在本文的结尾部分,肖恩·布雷迪更详细地探讨了魁北克大桥倒塌的技术原因和背后的人为因素。
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在本文的结尾部分,肖恩·布雷迪更详细地探讨了魁北克大桥倒塌的技术原因和背后的人为因素。

第1部分,上个月出版的,我们研究了一系列以魁北克大桥倒塌而告终的悲剧事件。其中一个重要的技术问题在施工初期就已显现出来,当发现到达现场的桥梁构件比预期的要重时。

造成这种差异的原因是桥梁设计师的自重计算错误,凤凰桥公司,实际桥梁比最初计算的重10%。

尽管有错误,导致桥梁应力增加7%,西奥多·库珀,作为技术顾问参与该项目的著名桥梁工程师,允许施工。

然而,到1907年中期,有证据表明,一些严重的问题已经出现——在桥梁的一些关键受压构件中发现了明显的弯曲。菲尼克斯和库珀最初会得出结论,这种鞠躬不太可能与在职压力有关,但要么是预先存在的,要么是由于构件在施工期间持续受到影响。

诺曼·麦克卢,库珀的现场检查员,不同意:他确信船首弯曲是在安装后发生的,没有发现撞击损坏的证据。8月29日,1907,其中一个构件在前两周内从19mm增加到57mm,库珀最终接受了一个存在的问题,并指示在调查前停止工作。太晚了——倒塌发生在那天晚上晚些时候,75名工人丧生。

技术故障原因


英国皇家委员会将在倒塌事件中确认,锚臂中一根较低弦的屈曲,位于主墩(A9L构件)附近,引发了结构(1)的渐进式倒塌。

正是这个成员在失败的前几天表现出了巨大的鞠躬。委员会将得出结论,该成员的失败与细节无关,制造或材料质量。这是由于设计缺陷造成的。

首先,体重计算错误起了作用,委员会认为这是一个“严重错误”,足以要求对桥梁(1)进行谴责。

然而,库珀之所以决定在错误暴露后继续工作,是因为桥梁设计所采用的工作应力已经非常高——事实上,大大高于施工时的标准。

库珀允许正常荷载下工作应力为145mN,极端荷载条件下工作应力为165mN(1)。与美国现代钢结构协会(AISC)的许用应力相比,库珀的压力高达9%。

所以库珀使用的工作应力比AISC高,但在100多年前,当时钢还是一种相对较新的建筑材料。铁路和运河部的一位桥梁工程师对这种方法提出了担忧,他们被库珀解雇了。库珀的名声使他的观点占了上风。

这一问题进一步复杂化的原因是,行业对格子受压构件的性能和承载力缺乏了解。委员会发现,从事这类成员设计的工程师“在科学教科书或期刊中几乎找不到或根本找不到帮助其判断的东西”(1)。

令人惊讶的是,尽管库珀愿意接受异常高的工作压力,这些构件的设计缺乏理论指导和实践先例,未进行成员测试。当然,获得测试资金是一个重大问题。(事实上,资金问题几乎困扰着该项目的每一个方面:“实际上,安全与经济之间的每一个冲突都是以有利于经济的方式解决的”(1)。

图3:魁北克第二座桥倒塌。

然而,还发现,当凤凰桥公司为测试提供资金时,库珀拒绝了这个提议,引用“时间限制”(1)。库珀似乎只是相信,这座桥的实际性能可以仅通过理论方法来确定,凤凰城共有的景色,尽管这座桥的长度打破了纪录。

失败之后,测试表明,三分之一的网架构件在荷载作用下“爆炸性失效”。确认委员会的观点,即格构不足以使成员作为一个完整的单元(1)。(令人遗憾的是,测试资金几乎总是在失败后才可用。)因此,库珀和菲尼克斯所依赖的理论基础与实际表现完全不符。库珀的方法是“不安全的做法”(1)。

人为因素


那么,为什么像库珀这样的有经验的工程师会采取这种方法呢?考虑到这座桥将是他事业的最高成就,他的自我驱使他超越了工程知识和实践的界限吗?

当然,自我起了作用,当库珀接近魁北克大桥的设计和施工时,试图理解库珀思想状态的一种方法可能是回到他在1890年苏格兰第四座大桥竣工后所做的评论(2)。

尽管在设计中有很多针对保守主义的评论,但事实是,毕竟,在1879年泰桥灾难后设计的,对另一个铁路桥的故障没有兴趣-库珀在他的评论中特别严厉,把这座桥描述为:“人类设计的最笨拙的结构;在我看来,这是有史以来建造的最笨拙的工程”(2)。然后他继续说,一个美国人可以用一半的成本做到这一点。

尽管任何关于这些观点如何影响库珀通往魁北克大桥的方法的研究纯属猜测,有证据表明他们影响了他的技术判断。首先,第四座桥的跨度为521米,比魁北克大桥的初始设计跨度488米长。库珀将把这座桥的跨度扩大到549米,使之成为世界上最长的悬臂桥。

虽然这本身不一定是个问题,而且确实有合理的技术依据(如第1部分所述)。这一决定导致了自重计算错误——凤凰城没有更新跨度长度来反映更长更重的桥梁。

其次,可能更具破坏性,库珀认为这座桥笨拙笨拙,它本来可以用一半的成本建成的。这种态度显然影响了他允许增加工作压力的决定,从而减小桥梁构件的横截面积。

正是在更换桥梁的设计过程中,库珀对细长构件的驱动力才变得明显。当然,崩溃后的任何重新设计都是固有的保守,但在魁北克的情况下,一些构件的横截面积增加了150%(2)。

图2:福思桥的“笨拙”结构。

替换桥,1917年竣工,比原设计重2.5倍,最后讽刺的是,在“笨拙”方面与第四座桥没有什么不同(图1和图2)。库珀正努力避免(1)。

而且,当然,魁北克大桥的故事并没有就此结束。在替换桥施工期间,在提升和安装中央跨度的操作中,一个升降轴承失效,长195m,4500t中心跨塌入46m以下河流,导致13人死亡(图3)。

总共,魁北克大桥的故事提醒我们,仅仅依靠一个人的判断,创新项目的危险。库珀的巨大声誉,这远不是使项目更安全,会,矛盾的是,把它置于更大的风险之中。

他坚持更长的跨度和更高的工作压力,似乎是受到了对遗产的关注,而不是完善的工程基础。

他拒绝接受独立检查,结合他所创造的“不容置疑”的环境,最终导致他的决定不受质疑。总共,委员会将得出结论,库珀的存在创造了“一种虚假的安全感”(2)。

鞠躬的成员


最后,为什么弯曲的受压构件被视为苦恼的证据这么长时间?一个问题是实际管理这一问题的人员:库珀在纽约800多公里之外,一旦上层建筑施工开始,他就从未访问过现场;凤凰城的主要工程师位于凤凰城,宾夕法尼亚,后来,公司的总工程师承认从未见过那些关键的鞠躬成员;离开了麦克卢尔,库珀的现场检查员,处于一种难以忍受的境地,即试图管理和理解正在展开的局势。

从根本上讲,虽然项目组在“纸面上”看起来不错,实践中的现实是缺乏的,委员会的结论是:“很明显,在那一天,世界上最伟大的桥梁正在建造中,却没有一个人能够接触到,根据经验,知识和能力足以应付危机”(1)。

隐含假设


另一个问题是,我们一次又一次地看到所有灾难性的失败:隐性假设所扮演的角色。隐含的假设是我们所依赖的,但我们却不知道所以他们通常
逃避批判性检查。

当面临结构性危机的证据时,库珀和凤凰桥公司都暗含地认为这座桥的设计是合理的。一旦做出这种假设,苦恼的证据被证实符合其他理论,这些都不认为是设计上的错误。

只有在太晚的时候,失去了有效干预的机会,这种隐含假设的有效性是否受到了审查?隐含假设,它们对结构工程设计构成的真正威胁,将是另一篇文章的主题。

本文于2014年11月在《结构工程师》上首次发表。第20-21页。www.thestructuralengineer.org网站

作者:肖恩·布雷迪是布雷迪·海伍德的董事总经理。(网址:www.bradyheywood.com.au)总部设在布里斯班,澳大利亚。该公司提供法医和调查结构工程服务,并专门确定工程失败和不履行的原因。

工具书类


1) 德拉特N.J(2009)超越失败:土木工程师的法医案例研究,williamhill娱乐
莱斯顿,美国:美国土木工程师协会williamhill娱乐
2) 凯森B.(2008)了解桥梁倒塌,伦敦,英国:泰勒和弗朗西斯

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