临时托架坍塌事故分析

2021年，某双支薄壁桥墩施工临时钢托架在预压施工过程中发生坍塌，造成4人死亡。根据事故调查报告，对倒塌过程进行分析，从中吸取教训，为托架等临时支架施工提供参考和借鉴。

01

托架设计与荷载工况

事故发生时，桥墩及托架已施工完成，正在进行0号、1号梁段施工前的预压作业。墩顶下部预埋了6根双拼工字钢托架纵梁，贯通穿过双肢薄壁墩。纵梁上方安装底模横梁、分配梁和钢模板，形成预压托架体系。

图1 桥墩与托架结构示意图

图2 托架预压示意图

纵梁由5.4m和12m两段I40a工字钢接长，再将两根接长后的工字钢错缝反向拼装成双拼纵梁，接长拼接位置位于纵梁与桥墩的连接处，如图3所示。托架斜撑、竖杆与纵梁及预埋钢板相连接。预埋钢板背部通过3根Φ25 U型螺纹钢筋锚固于桥墩混凝土内。斜撑与纵梁之间采用4个M20、8.8级高强螺栓连接，如图4所示。

图3 托架结构俯视图

图4 托架结构示意图

施工方案采用混凝土预制块进行预压，以单侧混凝土重量约672t为基准，按60%、80%、100%和120%四级加载，要求每级加载后静停1小时观测变形，此后间隔12小时记录沉降量，满足规定条件后方可继续加载。实际加载过程中，现场完成60%荷载加载后，继续加载，托架在80%预载工况过程中发生坍塌。

02

施工缺陷调查

事故后的残骸调查表明，取样的工字钢、钢板及螺纹钢筋的化学成分和相应力学性能满足要求。但节点连接、纵梁拼接和预埋件施工存在问题，降低了相关构件和节点的承载能力，主要表现如下。

图5 钢托架节点施工缺陷

（1）斜撑上端节点抗剪承载力不足

斜撑与纵梁采用4个M20、8.8级高强螺栓连接，螺栓孔径为24.5mm。连接板基本平整，未见焊接痕迹，螺栓孔未见明显变形，连接板上的螺栓均有脱落情况。托架斜撑上部节点抗剪承载力不足是造成这起倒塌事故的直接原因。

图6 托架纵梁与斜撑连接破坏情况

（2）纵梁接长位置不当，焊接质量存在缺陷

纵梁接长拼接位置位于纵梁与桥墩的连接处，处于内力较大部位。部分纵梁沿接长焊缝断裂，另一侧贯通工字钢发生较大变形，上翼缘和腹板出现明显颈缩。接长焊缝存在无坡口、无垫板和未熔透等问题，多数焊缝深度仅为翼缘厚度的30%～50%，未达到熔透等强焊要求，如图7所示。接长位置不当及焊接质量缺陷降低了纵梁的受弯承载能力。

图7 焊接失效

（3）斜撑下端未设置设计要求的工字钢

斜撑底部预埋件下方未设置设计要求的3根工字钢，降低了该处的抗剪承载能力。8块预埋钢板中有7块脱落，锚筋呈受拉破坏特征，断裂位置主要位于上部。所有预埋件均无竖向滑动痕迹。

图8 预埋件残骸

03

破坏过程反演

分别以上述三个关键节点率先失效为起点，推测结构后续的破坏过程，并与现场残骸对照，评判是否相符，用以验证结构率先破坏的节点。

（1）斜撑上端节点率先破坏

假设斜撑上端节点的四颗螺栓率先断裂，纵梁与斜撑失去连接，纵梁会呈现悬臂梁受弯破坏的特点，即上翼缘和腹板失效。实际上，纵梁下翼缘未断裂，仍然悬挂在桥墩，与残骸照片相符。

图9 斜撑上端节点率先破坏后的破坏过程推测

图10 纵梁悬挂在桥墩上

（2）纵梁接长焊缝位置率先破坏

若纵梁焊缝节点首先失效，纵梁将会脱落，与实际情况（纵梁仍然悬挂）不符。

图11 纵梁接长焊缝节点率先破坏后的破坏过程推测

（3）斜撑下端预埋件率先破坏

若斜撑下端预埋件率先破坏，即预埋钢筋断裂，预埋件会向下滑动，并在混凝土桥墩留下钢筋滑动的痕迹，但预埋件位置的残骸照片并未发现预埋钢筋的滑动痕迹，与实际情况不符。

图12 斜撑下端预埋件率先破坏后的破坏过程推测

图13 预埋钢筋没有滑动

根据上述破坏过程推测分析，斜撑上端为率先破坏的节点，与事故报告一致。

04

非线性倒塌模拟

为了进一步证明结构破坏过程，建立了ABAQUS三维实体有限元模型，采用动力显示分析步进行非线性分析。分别定义了螺栓（8.8级）、工字钢（Q235）和预埋钢筋（HRB400）的弹塑性本构和损伤本构。

图14 材料弹塑性和损伤本构

模拟结果如图15所示。托架倒塌首先由斜撑上端螺栓连接失效引起。连接板发生滑移后螺栓触碰孔壁，螺栓受力迅速增大并断裂，而此时纵梁仍处于弹性阶段。螺栓断裂后，斜撑逐渐向外滑出，纵梁失去斜撑支承，以悬臂方式承担上方荷载，靠近墩身处的弯矩和应力急剧增大，随后纵梁根部发生剪弯破坏，最终导致托架坍塌。

为判断纵梁焊缝缺陷是否决定倒塌结果，比较了双拼截面完整受力和仅单根工字钢有效受力两种情况。两者出现几乎相同的破坏顺序，表明即使纵梁焊接质量满足要求仍无法阻止倒塌。因此，尽管纵梁焊缝缺陷削弱了承载能力，斜撑上端连接失效是本次倒塌的关键。

（a）双拼截面

（b）单工字钢截面

图15 托架倒塌过程模拟

非线性倒塌模拟视频如下，破坏顺序为：斜撑上端螺栓断裂——斜撑下端预埋钢筋断裂——纵梁上翼缘和腹板断裂。

托架倒塌过程模拟视频

05

小结

根据事故分析报告披露的信息，事故原因如下：

（1）事故的直接原因是：托架斜撑上部节点抗剪承载力不足，使托架在预载80%工况下垮塌。

（2）托架纵梁选择的接长拼接位置不当，位于纵梁与桥墩连接处，该处纵梁内力最大；双拼工字钢梁接长施工和质量存在缺陷，降低了纵梁的受弯承载能力。

（3）斜撑底部预埋件下方施工中未放置设计所提的3根工字钢，降低了斜撑底部预埋件的抗剪承载力；

（4）托架上方横梁在纵向未能与纵梁形成有效连接，降低了托架体系整体性。

临时结构往往由施工单位自行设计建造，设计冗余小。国内发生多起临时结构倒塌事故，需要尤其关注螺栓、焊缝和夹具锚具等关键节点设计和施工质量。