【本報訊】2 019 年 1 0 月 1 日上午9 時許，台灣宜蘭縣南方澳跨港大橋發生意外垮塌事故，一輛油罐車隨橋掉落水中，事故已造成1 0 人受傷 5 人失踪。該事故引發了國內外廣泛討論與關注。本文通過現場監控視頻和現場殘骸照片，對事故進行初步分析。
事故概況
台灣南方澳跨港大橋為亞洲第一座雙叉式單拱橋，橋長 140 米，橋寬15 米，橋下至海面高度18.5 米，橋面至拱頂25.27 米。主體鋼材為耐候性高強度低合金鋼，鋼板總重1535 噸，支承型式為750 T 單向活動鋼支座，該橋於 1998 年6 月20 日完工。橋樑為繫桿拱結構，主梁採用斜桿與主拱圈相連，形成尼爾森體系，鋼主梁受拉自平衡的水平推力。這一結構特點可從倒塌前現場照片中得到驗證，如圖 1 所示。
圖1 澳跨港大橋（圖片來源：蘇奧觀光旅遊網）
倒塌過程分析
2.1 確定初始破壞位置／根據東森新聞和來自網頁（https://haokan.baidu.com/v?vid=1064371237825553162&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video ）的兩個視頻，均可發現，在油罐車駛過跨中後不久，跨中靠右側第一根吊桿與拱圈連接部位最先發生斷裂，為本起事故的起始破壞點，如圖2 所示。
圖2 初始斷裂吊桿
2.2 剩餘吊桿的連續斷裂
第一根吊桿斷裂後，左側吊桿幾乎在同一時間發生與拱圈連接部分的斷裂，而右側吊桿則發生與橋面連接的失效，如圖 3 所示。在正常橋樑設計中，一般會保留一定的安全儲備，即使其中一根吊桿的失效後，其餘吊桿仍可保持結構正常工作。而在本事故中，首根吊桿失效後產生的內力重新分佈，導致剩餘吊桿受力增加，並引發吊桿連續斷裂失效，可以推斷吊桿與拱圈或橋面的連接部位發生了一定程度的損傷。
圖3吊桿連續破壞過程示意圖
2.3 主梁倒塌及殘骸分析
根據現場殘骸照片，推斷主梁為鋼樑，如圖 4 所示。
圖4 主梁結構形式推斷
由視頻中可見，主梁在吊桿破壞後，由於彎矩持續增加，主梁撓度立刻增大；變形增大到一定程度在跨中產生塑性鉸，主梁出現裂縫；隨著撓度繼續增加，裂縫開展；撓度增大到一定程度主梁突然發生斷裂，結構在斷裂處發生不連續相對轉動變形；主梁斷裂後，結構變成可變體系，發生連續倒塌，如圖 5 所示。
圖5 主梁變形過程示意圖
2.4 主拱圈倒塌過程分析
在倒塌前，從視頻中可以看出，主拱圈在倒塌過程中，發生的變形並表現出了拱頂和拱腳的相對位移，但拱圈未發生強度破壞；在繫桿拱整體滑落後，拱與橋面連接的交叉桿受到衝擊發生斷裂。
2.4.1 吊桿失效，拱頂向上回彈，拱腳發生相向位移
由視頻中可見，主拱圈在事故過程中拱頂上拱，拱腳向跨中方向發生位移。
就拱頂變形看，第一根吊桿斷裂時，吊桿拉力釋放後，作用在主拱圈的拉力消失後，主拱圈出現輕微回彈，略微向上拱起；吊桿連續斷裂，主拱圈繼續向上拱起，幅度增大，但無論是拱腳還是拱頂，結構位移較小，如圖 6 所示。
2.4.2 主梁向下變形，拱腳繼續發生相向位移
主梁形成塑性鉸後，並繼續垮塌時，主拱圈明顯向上拱起，結構發生破壞。在所有吊桿都發生斷裂瞬間，拱頂豎向變形較小，但當跨中產生塑性鉸時，可以看出拱頂發生明顯的向上位移，同時拱腳位移迅速增大，隨後主拱圈整體垮塌，如圖 7 所示。
圖6 拱頂變形過程示意圖
圖7 拱腳變形過程示意圖
由此可以得出，拱圈的出現落樑的主要原因：
（ 1 ）吊桿釋放後拱頂回彈，在拱圈長度不變的情況下，拱腳發生相向位移
（ 2 ）主梁受彎出現塑性鉸後，主梁跨中位移引起主樑與拱連接處進一步發生相向位移。
上述兩個位移的疊加導致繫桿（主梁）和拱整體從支座上滑落。
倒塌過程總結
通過上述視頻圖分析，本團隊將倒塌過程通過示意圖更好的展示，見圖7 。澳跨港大橋坍塌可分為以下 4 個階段：1 . 第一根吊桿發生斷裂，內力發生重分佈，超出剩餘吊桿承載能力，導致吊桿連續破壞； 2 . 吊桿破壞後導致作用在拱圈上的內力釋放，主拱圈拱頂發生較大的向上恢復變形，拱頂向上回彈，由於拱圈軸向變形可以忽略，因此，拱頂向上回彈必然導致拱腳向跨中方向收縮； 3 . 吊桿破壞後，主梁無法承受自重而發生彎曲變形，撓度大大增加，導致拱腳處受到較大拉應力向跨中收縮。4 . 主梁變形到一定程度產生塑性鉸，在跨中開裂；同時拱腳明顯相對位移，繫桿拱發生落梁，進而整體坍塌。
圖8 橋樑倒塌過程示意圖
基於虛位移原理的繫桿拱拱腳相對位移分析
根據虛位移原理，有式 1 。
圖9 拱頂位移引發拱腳相對位移示意圖
——（1）從式1 中可以看出，在拱頂位移方向單位力作用下，在忽略軸向變形和剪切變形的前提下，拱頂位移將引發結構彎曲變形和拱腳位移。同理，當主梁發生一定彎曲變形後，跨中的撓度將引發兩拱腳發生水平的相向位移。因此，可以認為在保持繫桿拉力不變的前提下，繫桿拱在吊桿斷裂和主梁彎曲後，繫桿拱拱腳有內生的發生相向位移的趨勢，這個趨勢可能導致繫桿拱整體落梁。
結論與建議
（ 1 ）澳跨港大橋坍塌，可初步推斷是大部分吊桿存在損傷，某一吊桿斷裂後，損傷後的吊桿無法承擔主樑自重引發的各吊桿內力重分佈帶來的各桿內力的增加，進而引發連續倒塌。
（ 2 ）包含繫桿的上部結構的落梁是在吊桿發生破壞的條件下，三個原因導致上部結構滑落，拱頂向上位移和主梁向下撓度均會引發拱腳發生相向位移，導致上部結構在支座上移動，第三，當結構變成機構後，進一步從支座上滑落，引發結構整體發生坍塌。
（ 3 ）由於繫桿拱在倒塌過程中，在發生吊桿連續斷裂後，繫桿主梁僅形成塑性鉸，不發生徹底斷裂的前提下，具有天生的拱腳發生相向位移的特點，建議加強繫桿主樑與相鄰跨主樑的連接，避免繫桿拱上部結構整體滑落。
（ 4 ）建議加強吊桿與拱圈和主梁連接處的強度檢查，及時發現吊桿鋼結構鏽蝕或疲勞引發的強度損失。
以上工作由浙江工業大學彭衛兵教授、戴飛教授和浙江工業大學青年教師李翠華博士以及兩位研究生朱志翔和陳林立合作完成。限於本團隊的認知水平，文中可能有很多不當之處，敬請大家批評指正。
●彭衛兵，工學博士、教授、博士生導師，長期致力於橋樑倒塌事故分析和新型橋樑結構研究，提出了典型的獨柱墩樑橋傾覆破壞模式，提出並建立了基於剛體和變形體轉動的梁橋傾覆計算方法。主持國家自然科學基金 3項、主持浙江省省自然科學基金、浙江省科技廳和交通部西部課題分項課題多項。
●戴飛，博士、教授、博士生導師，長期致力於建設工程信息化、安全與健康風險等方面的基礎理論、技術、及應用研究，並在工程視覺傳感研究領域做了一些國際有影響力的工作。目前擔任美國土木工程師協會建設工程與管理雜誌（ Journal of Construction Engineering and Management ）編委，及美國土木工程師協會可視化信息建模與仿真委員會秘書。