锈蚀？台湾南方澳大桥垮塌的原因是…
2021-06-05 00:53
2019年10月1日，我国台湾宜兰县的南方澳大桥发生垮塌，吊杆断裂，桥面、主拱塌陷掉落桥下。事件最终导致桥下6名被压船员死亡，9名船员、1名油罐车司机、3名救援人员共13人受伤。
2020年11月25日，距桥梁垮塌事件发生1年多后，由台湾运输安全调查委员会（TTSB）组织的事故调查报告终于完成。那么，究竟是什么原因导致大桥的垮塌呢？让我们来看看罪魁祸首究竟是谁？
事故调查官方视频
残骸实景
1 工程概况
南方澳大桥位于台湾宜兰县苏澳港辖区內，1998年通车，桥梁全长896.92米，主桥长140米，桥宽15米，双向2车道，设有中央分向岛及人行步道，并设置4处半圆形景观平台。
主桥的设计基本参照1992年建成的西班牙巴奎塔桥的设计，为双叉式单拱设计，主桥结构包含拱架、吊杆、端锚系统、桥面大梁及其他结构，如下图所示。
参照西班牙巴奎塔桥
2 事故调查
事故调查采用了三维激光扫描、无人机测绘、有限元建模等各种技术手段进行复原分析，调查项目包括：
1、现场勘查
所有桥梁构件包括：拱架、吊杆、钢梁及支座打捞上岸，对结构尺寸、焊接、锈蚀等进行调查检测，并对现场的锚头进行无损探伤、对桥面铺装厚度进行抽芯取样。
2、材料试验
现场取样，对吊杆钢绞线、锚头拉伸测试（静载锚固性能试验）、锚头的荧光探伤等。
3、有限元建模分析
通过有限元计算分析了不同工况：实测桥面厚度（超过设计厚度4cm）对结构影响分析、不同吊杆断裂工况对结构影响分析、油罐车等运输车辆通行的影响分析、主桥吊杆容许断裂股数分析、吊杆连锁破坏模式分析、桥梁钢梁各阶段应力分析等。
3 垮塌过程
大桥吊杆外部均以红色HDPE套管包覆，上下锚头分别在拱圈及桥面内部。由于钢绞线及锚头破坏发生在内部，大桥断裂视频看到的仅仅是外包HDPE套管断裂的情况，其实不是真正的实际破坏位置及失效相对顺序。
吊杆真正的断裂顺序是：当视频中的油罐车行经大桥10号吊杆附近，11号吊杆因为下锚头附近钢绞线严重锈蚀，残余强度因无法承受负载而断裂，相邻之10、12号吊杆及9、13号吊杆下锚头处锈蚀钢绞线陆续断裂，随后8号锚头，6号锚头及7号吊索，4、5号锚头，3号锚头，2号锚头，及1号锚头等其它吊杆系统连锁破坏。大桥随之垮塌。
摘自事故调查报告第1册 P258
4 垮塌直接原因
和多数出问题的吊杆拱桥一样，该桥垮塌的直接原因是下锚头及附近吊杆锈蚀。
调查发现，该桥所有下锚头附近吊杆都存在不同程度锈蚀，锈蚀最严重的10、11、12、13号吊杆下锚头附近钢绞线有效残余截面积仅剩余约22%～31%。钢绞线严重锈蚀后，导致承载力不足，这是桥梁垮塌的直接原因。
吊杆钢绞线及锚端锈蚀
为什么锈蚀？因为有水。水从哪里来？来自桥面。
大桥的下锚头没有采用常用的导管设计，而是采用金属短套箱，套箱下端安装在桥面上，埋在桥面中央分隔岛的混凝土中，埋置深度只有1～2厘米，没有伸进钢箱梁内部。这种构造既不可靠，也不防水。
而且套箱与吊杆之间没有设置减振体，吊杆与桥面的振动等可能导致套箱与桥面连接开裂松脱。
调查发现套箱与吊杆的接缝采用树脂类填缝胶，填缝胶存在老化、开裂、松脱等病害，封水失效，水顺着吊杆往下渗流。
下锚头构造
吊杆锚端典型病害
下锚头的锚固设计是采用开口向上的锚箱，然而这锚箱并没有设置泄水孔，顺着吊杆下渗的雨水就积聚在锚箱中，导致锚头及吊杆长期浸泡在水中，大大加剧了锚头及吊杆的锈蚀。
下锚头锚箱积水示意图
积水病害实景
垮桥视频所见的油罐车并没有超载，但却是压垮桥梁的最后一根稻草。
5 其他可能的相关原因
南方澳大桥所属道路多年来因不属于公路系统，造成没有公路主管机关依循相关桥梁检测及补强规范进行检测、评估、维修及补强作业，亦未针对南方澳大桥制定特殊性桥梁的检测项目及检测方式。
南方澳大桥重要构件多数设置于拱架、钢箱梁或套管内，仅靠外部的目视检测很难发现内部劣化情形，检视“交通部公路桥梁检测人员资格与培训要点”中的培训课程内容，未有特殊性桥梁检测相关课程，实桥检测训练亦未教导学员需进入箱梁或拱架等局限空间内进行检测，无法确保检测人员具有针对特殊性桥梁检测的能力。
勘查结果显示，大桥的13组桥面锚定机构内、外壁有不同程度的干渍水痕，部分低边钢板上缘及外壁有溢出的干渍水痕及锈蚀现象，显示锚定机构内曾发生积水状况。
材料试验结果显示，大桥吊索系统的钢绞线成分有所差异，可能来自不同生产商或不同批次的产品，但其强度及硬度差异不大。而钢绞线表面镀锌层厚度不均匀，可能影响耐蚀性。
拉伸试验结果显示，13股吊索中，除5号吊索因锈蚀总负载残余强度较低，其余吊索总负载残余强度均大于合格标准。10号上锚头于拉伸负载达262.42吨时断裂，11号上锚头于拉伸负载达319.88吨时断裂，残余强度未达到美国后拉法预力学会（PTI）测试规范的规定。
南方澳大桥竣工图中所记载的端锚系统，除尺寸标示有遗漏或误植的情形，与实际施工状况亦有差异，影响后续桥梁养护及检测工作的评估、规划与执行。
竣工图资料显示桥面U型加劲板接头处需采用全渗透焊接，现场勘查实际施工情况是采用增设端板，并以填角焊方式处理。然而依据大桥实际破坏过程顺序判断，竣工图与实际施工结果不符的情况与大桥断裂无直接的关系。
大桥铺面载重分析结果显示，平均厚度12.5厘米的实际铺面与平均厚度8.6厘米的竣工图设计铺面，两者吊索拉力对实际拉伸极限负载百分比差距最大仅约2.5%左右。
经结构分析软件模拟，在设计车载作用下，若吊索未锈蚀且锚头强度为设计值，吊索容许断裂股数约为2~4股；若锚头强度为实际残余强度，则吊索容许断裂股数约为1~3股。
经结构分析软件模拟，设计车载造成吊索最大拉力约为极限负载的49.1%，消波块与土方车载造成吊索最大拉力约分别为极限负载的43.0%与41.8%，显示消波块与土方的载运对吊索与钢构受力的影响并未超出设计车载的范围。
调查小组在事故调查过程中陆续向相关单位索取桥梁规划、兴建、施工、监造、检测、验收等文件资料，然因时间久远文件保存单位已将文件销毁，或因火灾等因素遗失，最主要的文件包括桥梁结构计算书、施工计划书、工地焊接施工说明书、材料测试文件、材料进口报关审验文件等已无法取得。
南方澳大桥断裂后的路面钻心检测厚度平均为12.5厘米，历年与桥梁铺面相关的工程，仅有于2017年办理过1次“南方澳大桥与衔接引道段既有道路铺面及伸缩缝改善”工程的验收相关纪录，该工程应无明显超铺状况，而其他工程皆属于路面修补小工程，不会影响整体铺面厚度，仅依据调查小组所收集的资料，无法判断桥面平均厚度是否高于设计值。
它山之石可以攻玉，大桥垮塌事件方方面面的教训都值得我们好好反思。
正在施工的新南方澳跨港桥
6 悬索桥主缆腐蚀问题浅析
一、前言
悬索桥，又名吊桥（suspensionbridge），包含主梁、主缆、锚锭、索塔几部分。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。悬索桥具有造型优美、结构简洁、自重轻、跨径大（可超过 1Km）的优点，近些年来国内外悬索桥的发展迅速。包含目前在建的悬索桥在内，全世界跨径最大的十座悬索桥中，中国已占七个。而且在不远的将来，世界最大悬索桥也将诞生于中国。
二、悬索桥主缆的重要性
主缆作为悬索桥不可更换的主要受力构件之一，被称为悬索桥的 “生命线”。通常由φ5mm 左右的钢丝组成，钢丝紧密排列，首先形成一个六边形，再进行挤压成圆形。
“主缆”是悬索桥一个受力构件系统的总称，其中还包含了索夹、索鞍、缆套、散索区和锚头等，可以说，锚锭和索塔都是因主缆而生的。
三、国内外主缆面临的问题
主缆钢丝持续暴露在大气环境下，经受着各种不利因素侵蚀的考验，极其容易产生锈蚀。悬索桥的设计基准期为 100 年甚至更长，但根据国内外经验，主缆往往不到 20 年就会出现腐蚀生锈情况。因此主缆的防腐保护问题将直接关系到悬索桥的使用寿命。
四、主缆腐蚀的相关因素
主缆是暴露在大气中的，不可避免的要受到大气腐蚀，传统的解决方法是将主缆用防腐材料层层包裹， 称之为罗布林（Roebling）体系，其基本组成有四部分，分别是镀锌、腻子、缠丝、涂层，这一体系从 19 世纪中叶创造以来，一直沿用至今。
然而主缆的腐蚀问题却没有得到有效遏制，腐蚀造成的突发事件仍不可预测，尤其是引起其退化的原因和机理尚不清楚，但可以确定的与其材料的性能、结构、维护、运营以及所处的环境条件有关。我们尝试分析其相关的因素，主要有以下几方面。
1、高应力
现代悬索桥的主缆钢丝抗拉强度都在 1700MPa 以上，在考虑安全系数的情况下，实际工作状态的内应力应该在 500-1000MPa，在高应力状态下的腐蚀规律，是目前比较缺乏的；
2、空隙率
主缆钢丝的圆形形状，注定了主缆内部具有一定空隙，但规则紧密排列的主缆钢丝空隙率应约为 11.3%，而主缆实际空隙率分别为 20%（索夹外）和 18%（索夹内），主要原因是在主缆从六边形变为圆形的过程中，受技术限制，外部钢丝分布不均匀，无法实现最小空隙率。空隙的分布也因此形成了外圆周较大，内圆周较小的特点。而空隙是腐蚀源存留的最佳场所，主缆内部产生的腐蚀问题，归根结底都是由于空隙造成的；
3、高温差
主缆的材料特征，以及其位于户外的应用特征，因温度和太阳辐射的影响，导致其内部会有较高的温差，目前并未进行长期主缆内部温度测量，但桥梁主梁钢结构普遍认为的最高温度是75℃，主缆处于空中，受空气对流的影响，最高温度会有所下降，但最高温度处于50-60℃是绝对可能的，在夏季高温阶段，每天的温差可以达到 30℃，而且，在主缆圆周方向，温度分布不均匀，向阳侧和背阳侧也会产生温差，这样就造成主缆内的空气是有多方向对流的，同时也会加速腐蚀；
4、高湿度
温度的变化会造成空气体积的变化，而主缆的体积变化较之可以忽略，由此产生了空气的内外交换，在温度上升时，空气外溢，而温度下降时，空气吸入，同时，也把水蒸气带入了主缆。假如主缆内部没有积水，在多雨和潮湿的季节，太阳辐射时的高温造成了较低的湿度，降温时吸入的空气则非常潮湿，在清晨，主缆钢丝表面甚至会形成冷凝水，经过短期监测，主缆内部的湿度实际上长期处于 90%以上的极高水平，这对于腐蚀也是极佳的环境；
5、污染物
中国经济飞速发展，带来的其中一个负面问题就是污染，空气污染已经是总所周知的，悬索桥的修建往往是为了加速发展区域经济，而很多时候，化学工业是经济发展的重要组成，化学废气污染较为普遍，悬索桥主缆，一般于江河湖海之上，例如舟山地区的西堠门大桥， 目前是国内已建成最大的悬索桥，但其腐蚀环境也同样是国内最恶劣的。除了化工污染，汽车尾气也是一个必须考虑的因素，一些交通量繁忙的桥梁，如虎门大桥和厦门海沧大桥，几乎可以认为是被汽车尾气长期笼罩的，腐蚀环境更加复杂；
6、防护盲区
很多年以来，主缆的防护都是被割裂成几部分，并由不同方案、不同材料、不同单位实施的，如镀锌、缠丝、涂装、索夹防护、锚固区防护等，主要原因是在桥梁设计领域，防腐并未被设定为一个完整独立的专业。过多的界面划分导致交界面极易产生防护盲区，这些盲区往往从桥梁建设期持续到运营期，成为主缆腐蚀的重大隐患，2018 年 4 月 1日，缅甸渺弥亚大桥的倒塌，就是腐蚀防护盲区造成事故的典型案例；
7、氯离子
在腐蚀防护领域，氯离子的危害已受到高度重视，但在桥梁领域，这一理念并未得到主缆防腐的重视，缘由主要是对氯离子能进入主缆并长期腐蚀主缆的不理解或者不接受。从已打开的主缆腐蚀产物分析结果看，氯离子影响的确存在，但对其影响的控制仍是空白；
8、交通量
正常情况，我们并未对交通量对主缆腐蚀的影响纳入分析范围，但国内的某些桥梁，交通量长期超过设计值，有的甚至是 2 倍的设计值，对腐蚀的影响是否应该考虑，也是一个空白区域。
小结，不难看出，主缆腐蚀相关的因素，贯穿了桥梁的设计、施工、运营和养护的全寿命期，因此，主缆的腐蚀防护应该是悬索桥全寿命期耐久性的一个重要课题。
五、如何应对主缆腐蚀问题
我们经过近十年的主缆防腐研究分析，整理归纳腐蚀相关的因素，大致规划了解决主缆腐蚀问题的几个发展方向，仅供读者参考。
1、采用隔热防护层
目前的主流防腐涂层关注的是附着力、耐候性、柔韧性等，几乎不关注隔热问题，而热传导是导致主缆内部温差的主因，隔热系数较高的材料，能够降低10-20℃主缆温差，较小的温差会减少空气交换的量，也会减少水蒸气的进入，同时减少了污染物和氯离子进入的量， 能够一举多得，是一个理想的改良方向；
2、提高防护层密封性
无论如何，防护层的密封性都是需要关注的，也被广泛认可，但由于主缆结构的特殊性，密封的检测成为一个难题，目前还没有一个检验主缆密封的系统有效的方法，以至于密封要求的提出成为无的之失，形同虚设；
3、转被动防腐为主动防腐
由我们首先提出的桥梁主动防腐理念，是一个全新的理论，其出发点是通过控制腐蚀源来达到防腐的目的。这一技术的核心是“驱离腐蚀源”，其起源是干燥空气防腐技术，干空气至今仍是制造工业中工艺性环境控制的主要技术，干空气不仅可以防腐，还可以是洁净的，在控制了水蒸气的同时，也控制了侵入污染物，这是充分发挥金属性能的最佳环境；
4、全面防腐
我们已经发现，悬索桥主缆系统存在防腐盲区，在技术层面无法完美解决的情况下，通过设计理念的调整，进行全面防腐设计，能够消除防腐盲区。但这项工作，需要桥梁结构与腐蚀防护两个专业充分结合才能完成，目前缺乏这一合作机制；
5、腐蚀检测与监测
最后，我们必须提出一个严重的问题，悬索桥主缆的无损检测技术目前是世界难题，尚无解决方案，目前可行的解决方案只能针对 30cm 以下直径的主缆，而且，仅限于主缆的规则段，在节点部位（索夹、索鞍等），均无法检测。国际上已经开始采用有损检测的方法，采用近乎外科手术的技术，检查检测大直径悬索桥主缆，但并未能解决盲区的检测，因此，主缆状态评估和寿命评估的问题依然无法解决。同理，检测技术限制，主缆腐蚀监测技术也就无从谈起，如何解决几千米长钢丝束的腐蚀检测与监测，将会是今后 10-20 年最为关注的， 也许会出现重大技术突破！
来源：桥何名欤、检师学社、台湾运输安全调查委员会官网、腐蚀与防护、网络资料综合整理返回搜狐，查看更多
