21個設計失誤 · 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，德州最早期的居民便在河的兩岸聚集形成定居點。 布法羅灣的流向 19世紀明信片上的布法羅灣 隨著兩岸居民區的不斷發展，布法羅灣阻隔兩岸交通聯系的影響開始顯現。越來越多的高速公路與橋梁開始在河灣上空跨越。 1977年，一項大橋項目被提上了日程。這條大橋橫跨起始于布法羅灣中部的休斯敦航道，采用了預應力混凝土箱梁方案進行建造，雙向四車道的橋寬。大橋最終于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時西半球擁有最長箱梁跨度的橋梁，甚至中國在當年也有報道。 中國1982年的文獻資料 10億美元新橋 然而，無論休斯敦航道大橋當年的歷史多么輝煌，也無法改變一個事實：迄今它已經使用了將近40年。 橋體結構不僅存在使用壽命隱患，雙向四車道的橋寬也逐漸不能適應日益增長的交通量。為此，當地政府在2017年啟動了一項城市更新項目，其中一點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） 航道大橋的更換計劃 新大橋由美國的FIGG工程集團負責設計，該集團在美國全境設計了多座橋梁，可以說他們的強項就是橋梁設計。 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置在南北兩岸的兩個橋塔通過拉索吊起。斜拉橋可以實現更大的橋梁跨度，無須在航道內設置橋墩，相當于從另一個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到達了157m。 橋塔的高度 橋塔與斜拉索的連接 每個橋臺均由48根（6x8）直徑2.4m的樁進行支撐。這些樁深入地層達70m。 橋臺由長達70m的基礎樁支承 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性的大橋，工程總造價來到了10億美金。 自2018年工程正式開工以來，新大橋已陸續施工了兩邊的引橋，兩個高橋塔也繼續往設計高度爬升。 引橋的施工 橋塔樁基的施工 橋塔已初現雛形 就在工程干得如火如荼時，2019年8月，整項工程卻被緊急叫停。 全面審查 這一切均起因于2018年3月發生在邁阿密的人行天橋倒塌事故。當時，施工中的天橋整體塌下，最終造成6人死亡。詳細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計方正是FIGG。美國國家運輸安全委員會（NTSB）對事故進行深入調查后，認為FIGG在設計中的計算錯誤是導致人行天橋倒塌的主要原因之一。 此結論對FIGG產生了重大影響，直接導致了得克薩斯州和印第安納州的政府和開發商對州內所有FIGG涉及的項目進行更仔細地審查。 其中，新休斯敦航道大橋也成為了被重點審查的項目之一。政府聘用了丹麥科威公司（COWI）擔任審查顧問，負責全面審查新大橋的設計資料和施工方案。COWI是一家著名的國際工程顧問集團，參與了世界范圍內多項重大橋梁工程。值得一提的是，COWI當年也是港珠澳大橋的設計顧問之一。 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立審查報告。 獨立審查報告 報告中除了包含大量的分析與計算，還有一句掀起軒然大波的話： “發現了21處地方需重點關切。（identifies twenty-one areas of significant concern.）” 21個設計失誤 報告中的這句話雖然說得很含蓄，但在看了這21點結論后，無論是政府部門還是媒體都立即將其解讀為“設計失誤”（design flaws）。這21點結論為： 計算參數 1. 設計中假定的樁荷載-位移關系不當，顯著影響樁和樁帽的計算荷載。 2. 橋塔基礎沉降和傾斜的計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計的風荷載不可靠。根據審查結果，發現應對正常使用階段風荷載根據工況不同進行調整。 4. 用于施工階段設計的風荷載不可靠。根據審查結果，發現應對施工階段風荷載根據工況不同進行調整。 5.在北橋塔施工階段的分析中，沒有考慮結構上的交通荷載。 基礎 6. 基礎樁的巖土承載力不符合項目要求。 7. 橋塔基礎樁帽的結構承載力不符合項目要求。 橋塔下部結構 8. 橋塔支腿彎曲區域承載力不達標。 9. 橋塔支腿交叉點區域布置不滿足規范要求。 10. 橋塔支腿與橋面板的相交處需要進一步加強。 11. 橋塔支腿開洞區域的承載力不達標。 12. 橋塔支腿過渡區域的鋼筋布置不符合要求。 13. 橋塔支腿頂部區域的鋼筋布置不符合要求。 橋塔上部結構 14. 邊梁的抗剪配筋布置不符合項目要求。 15. 斜拉索節段的承載能力。（此部分正在重新設計，故審查中并沒有進行復核） 16. 拉索的抗滑性能不滿足要求。 施工相關 17. 承建商提供的施工風荷載已被替代。 18. 承建商提供的沉降數據可能不準確。 19. 承建商提供的拉索抗滑驗算不符合項目要求。 20. 在承建商的分析中，需要考慮建設北岸橋面時，南岸橋面上的交通荷載。 21. 橋梁節段的吊裝需要進行局部應力和強度驗算。 雖然說根據結論，設計單位與承建商都有做得不到位的地方，但最關鍵的失誤為第4點與第6點，這兩點都與FIGG的設計分析息息相關。 關鍵失誤一： 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.施工橋塔結構 2.橋塔完成后，開始拼裝橋梁節段 3.節段往前延伸，拉索吊起橋梁 4.最終在中部合龍 顯而易見，斜拉橋在承受側向風荷載時，最不利的工況應該是梁體在中部合龍前。此時，由兩邊橋塔往前延伸的橋梁可以看作一根巨型的懸臂梁，側向無任何有效支撐。 然而，FIGG在對施工階段進行風荷載分析時，并沒有考慮這些臨時工況下橋體的動力特性差異，而是認為橋梁在施工階段擁有固定的動力特性。 這種做法，可能會導致橋梁在施工至最不利工況時，出現預料之外的變形或失穩。 關鍵失誤二： 未考慮群樁效應 在樁基礎設計中，根據樁受力特性的差異，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硬的地層中，當上部傳來壓力時，主要由樁端區域提供反力。以下的圖片可以直觀的看到這種力學響應特點。 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硬的地層，因此主要由樁側與土層之間的摩擦力提供反力。當然，摩擦樁的樁端也會提供部分反力，但它的貢獻度不像端承樁那樣占據主導地位。以下為摩擦樁的受力特性，反力由樁周一定范圍內的土層提供。 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，采用端承樁是不現實的。 休斯敦地區深厚的土層 在600m以上，絕大部分都是由一種被歸類為Beaumont Formation的粘性土所構成。 粘性土是樁基礎的主要構成地層 雖然橋塔的樁基深達70m，但主要仍是被粘性土所包圍。 摩擦樁有一項很鮮明的特點，當一群樁聚在一起受力時，每根樁的受力并不是均等的，而是根據樁位置的不同有所差異。這個特點被稱為「群樁效應」（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力的區域可能會出現重疊。如果有四根樁，那四根樁的中心點區域甚至會出現四次的應力重疊現象。 樁間應力的重疊現象 樁間土層的承載力是有限的。當應力重疊過多時，土層并不會提供相應的承載力，因為它的承載力已經達到了一個極限點。也許單根樁時能承受500噸的壓力，但四根樁加一起時，承載力卻達不到4倍的2000噸。 假設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問題。 樁群中的受力特性差異 在FIGG設計的樁基礎中，每根樁的受力都被認為是均等的，并沒有考慮群樁效應的影響。根據COWI的重新檢算，樁基礎中角樁和邊樁的受力會比中間樁更高，這與群樁效應理論是一致的。 如果按照FIGG原來的分析結果設計，部分基礎樁甚至會出現承載力不足的現象。這將導致一個十分嚴重的后果：基礎不牢，地動山搖。 多米諾效應 FIGG被炒掉，COWI將接手新大橋項目進行變更設計。 新方案將增加約4億美金的造價，其中包括部分已建橋梁的拆除費用。最終總費用比原來上漲了40%。 FIGG受邁阿密人行天橋和此事的影響，在2020年7月被聯邦公路管理局處罰，在9年內「禁止」承接任何聯邦政府的項目。 美國政府對于失信行為有著嚴格的管理制度，對于存在失信行為的企業，可能會受到「暫停」（suspension）交易或「禁止」（debarment）交易的處罰。兩種方式的區別如下： 很明顯，「禁止」已基本對企業的失信性質做出了官方定性。來自喬治·華盛頓法學院的Tillipman評論道：