ganggouren1
图1 Francis Scott Key钢桁架拱桥倒塌现场监控
01
Francis Scott Key Bridge概况
Francis Scott Key Bridge 全桥长2632.25米，主桥为钢拱连续桁架桥，两侧引桥为混凝土连续梁桥，如图3所示。主桥为经典飞燕式钢桁架拱桥，跨径为219.46m +365.76m +219.46m，因其独特的桁架结构成为梁桁架中的经典，也出现在很多结构力学教科书习题中，如图4所示，启蒙了很多结构设计工程师。
Francis Scott Key Bridge主桥于1977年投入使用，造价3070万美元，建成时主桥跨度366米，在世界连续桁架大桥中排名第二，至今仍是世界第三。目前，排名在Francis Scott Key Bridge之前的分别是日本的Ikitsuki Bridge（400米）和美国的Astoria-Megler Bridge（376米），如图5所示。
Francis Scott Key Bridge以美国国歌词作者弗朗西斯·斯科特·基的名字命名，历史人文底蕴深厚。1814年，巴尔的摩港附近发生的麦克亨利堡炮击，是第二次独立战争中的重要战役。在英国袭击华盛顿特区之后，期望通过步兵突袭、海军炮击夺取巴尔的摩。英国皇家海军舰队在9月12日和14日，调用了超过1500枚炸弹先后两次炮击麦克亨利堡，并有约5000步兵同时突袭。指挥官阿米斯特德少校举起了一面巨大的美国国旗，表明他无意投降。英军舰队弹药耗尽，取消了袭击并开始计划撤出，使得此战变为传奇。当时，弗朗西斯·斯科特·基就在现在大桥位置附近，看到美国士兵无视袭击在堡垒升起美国国旗的情景，写下了“星条旗永不落”的文字，后成为美国国歌歌词。
事故发生后，Francis Scott Key Bridge的主桥及3跨引桥共6跨发生倒塌，倒塌后残骸以及倒塌前桥位对比（红色填充部分）如图6所示。
02
肇事船只信息
据报道，发生碰撞事故的是“达利号”（DALI）大型集装箱货轮，如图7所示，详细信息包括：
-
制造商：韩国现代重工（Hyundai Heavy Industries）； -
持有方：Grace Ocean Private Ltd. （新加坡）； -
租赁方：丹麦航运巨头马士基（Maersk）； -
管理方：Synergy Marine Group（新加坡）； -
人员及货物：乘船海员23名，装载集装箱约4700个；
事故发生时，货轮刚刚准备从巴尔的摩港出发前往斯里兰卡科伦坡。在离开港口后船只发生故障失去所有动力，并在几分钟内与桥墩发生碰撞，事发时船舶航行路线如图8所示。
当地的监控拍下了事发的全过程，由视频可看到，当船行驶几分钟后船灯熄灭，后船灯又重新亮起，船顶开始冒出黑烟。行驶了一段后船灯再次熄灭，临近碰撞前船灯再次亮起，随后与桥墩发生碰撞。据美国领航员协会（American Pilots’ Association）消息，当船离开港口几分钟后发生故障，失去了所有动力。
03
倒塌事故分析
此次发生倒塌的Francis Scott Key Bridge为飞燕式钢桁架拱桥，两边跨为半跨悬臂上承式拱、主跨为中承式钢桁架拱，通过两边跨来平衡主跨大部分水平推力，中间桥墩不用承受过大的竖向荷载，可以采用轻型桥墩代替传统拱桥的重力式桥墩，如图10所示。
倒塌过程如以下视频所示。“达利号”货轮撞击左中墩后，主拱圈一侧丧失支撑，导致左边跨与主拱圈向下变形。变形过程中，分别在左边跨跨中，中跨靠近右中墩侧以及中跨跨中附近对应的桁架位置观察到明显断裂，随后主桥分为多段坠入水中；右边跨靠近右边墩处先被翘起，随后坠落并砸毁右边墩，导致右侧引桥发生坍塌。
对发生碰撞后的主桥受力简单开展分析。碰撞后，桥墩并未立即丧失承载力，假设在此位置发生竖向强制位移，桁架变形形状及相对轴力大小如图12所示。可知事故桥桁架断裂前，变形形态与数值分析结果基本一致，且桁架断裂位置集中在支承截面两侧轴力较大、截面收窄位置。限于时间，具体破坏顺序、位置有待进一步分析。飞燕式钢桁架拱桥在船舶撞击条件下冗余度低，一旦桥墩位置失去支撑，桁架内反力重分布可能导致钢桁架自身发生破坏，导致整桥倒塌。
04
桥梁防撞措施分析
根据公开报道的资料，“达利号”货轮长约300米（984英尺），宽约48米（157英尺），标准排水量超9万吨，满载排水量超11万吨。按照欧洲船舶划分，排水量大于10万吨的船舶属于超大型货轮。有报道称，事故发生时航行速度约为15 km/h，如图13所示。
AASHTO GVCB明确给出了5种常用的桥墩防撞措施，如图14所示。
根据碰撞前桥梁现场，Francis Scott Key Bridge缺乏上述的有效防撞措施，如下图15所示。桥墩周围设置有防冲刷围挡，远处设置混凝土航标，均不具备较强抗撞能力。美国国家运输安全委员会（NTSB）主席Jennifer Homendy 在采访中表示，桥梁结构在抗撞措施方面确实存在问题。在本次事故中，桥墩采用混凝土轻型桥墩，自重轻、抗撞击能力差，单靠桥墩自身无法抵抗超大吨位船舶撞击。
05
应急事件处理
美国领航员协会（American Pilots’ Association）执行董事克莱·戴蒙德（Clay Diamond）在采访中描述了对船舶失控后的应急处理情况，可以总结为以下几点：
06
结论与建议
本次事故中，危险预警未及时传达至桥上人员是导致事故伤亡的主要原因。未来建议主航道交通量大的关键桥梁上，安装桥梁紧急状态警告装置，在出现可能引起船撞、倒塌等风险情况后快速发出警告，以降低事故人员伤亡。
来源：彭卫兵课程组 公众号，如有侵权请联系我们。
找钢构厂，就上钢构人地图：map.ganggouren.com
目前已录入约1千家钢结构工厂，
可以按工厂规模、业务类型、公司类型，
任意组合筛选全国各地的钢结构工厂。
点击下方“阅读原文”，即可访问钢构人地图：map.ganggouren.com
