夷山公

馆大桥(跨径组合为(80+100+80)m)由于桥梁的个别吊杆突然断裂突然垮

塌．2007-08-01，美国明尼苏达州I-35W密西西比河大桥(3跨连续钢桁拱桥)设

计时未考虑冗余设计，由于支座处节点板的疲劳锈蚀破坏突然坍塌．

桥梁运营过程中，由于附近河道的作业不规范，造成桥梁基础承载力降低，也会导

致桥梁结构的连续倒塌．2005年7月，黑龙江省尚志市亚布力镇兴安桥由于近来

不断有人在桥位附近挖沙采沙，致使河床变深，基础掏空，桥梁突然倒塌．

近来，国内、外桥梁倒塌事故频发，通过对桥梁的倒塌破坏情况进行调查研究后，

发现桥梁的部分倒塌在多数情况下都会引起连锁反应，造成连续倒塌．

3.1结构损伤评估研究

目开的英语 前，结构的损伤评估研究主要分为以下两个方面：①损伤评估指标的合理选取；

②损伤评估方法的研究．对此，各个学者提出了多种损伤评估指标及其评估方法，

主要包括4类，分别是基于强度、承载能力，变形、能量及其组合的双参数、多

参数评估指标[6-9]．

3.2结构性能退化、劣化研究

桥梁结构的主要建筑材料为钢筋混凝土及钢材．研究表明：影响钢材及混凝土的耐

久性主要包括两个方面，即结构所在的环境及其耐腐蚀性，许多结构使用一两年就

发生了诸如钢筋或钢材锈蚀、混凝土顺筋胀裂、保护层剥落等现象，严重影响结构

的使用和安全．

3.3倒塌破坏的判别准则

桥梁结构的倒塌过程模拟分析，应该根据结构类型选择对应的判别标准，标准不同

倒塌模拟分析结果一般也不同．因此合理选择判别标准是评估结构抗倒塌能力的关

键．

概括来说，倒塌破坏判别准则主要包括强度评价指标(以强度或承载能力进行评价，

该准则经过多次震后倒塌破坏评价说明，采用强度或承载力指标作为倒塌破坏判别

准则是不全面的)、变形评价(例如：桥墩顶部和底部的位御剑情缘奇遇 移、整体或局部的位移、

应变)、应变评价、曲率家常炒面的做法 评价、能量评价及损伤评价指标[10]．

3.4结构倒塌破坏的失效模式

李鸿晶等[11]在汶川地震现场桥梁震害调查资料的基础上，归纳、总结了汶川地震

中桥梁的震害，提炼出该地震中桥梁震害的主要特征．张行，张谢东[12]提出了基

于墩顶竖向位移的倒塌判别准则，以一座最大墩高为178m的高墩刚构桥为背景，

进行结构倒塌分析，并对其结构塑性变形特征进行研究．孙利民，游新鹏，魏朝柱

[13]以贵州省高速公路上跨越山谷的某大桥为例，在对全桥进行动力特性分析的基

础上，采用有限元软件LS-DYNA实现了对全桥倒塌过程的仿真．闰冬等[14]采用

极限分析方法，对斜拉桥(单塔)及连续梁桥进行倒塌模式的识别．陆新征等[15]基

于精细化非线性有限元和事故案例分析，研究超高车辆撞击桥梁上部结构的损坏机

理与撞击荷载．彭卫兵等[16]在塑性铰位置、顺序和桥梁结构重要性分布的相关性

的顺序上，对双跨圬工拱桥破坏过程进行了分析，并对碳纤维布加固混凝土梁模型

试验进行了验证．

3.5倒塌过程仿真分析

目前，桥梁结构倒塌过程仿真分析主要采用以下3种方法：有限元方法、散体单

元及无网格方法．

孙利民等[17]提出了基于EDEM的梁格模型．张雄等[18]描述了无网格方法的研

究进展和应用，对无网格法进行系统的描述和总结，并讨论和分析了无网格法的进

展．徐俊祥，刘西拉[19]利用LS-DYNA程序建立数值分析模型，再现土耳其

Arifiye大桥在1999年地震中由于地裂引起的桥梁结构倒塌过程，研究结果表明

连续结构相比简支结构更能有效防止桥梁破坏．孙鹏，罗韧[20]采用最新的材料本

构、合理的结构数值模型及结构碰撞模型，利用有限元软件ABAQUS分析了一座

四跨连续梁桥在地震作用下发生连续倒塌的全过程，分析结果显示，桥墩底部和中

部系梁连接处的破坏较严重，应该进行有针对性的抗震设农村党员转正申请书 计或加固．Ghali和

Tadros[21]针对加拿大NorthumberlandBridge的一座双塔斜拉桥进行了连续

倒塌分析．Hao和Tang[22]研究分析某1018m主跨的双塔斜拉桥在爆炸荷载

作用下的动力响应及其破坏模式，详细研究可能发生的桥梁连续倒塌模式．卢啸等

[23]利用软件对一座石拱桥进行了两种不同工况的倒塌过程仿真模拟，

分析了原因并采用Pushdown分析法进行了验证．

3.6桥梁结构连续倒塌风险评估

进行桥梁结构连续倒塌风险评估需要确定结构、材料的特性，建立合理的计算模型，

选择不同的极端作用进行结构反应分析，并依据不同的风险评估标准确定其连续倒

塌风险．桥梁结构连续倒塌风险评估各个环节中结构的动力反应及非线性是其风险

评估的关键．

姜健，李国强[24]详细介绍了英国结构工程师学会(IStructE)2013年发布的结构抗

连续性倒塌的风险评估指南，并综合比较其他规范相关方法的优缺点和适用范

围．耿波[25]建立了基于风险评估的船桥碰撞系统安全评估的总体方案．

3.7结构抗连续倒塌设计方法

结构抗连续性倒塌的设计方法分为：①结构计算法，②构造措施法．结构计算法主

要有改变传力路径法和增强局部构件抗力法；构造措施法是指通过增加构造措施，

增强结构的整体稳定性．依据意外荷载类型，现有的建筑结构抗连续倒塌的设计方

法可以分为两类：①不针对意外荷载的抗连续倒塌设计．现行各国规范一般采用拉

结构件法和拆除构件法，具体设计中，通过移除结构的一个竖向构件来考查剩余结

构的抗连续倒塌能力．②针对意外荷载的抗连续倒塌设计．目前各国对此还未有具

体明文的规定，大多是从概念设计—即从结构的整体性、构造、冗余度等方面来

加强结构的抗连续倒塌能力．陈宝春等[26]从设计人员的认识水平和设计责任等方

面分析了桥梁事故中存在的人为因素，并从结构方案和构造措施两方面对如何提高

桥梁的抗倒塌能力提出了若干设计建议．

对所有桥梁结构都进行抗连续倒塌设计也是不合理的，应该建立相关指标来判断桥

梁结构是否需要进行抗连续倒塌设计[27]．

2000年以来，各国工程界开始广泛关注建筑领域的抗连续倒塌，为此，英美相继

制定一些标准、规范，对此，我国尚未出台相关的规定．针对桥梁结构连续倒塌在

我国研究起步更晚，且其研究不能完全等同于建筑结构，桥梁结构有其自身的特点

(例如独特的结构形式、施工过程对结构内力的影响等)，相比国外还有很多工作要做，特别近期接连发生数起桥梁倒塌事故，给人民生命财产造成重大损失，严重影

响交通运行．仅从这个层面来说，进行桥梁结构的抗连续倒塌研究、建立倒塌桥梁

的数据库及制定规范、规程等已是势在必行．

【相关文献】

[1]陈忆前.桥梁工程中的极端事件探讨[J].山西建筑,2008,34(35):317-319.

[2]胡晓斌,钱稼茹.结构连续倒塌分析与设计方法综述[J].建筑结构,2006,36(9):45-51.

[3]闰冬,任胜健,何勇.桥梁倒塌模式识别方法理论分析[J].公路交通科技,2011,28(8):55-59.

[4]孙慧明,方海,祝露,等.基于连跨效应的船撞作用下连续梁桥墩顶约束刚度分析[J].建筑科学与工

程学报,2015,32(5):89-95.

[5]陆新征,张炎圣,何水涛,等.超高车辆撞击桥梁上部结构研究:损坏机理与撞击荷载[J].工程力学,2009,26(2):115-125.

[6]彭卫兵,潘若丹,谢波,等.桥梁结构薄弱部位识别理论及极限承载力计算方法[J].中国公路学报,2014,27(9):66-73.

[7]刘青,斤兴军,尚方剑.爆炸荷载作用下上承式拱桥的动力响应及损伤特性[J].中外公路,2014,34(6):67-72.

[8]彭卫兵,谢波,赵安,等.桥梁倒塌分析有限元后处理关键技术[J].公路交通科技,2013,30(8):49-56.

[9]吕大刚,崔双双,陈志恒.基于Pushover分析的钢筋混凝土框架结构抗侧向倒塌能力评定[J].工

程力学,2013,30(1):180-189.

[10]TaghikhanyT,TehranizadehM,abilityofhybridmasonrybuilding

underismicaction[C]//g:TsinghuaUniversityPress,2008.

[11]SoltaniM,XuehuiA,ngresponandlocalstresscharacteristicsof

RCmembraneelementsreinforcedwithweldedwiremesh[J].CementandConcreteComposites,2004,26:389-404.

[12]GambarottaL,modelsfortheismicr有一种声音 esponofbrick

:Themortarjointmodelanditsapplications[J].JournalofEarthquakeEngineeringandStructuralDynamic,1997,26(4):423-439

[13]龙腾腾,王辉东,王秋华,等.高层建筑火灾事故致因理论模型构建研究[J].中共安全生产科学技

术,2011,7(5):16-20.

[14]孙得璋,孙柏涛.桥梁多灾害设计荷载系数确定方法探讨[J].土木工程学报,2012,45(1):76-79.

[15]ASCE7Minimumdesignloadsforbuildingsandotherstructures[S].USA:AmericanSociet哺乳期来月经正常吗 yofCivilEngineers2010.

[16]Buildingregulations:approveddocumentA3-2010disproportionatecollap[S].UK:

DepartmentforTransport,EnvironmentandtheRegions,DTLR,2010.

[17]孙利民,秦东,范立础.扩展散体单元法在钢筋混凝土桥梁倒塌分析中的应用[J].土木工程学报,2002,35(6):53-58.

[18]杨冰,秦馄,宋力,等.平潭跨海大桥防船撞拦阻系统阻拦效能实验研究[J].实验力学,2015,30(4):414-420.

[19]曲艳东,吴敏,王家力,等.燃气爆炸对砖混建筑的结构破坏研究[J].渤海大学学报:自然科学版,2013,34(3):323-327.

[20]姚宇飞,师燕超,李忠献.爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析方法比较[J].建筑科学与

工程学报,2015,32(1):111-119.

[21]孟杰卜,刘钊.汉川地震中的桥梁落梁震害分析及启示[J].结构工程师,2010,26(2):95-100.

[22]李辉,赵伟.结构连续倒塌分析研究现状及设计方法综述[J].山西建筑,2011,37(21):35-36.

[23]黄盛楠,陆新征,郑建春,等.超载导致钢筋混凝土拱桥倒塌的破坏模拟[J].工程力学,2012,29(2):87-92.

[24]姜健,李国强.结构抗连续性倒塌风险评估与设计”IStructE指南介绍”[J].建筑结构,2015,45(4):33-40.

[25]耿波.桥梁船撞安全评估[D].上海:同济大学,2007.

[26]陈宝春,黄冀卓,余印根.桥梁抗倒塌能力鲁棒性设计研究[J].重庆交通大学学报:自然梅西进球数 科学版,2014,33(1):1-7

[27]范振华,张谢东,张行.地震作用下超高墩刚构桥倒塌易损性分析[J].武汉理工大学学报,2013,

37(4):749-752.