21个设计失误 · 10亿美元新大桥面临拆除重建
跨越布法罗
布法罗湾（Buffalo Bayou）被誉为休斯敦的母亲河毫不为过。 它起源于休斯敦本德堡附近的草原上，向东缓慢地流淌，最终汇入墨西哥湾。在19世纪，德州最早期的居民便在河的两岸聚集形成定居点。 布法罗湾的流向 19世纪明信片上的布法罗湾 随着两岸居民区的不断发展，布法罗湾阻隔两岸交通联系的影响开始显现。越来越多的高速公路与桥梁开始在河湾上空跨越。 1977年，一项大桥项目被提上了日程。这条大桥横跨起始于布法罗湾中部的休斯敦航道，采用了预应力混凝土箱梁方案进行建造，双向四车道的桥宽。大桥最终于1982年落成，被命名为休斯敦航道大桥（Sam Houston Ship Channel Bridge）。 1982年落成的休斯敦航道大桥 休斯敦航道大桥是当时西半球拥有最长箱梁跨度的桥梁，甚至中国在当年也有报道。 中国1982年的文献资料 10亿美元新桥 然而，无论休斯敦航道大桥当年的历史多么辉煌，也无法改变一个事实：迄今它已经使用了将近40年。 桥体结构不仅存在使用寿命隐患，双向四车道的桥宽也逐渐不能适应日益增长的交通量。为此，当地政府在2017年启动了一项城市更新项目，其中一点就是把旧的航道大桥拆除，更换为分离式双向八车道的全新大桥。（以下均简称为新大桥） 航道大桥的更换计划 新大桥由美国的FIGG工程集团负责设计，该集团在美国全境设计了多座桥梁，可以说他们的强项就是桥梁设计。 与旧桥不同，新桥采用的是斜拉桥形式，跨越航道的主跨由设置在南北两岸的两个桥塔通过拉索吊起。斜拉桥可以实现更大的桥梁跨度，无须在航道内设置桥墩，相当于从另一个角度拓宽了航道的使用范围。 新大桥效果图 新大桥主跨长达402m，比旧桥的主跨（213m）长了足足将近200m。 新大桥的尺寸 为了承受如此长的跨度，两岸的桥塔高度也相应到达了157m。 桥塔的高度 桥塔与斜拉索的连接 每个桥台均由48根（6x8）直径2.4m的桩进行支撑。这些桩深入地层达70m。 桥台由长达70m的基础桩支承 从效果图来看，新大桥相比旧桥拥有更佳的观感。为了建造这座富有艺术性的大桥，工程总造价来到了10亿美金。 自2018年工程正式开工以来，新大桥已陆续施工了两边的引桥，两个高桥塔也继续往设计高度爬升。 引桥的施工 桥塔桩基的施工 桥塔已初现雏形 就在工程干得如火如荼时，2019年8月，整项工程却被紧急叫停。 全面审查 这一切均起因于2018年3月发生在迈阿密的人行天桥倒塌事故。当时，施工中的天桥整体塌下，最终造成6人死亡。详细的事故分析可以看本号的往期文章： 很不幸，迈阿密人行天桥的设计方正是FIGG。美国国家运输安全委员会（NTSB）对事故进行深入调查后，认为FIGG在设计中的计算错误是导致人行天桥倒塌的主要原因之一。 此结论对FIGG产生了重大影响，直接导致了得克萨斯州和印第安纳州的政府和开发商对州内所有FIGG涉及的项目进行更仔细地审查。 其中，新休斯敦航道大桥也成为了被重点审查的项目之一。政府聘用了丹麦科威公司（COWI）担任审查顾问，负责全面审查新大桥的设计资料和施工方案。COWI是一家著名的国际工程顾问集团，参与了世界范围内多项重大桥梁工程。值得一提的是，COWI当年也是港珠澳大桥的设计顾问之一。 2020年3月，在新大桥工程被紧急叫停约半年后，COWI向大桥管理局提交了一份独立审查报告。 独立审查报告 报告中除了包含大量的分析与计算，还有一句掀起轩然大波的话： “发现了21处地方需重点关切。（identifies twenty-one areas of significant concern.）” 21个设计失误 报告中的这句话虽然说得很含蓄，但在看了这21点结论后，无论是政府部门还是媒体都立即将其解读为“设计失误”（design flaws）。这21点结论为： 计算参数 1. 设计中假定的桩荷载-位移关系不当，显著影响桩和桩帽的计算荷载。 2. 桥塔基础沉降和倾斜的计算值明显低于用于施工分析的值。 荷载 3. 用于正常使用阶段设计的风荷载不可靠。根据审查结果，发现应对正常使用阶段风荷载根据工况不同进行调整。 4. 用于施工阶段设计的风荷载不可靠。根据审查结果，发现应对施工阶段风荷载根据工况不同进行调整。 5.在北桥塔施工阶段的分析中，没有考虑结构上的交通荷载。 基础 6. 基础桩的岩土承载力不符合项目要求。 7. 桥塔基础桩帽的结构承载力不符合项目要求。 桥塔下部结构 8. 桥塔支腿弯曲区域承载力不达标。 9. 桥塔支腿交叉点区域布置不满足规范要求。 10. 桥塔支腿与桥面板的相交处需要进一步加强。 11. 桥塔支腿开洞区域的承载力不达标。 12. 桥塔支腿过渡区域的钢筋布置不符合要求。 13. 桥塔支腿顶部区域的钢筋布置不符合要求。 桥塔上部结构 14. 边梁的抗剪配筋布置不符合项目要求。 15. 斜拉索节段的承载能力。（此部分正在重新设计，故审查中并没有进行复核） 16. 拉索的抗滑性能不满足要求。 施工相关 17. 承建商提供的施工风荷载已被替代。 18. 承建商提供的沉降数据可能不准确。 19. 承建商提供的拉索抗滑验算不符合项目要求。 20. 在承建商的分析中，需要考虑建设北岸桥面时，南岸桥面上的交通荷载。 21. 桥梁节段的吊装需要进行局部应力和强度验算。 虽然说根据结论，设计单位与承建商都有做得不到位的地方，但最关键的失误为第4点与第6点，这两点都与FIGG的设计分析息息相关。 关键失误一： 未考虑最不利工况 在斜拉桥的施工中，典型的施工顺序大致如下： 1.施工桥塔结构 2.桥塔完成后，开始拼装桥梁节段 3.节段往前延伸，拉索吊起桥梁 4.最终在中部合龙 显而易见，斜拉桥在承受侧向风荷载时，最不利的工况应该是梁体在中部合龙前。此时，由两边桥塔往前延伸的桥梁可以看作一根巨型的悬臂梁，侧向无任何有效支撑。 然而，FIGG在对施工阶段进行风荷载分析时，并没有考虑这些临时工况下桥体的动力特性差异，而是认为桥梁在施工阶段拥有固定的动力特性。 这种做法，可能会导致桥梁在施工至最不利工况时，出现预料之外的变形或失稳。 关键失误二： 未考虑群桩效应 在桩基础设计中，根据桩受力特性的差异，主要可分为两种类型：端承桩与摩擦桩。 端承桩与摩擦桩 端承桩一般桩端坐落在岩石或坚硬的地层中，当上部传来压力时，主要由桩端区域提供反力。以下的图片可以直观的看到这种力学响应特点。 端承桩的受力特性 与端承桩不同，摩擦桩的桩端下部并没有坚硬的地层，因此主要由桩侧与土层之间的摩擦力提供反力。当然，摩擦桩的桩端也会提供部分反力，但它的贡献度不像端承桩那样占据主导地位。以下为摩擦桩的受力特性，反力由桩周一定范围内的土层提供。 摩擦桩的受力特性 新大桥桥塔处的桩基正是属于摩擦桩类型。休斯敦所在地区的地表以下，沉积有深厚的土层，要到大概2000英尺（约600米）深度才触及岩层。这种情况下，采用端承桩是不现实的。 休斯敦地区深厚的土层 在600m以上，绝大部分都是由一种被归类为Beaumont Formation的粘性土所构成。 粘性土是桩基础的主要构成地层 虽然桥塔的桩基深达70m，但主要仍是被粘性土所包围。 摩擦桩有一项很鲜明的特点，当一群桩聚在一起受力时，每根桩的受力并不是均等的，而是根据桩位置的不同有所差异。这个特点被称为「群桩效应」（Group Piles Effects）。 在群桩中，如果两根桩之间的间距过近，或者上部传来的荷载很大，两根桩往土层传播应力的区域可能会出现重叠。如果有四根桩，那四根桩的中心点区域甚至会出现四次的应力重叠现象。 桩间应力的重叠现象 桩间土层的承载力是有限的。当应力重叠过多时，土层并不会提供相应的承载力，因为它的承载力已经达到了一个极限点。也许单根桩时能承受500吨的压力，但四根桩加一起时，承载力却达不到4倍的2000吨。 假设桩群中每根桩的长度和直径一样，一般是角桩的承载力>边桩>中间桩。下图可以很直观地说明这个问题。 桩群中的受力特性差异 在FIGG设计的桩基础中，每根桩的受力都被认为是均等的，并没有考虑群桩效应的影响。根据COWI的重新检算，桩基础中角桩和边桩的受力会比中间桩更高，这与群桩效应理论是一致的。 如果按照FIGG原来的分析结果设计，部分基础桩甚至会出现承载力不足的现象。这将导致一个十分严重的后果：基础不牢，地动山摇。 多米诺效应 FIGG被炒掉，COWI将接手新大桥项目进行变更设计。 新方案将增加约4亿美金的造价，其中包括部分已建桥梁的拆除费用。最终总费用比原来上涨了40%。 FIGG受迈阿密人行天桥和此事的影响，在2020年7月被联邦公路管理局处罚，在9年内「禁止」承接任何联邦政府的项目。 美国政府对于失信行为有着严格的管理制度，对于存在失信行为的企业，可能会受到「暂停」（suspension）交易或「禁止」（debarment）交易的处罚。两种方式的区别如下： 很明显，「禁止」已基本对企业的失信性质做出了官方定性。来自乔治·华盛顿法学院的Tillipman评论道：