21個(gè)設(shè)計(jì)失誤 · 10億美元新大橋面臨拆除重建
跨越布法羅
布法羅灣（Buffalo Bayou）被譽(yù)為休斯敦的母親河毫不為過。 它起源于休斯敦本德堡附近的草原上，向東緩慢地流淌，最終匯入墨西哥灣。在19世紀(jì)，德州最早期的居民便在河的兩岸聚集形成定居點(diǎn)。 布法羅灣的流向 19世紀(jì)明信片上的布法羅灣 隨著兩岸居民區(qū)的不斷發(fā)展，布法羅灣阻隔兩岸交通聯(lián)系的影響開始顯現(xiàn)。越來越多的高速公路與橋梁開始在河灣上空跨越。 1977年，一項(xiàng)大橋項(xiàng)目被提上了日程。這條大橋橫跨起始于布法羅灣中部的休斯敦航道，采用了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁方案進(jìn)行建造，雙向四車道的橋?qū)挕４髽蜃罱K于1982年落成，被命名為休斯敦航道大橋（Sam Houston Ship Channel Bridge）。 1982年落成的休斯敦航道大橋 休斯敦航道大橋是當(dāng)時(shí)西半球擁有最長箱梁跨度的橋梁，甚至中國在當(dāng)年也有報(bào)道。 中國1982年的文獻(xiàn)資料 10億美元新橋 然而，無論休斯敦航道大橋當(dāng)年的歷史多么輝煌，也無法改變一個(gè)事實(shí)：迄今它已經(jīng)使用了將近40年。 橋體結(jié)構(gòu)不僅存在使用壽命隱患，雙向四車道的橋?qū)捯仓饾u不能適應(yīng)日益增長的交通量。為此，當(dāng)?shù)卣?017年啟動(dòng)了一項(xiàng)城市更新項(xiàng)目，其中一點(diǎn)就是把舊的航道大橋拆除，更換為分離式雙向八車道的全新大橋。（以下均簡稱為新大橋） 航道大橋的更換計(jì)劃 新大橋由美國的FIGG工程集團(tuán)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，該集團(tuán)在美國全境設(shè)計(jì)了多座橋梁，可以說他們的強(qiáng)項(xiàng)就是橋梁設(shè)計(jì)。 與舊橋不同，新橋采用的是斜拉橋形式，跨越航道的主跨由設(shè)置在南北兩岸的兩個(gè)橋塔通過拉索吊起。斜拉橋可以實(shí)現(xiàn)更大的橋梁跨度，無須在航道內(nèi)設(shè)置橋墩，相當(dāng)于從另一個(gè)角度拓寬了航道的使用范圍。 新大橋效果圖 新大橋主跨長達(dá)402m，比舊橋的主跨（213m）長了足足將近200m。 新大橋的尺寸 為了承受如此長的跨度，兩岸的橋塔高度也相應(yīng)到達(dá)了157m。 橋塔的高度 橋塔與斜拉索的連接 每個(gè)橋臺均由48根（6x8）直徑2.4m的樁進(jìn)行支撐。這些樁深入地層達(dá)70m。 橋臺由長達(dá)70m的基礎(chǔ)樁支承 從效果圖來看，新大橋相比舊橋擁有更佳的觀感。為了建造這座富有藝術(shù)性的大橋，工程總造價(jià)來到了10億美金。 自2018年工程正式開工以來，新大橋已陸續(xù)施工了兩邊的引橋，兩個(gè)高橋塔也繼續(xù)往設(shè)計(jì)高度爬升。 引橋的施工 橋塔樁基的施工 橋塔已初現(xiàn)雛形 就在工程干得如火如荼時(shí)，2019年8月，整項(xiàng)工程卻被緊急叫停。 全面審查 這一切均起因于2018年3月發(fā)生在邁阿密的人行天橋倒塌事故。當(dāng)時(shí)，施工中的天橋整體塌下，最終造成6人死亡。詳細(xì)的事故分析可以看本號的往期文章： 很不幸，邁阿密人行天橋的設(shè)計(jì)方正是FIGG。美國國家運(yùn)輸安全委員會（NTSB）對事故進(jìn)行深入調(diào)查后，認(rèn)為FIGG在設(shè)計(jì)中的計(jì)算錯(cuò)誤是導(dǎo)致人行天橋倒塌的主要原因之一。 此結(jié)論對FIGG產(chǎn)生了重大影響，直接導(dǎo)致了得克薩斯州和印第安納州的政府和開發(fā)商對州內(nèi)所有FIGG涉及的項(xiàng)目進(jìn)行更仔細(xì)地審查。 其中，新休斯敦航道大橋也成為了被重點(diǎn)審查的項(xiàng)目之一。政府聘用了丹麥科威公司（COWI）擔(dān)任審查顧問，負(fù)責(zé)全面審查新大橋的設(shè)計(jì)資料和施工方案。COWI是一家著名的國際工程顧問集團(tuán)，參與了世界范圍內(nèi)多項(xiàng)重大橋梁工程。值得一提的是，COWI當(dāng)年也是港珠澳大橋的設(shè)計(jì)顧問之一。 2020年3月，在新大橋工程被緊急叫停約半年后，COWI向大橋管理局提交了一份獨(dú)立審查報(bào)告。 獨(dú)立審查報(bào)告 報(bào)告中除了包含大量的分析與計(jì)算，還有一句掀起軒然大波的話： “發(fā)現(xiàn)了21處地方需重點(diǎn)關(guān)切。（identifies twenty-one areas of significant concern.）” 21個(gè)設(shè)計(jì)失誤 報(bào)告中的這句話雖然說得很含蓄，但在看了這21點(diǎn)結(jié)論后，無論是政府部門還是媒體都立即將其解讀為“設(shè)計(jì)失誤”（design flaws）。這21點(diǎn)結(jié)論為： 計(jì)算參數(shù) 1. 設(shè)計(jì)中假定的樁荷載-位移關(guān)系不當(dāng)，顯著影響樁和樁帽的計(jì)算荷載。 2. 橋塔基礎(chǔ)沉降和傾斜的計(jì)算值明顯低于用于施工分析的值。 荷載 3. 用于正常使用階段設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載不可靠。根據(jù)審查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)應(yīng)對正常使用階段風(fēng)荷載根據(jù)工況不同進(jìn)行調(diào)整。 4. 用于施工階段設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載不可靠。根據(jù)審查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)應(yīng)對施工階段風(fēng)荷載根據(jù)工況不同進(jìn)行調(diào)整。 5.在北橋塔施工階段的分析中，沒有考慮結(jié)構(gòu)上的交通荷載。 基礎(chǔ) 6. 基礎(chǔ)樁的巖土承載力不符合項(xiàng)目要求。 7. 橋塔基礎(chǔ)樁帽的結(jié)構(gòu)承載力不符合項(xiàng)目要求。 橋塔下部結(jié)構(gòu) 8. 橋塔支腿彎曲區(qū)域承載力不達(dá)標(biāo)。 9. 橋塔支腿交叉點(diǎn)區(qū)域布置不滿足規(guī)范要求。 10. 橋塔支腿與橋面板的相交處需要進(jìn)一步加強(qiáng)。 11. 橋塔支腿開洞區(qū)域的承載力不達(dá)標(biāo)。 12. 橋塔支腿過渡區(qū)域的鋼筋布置不符合要求。 13. 橋塔支腿頂部區(qū)域的鋼筋布置不符合要求。 橋塔上部結(jié)構(gòu) 14. 邊梁的抗剪配筋布置不符合項(xiàng)目要求。 15. 斜拉索節(jié)段的承載能力。（此部分正在重新設(shè)計(jì)，故審查中并沒有進(jìn)行復(fù)核） 16. 拉索的抗滑性能不滿足要求。 施工相關(guān) 17. 承建商提供的施工風(fēng)荷載已被替代。 18. 承建商提供的沉降數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確。 19. 承建商提供的拉索抗滑驗(yàn)算不符合項(xiàng)目要求。 20. 在承建商的分析中，需要考慮建設(shè)北岸橋面時(shí)，南岸橋面上的交通荷載。 21. 橋梁節(jié)段的吊裝需要進(jìn)行局部應(yīng)力和強(qiáng)度驗(yàn)算。 雖然說根據(jù)結(jié)論，設(shè)計(jì)單位與承建商都有做得不到位的地方，但最關(guān)鍵的失誤為第4點(diǎn)與第6點(diǎn)，這兩點(diǎn)都與FIGG的設(shè)計(jì)分析息息相關(guān)。 關(guān)鍵失誤一： 未考慮最不利工況 在斜拉橋的施工中，典型的施工順序大致如下： 1.施工橋塔結(jié)構(gòu) 2.橋塔完成后，開始拼裝橋梁節(jié)段 3.節(jié)段往前延伸，拉索吊起橋梁 4.最終在中部合龍 顯而易見，斜拉橋在承受側(cè)向風(fēng)荷載時(shí)，最不利的工況應(yīng)該是梁體在中部合龍前。此時(shí)，由兩邊橋塔往前延伸的橋梁可以看作一根巨型的懸臂梁，側(cè)向無任何有效支撐。 然而，F(xiàn)IGG在對施工階段進(jìn)行風(fēng)荷載分析時(shí)，并沒有考慮這些臨時(shí)工況下橋體的動(dòng)力特性差異，而是認(rèn)為橋梁在施工階段擁有固定的動(dòng)力特性。 這種做法，可能會導(dǎo)致橋梁在施工至最不利工況時(shí)，出現(xiàn)預(yù)料之外的變形或失穩(wěn)。 關(guān)鍵失誤二： 未考慮群樁效應(yīng) 在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，根據(jù)樁受力特性的差異，主要可分為兩種類型：端承樁與摩擦樁。 端承樁與摩擦樁 端承樁一般樁端坐落在巖石或堅(jiān)硬的地層中，當(dāng)上部傳來壓力時(shí)，主要由樁端區(qū)域提供反力。以下的圖片可以直觀的看到這種力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)。 端承樁的受力特性 與端承樁不同，摩擦樁的樁端下部并沒有堅(jiān)硬的地層，因此主要由樁側(cè)與土層之間的摩擦力提供反力。當(dāng)然，摩擦樁的樁端也會提供部分反力，但它的貢獻(xiàn)度不像端承樁那樣占據(jù)主導(dǎo)地位。以下為摩擦樁的受力特性，反力由樁周一定范圍內(nèi)的土層提供。 摩擦樁的受力特性 新大橋橋塔處的樁基正是屬于摩擦樁類型。休斯敦所在地區(qū)的地表以下，沉積有深厚的土層，要到大概2000英尺（約600米）深度才觸及巖層。這種情況下，采用端承樁是不現(xiàn)實(shí)的。 休斯敦地區(qū)深厚的土層 在600m以上，絕大部分都是由一種被歸類為Beaumont Formation的粘性土所構(gòu)成。 粘性土是樁基礎(chǔ)的主要構(gòu)成地層 雖然橋塔的樁基深達(dá)70m，但主要仍是被粘性土所包圍。 摩擦樁有一項(xiàng)很鮮明的特點(diǎn)，當(dāng)一群樁聚在一起受力時(shí)，每根樁的受力并不是均等的，而是根據(jù)樁位置的不同有所差異。這個(gè)特點(diǎn)被稱為「群樁效應(yīng)」（Group Piles Effects）。 在群樁中，如果兩根樁之間的間距過近，或者上部傳來的荷載很大，兩根樁往土層傳播應(yīng)力的區(qū)域可能會出現(xiàn)重疊。如果有四根樁，那四根樁的中心點(diǎn)區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)四次的應(yīng)力重疊現(xiàn)象。 樁間應(yīng)力的重疊現(xiàn)象 樁間土層的承載力是有限的。當(dāng)應(yīng)力重疊過多時(shí)，土層并不會提供相應(yīng)的承載力，因?yàn)樗某休d力已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)極限點(diǎn)。也許單根樁時(shí)能承受500噸的壓力，但四根樁加一起時(shí)，承載力卻達(dá)不到4倍的2000噸。 假設(shè)樁群中每根樁的長度和直徑一樣，一般是角樁的承載力>邊樁>中間樁。下圖可以很直觀地說明這個(gè)問題。 樁群中的受力特性差異 在FIGG設(shè)計(jì)的樁基礎(chǔ)中，每根樁的受力都被認(rèn)為是均等的，并沒有考慮群樁效應(yīng)的影響。根據(jù)COWI的重新檢算，樁基礎(chǔ)中角樁和邊樁的受力會比中間樁更高，這與群樁效應(yīng)理論是一致的。 如果按照FIGG原來的分析結(jié)果設(shè)計(jì)，部分基礎(chǔ)樁甚至?xí)霈F(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象。這將導(dǎo)致一個(gè)十分嚴(yán)重的后果：基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖。 多米諾效應(yīng) FIGG被炒掉，COWI將接手新大橋項(xiàng)目進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。 新方案將增加約4億美金的造價(jià)，其中包括部分已建橋梁的拆除費(fèi)用。最終總費(fèi)用比原來上漲了40%。 FIGG受邁阿密人行天橋和此事的影響，在2020年7月被聯(lián)邦公路管理局處罰，在9年內(nèi)「禁止」承接任何聯(lián)邦政府的項(xiàng)目。 美國政府對于失信行為有著嚴(yán)格的管理制度，對于存在失信行為的企業(yè)，可能會受到「暫?！梗╯uspension）交易或「禁止」（debarment）交易的處罰。兩種方式的區(qū)別如下： 很明顯，「禁止」已基本對企業(yè)的失信性質(zhì)做出了官方定性。來自喬治·華盛頓法學(xué)院的Tillipman評論道：