应该认真查找“豆腐渣”工程设计上的错误

摘要

为了探讨綦江虹桥垮塌的原因,通过对现有结构计算分析程序功能的分析,论述了对压弯杆件最不利受力状态分析时的遗漏和针对压弯杆件强度及稳定验算方法中存在的错误；质疑是否存在哑铃形或圆端矩形断面的拱肋抗弯截面模数的计算方法，指出了钢管混凝土拱桥存在诸多不安全因素；建议设计工程师放弃片面追求新、奇的设计思想,转变为注重安全、耐用、适用来设计和建造百年之内决不会垮塌的工程。

正文

1999年3月26日《北京晚报》报道:“重庆綦江县虹桥是一座连接新旧城区的中承式钢管混凝土人行拱桥, 全长140 m, 主拱净跨120 m, 宽6 m。1999年1月4日18时50分, 大桥突然整体垮塌, 过往于桥上的32名群众和22名列队训练的武警战士顿时坠入河中, 其中40人死亡, 14人受伤。死亡人员中, 武警战士18名, 群众22名, 平均年龄不到30岁, 年龄最小的仅7个月。” ^[1]

部队行军每小时能走4 km, 即每秒行进1.11 m。依此计算武警战士以行军速度通过全长140 m的綦江虹桥只需2分零6秒。上述计算表明, 如果綦江虹桥从出现险情到彻底垮塌能超过两分钟, 那么武警战士就可以走过桥去躲过那次劫难, 更不要说武警战士还是跑步过桥呢。

在丹东市鸭绿江边可以看到朝鲜战争被联合国军炸得千创百孔的半座铁路桥。那半座桥现在不要说上去54个人呆几分钟, 就是推上去2节60 t装有货物的车箱放半个月也决不会垮。朝鲜战争之前几千吨的列车可以安全地往来, 朝鲜战争期间遭受联合国军猛裂轰炸桥没有垮, 半座废桥铁路部门无需再养护涂漆了, 放了近半个世纪, 桥也没锈垮。如今游人多时超过54个人到那座桥上去参观游玩甚至蹦蹦跳跳, 游人尽管放心决不会碰上綦江虹桥那样的厄运。然而1999年1月4日仅仅54个人其中还有一位年轻的母亲手中抱着仅7个月的婴儿, 竟然能在两分钟之内将一座全长140 m的特大桥彻底“摧毁”。其能量来自何处?

笔者认为, 綦江虹桥垮塌一定缘于那种钢管混凝土拱桥的致命内因, 人们如不能实事求是地面对綦江虹桥的垮塌内因, 迟早还会有人在那类桥梁上丧命。

《1 SAP (91) 程序不能计算綦江虹桥的共振现象》

1 SAP (91) 程序不能计算綦江虹桥的共振现象

“为彻底调查綦江虹桥事故, 重庆市、綦江县专门成立了建设工程调查小组, 现场勘察和知情人士取证小组。此外还由重庆建筑大学等5家单位组成专家组。” ^[1]鉴于綦江虹桥事件轰动全国, 老百姓都十分关心虹桥案件的审理情况。中央电视台征得最高法院等单位的同意和支持, 曾进行过2次綦江虹桥案件审理实况直播, 并邀请知名专家进行点评, 认为重庆綦江虹桥垮塌与共振现象无关:“参与事故调查的专家组特地委托交通部重庆公路科研所, 运用目前国内外公认的美国Super SAP (9l) MARC动力计算软件进行计算复核后认定:武警战士列队在桥上跑步产生的动力效应远小于该桥的设计能力, 其动力作用不会引起虹桥共振。因此共振加快虹桥垮塌之说不攻自破。” ^[2]

笔者对“与共振现象无关”的结论持怀疑态度:桥梁的垮塌不可能与当时的振动情况无关;也不应将SAP (91) 直接用于钢管混凝土拱桥的力学分析。对此, 笔者查阅了Super SAP (91) MARC程序的使用说明, 以及ALGOR FEAS (Super SAP 91年版) 软件分析计算模块数据文件格式使用手册 (以下称“SAP 91使用手册”) 。

“SAP 91使用手册”在编译者的话里写道:“这里介绍的ALGOR FEAS (ALGOR finite element analysis system) 是一个在386/486微机上使用的综合性有限元软件包。该软件包反映了国际上90年代微型计算机图像处理和CAD等领域中的最新技术。” ^[3]关于结构分析的功能, 编译者写道:“它除了具有结构分析的静力、动力、线性、非线性等常用模块以外, 还包括了一些特殊功能的模块, 如板壳梁系统的屈曲分析, 复合材料薄板和厚板的静、动力分析, 随机振动响应分析, 频率响应分析, 间隙元分析等, 更重要的是它还包括了稳态和瞬态场的分析 (电流、温度场、渗流等) , 多刚体运动学、动力学与仿真分析, 不可压缩粘性流体的流动分析, 管道系统CAD等模块。” ^[3]

表1列的是从“SAP 91使用手册”总计给出的17种单元卡目录中选出与本文有关的9种单元卡目录如下:

表1 单元卡目录Table 1 List of element card

《图1》

图1为綦江虹桥侧面图。人们知道, 使用结构通用分析程序, 例如SAP (91) 程序最先输入计算机的数据是单元类型数据, 否则计算机又如何获知您所分析计算结构物的外形尺寸, 结构形式和建造结构物用的材料性质呢?如以图1所示的綦江虹桥为例, 显而易见, 从全桥离散出来的杆1至杆4可以按表1中的§4.1杆单元卡填写输入数据。而从全桥离散出来的板1至板5可以按表1中的§4.6板壳单元卡填写输入数据。然而从全桥离散出来的曲梁1至曲梁5又该使用何种单元呢?又该按哪一个单元卡填写输入数据呢?也许有人会说可以按表1中的§4.2梁单元卡填写输入数据。在“SAP 91使用手册”的第13页的§4.2三维梁单元标题下写着:“在三维空间中, 必须用三个节点才能描述梁单元, 第三个节点 (K节点) 用来对梁单元在三维空间中定向” ^[3] (见图2) 。从图2可见“SAP 91使用手册”中的§4.2梁单元是三维空间均质材料的直梁单元。如依§4.2梁单元卡填写输入数据, 其计算结果有如将图1中的点0和点1, 点1和点2……点4和点5联接起来, 那样计算的桥有如架在珠江上的折线桥, 而不是綦江虹桥那样的拱桥。此外“SAP 91使用手册”的第14页在“梁单元材料特性数据卡”填写说明中规定要填写单元使用材料的弹性模量EN、泊松比GN、质量密度RON、重量密度WGHTN、单元局部坐标轴1方向的热胀系数THERM (N, 1) 、单元局部坐标轴2方向的热胀系数THERM (N, 2) 、单元局部坐标轴3方向的热胀系数THERM (N, 3) 和无应力时参照温度TREF ^[3]。另外, 表1中列有§4.15复合材料薄板单元和§4.16复合材料厚板单元。薄板单元和厚板单元都是用于计算分析用不同材质做成的、呈层状布置的复合结构。§4.15和§4.16两种单元之间的差别仅仅是§4.15复合材料薄板单元设定“垂直于板面的线, 在变形后仍垂直于板面” ^[3], 即忽略剪切变形的影响。而§4.16复合材料厚板单元则设定“考虑剪切变形影响, 垂直于板面的直线, 在变形以后, 不再垂直于板面” ^[3]。

综上所述, “SAP 91使用手册”给出的17种单元都是单一材料构成的单元。任何使用2种材料做成的结构物在进行其计算分析时, 都应该仿照§4.15和§4.16那样计入2种不同材料交界处的应力和变形关系, 建立单元模型推导能代表复合材料单元的子刚度矩阵。因此上述专家调查组所说的“Super SAP (91) MARC动力计算软件”的单元库中, 原本就没有适用于计算綦江虹桥那种由钢管和混凝土2种建筑材料构成的复合结构、其外形又是曲线形的曲梁单元。使用一种单元库中并没有合用单元的计算软件又怎么能得出“重庆綦江虹桥垮塌与共振现象无关”的结论呢?这在学术上是很不严谨的, 在工程实践中是极其危险的。同理不难证明, 凡是在工程设计时使用SAP 91程序计算钢管混凝土拱桥节点受力的, 实际上都算错了, 因而人们通过那些用SAP 91计算的钢管混凝土拱桥时必须面临一定的人身安全风险。

《图2》

图1 綦江虹桥侧面图

Fig.1 Qi Jiang arch bridge side view

《图3》

图2 三维梁单元

Fig.2 3 D beam element

其实查证究竟SAP 91程序能不能用于计算钢管混凝土拱桥, 只要以SAP 91程序用户的名义给SAP 91程序的开发单位, 美国加利福尼亚州伯克利大学发个电子邮件一查便知。

《2 SAP 84程序不能用于綦江虹桥的设计》

2 SAP 84程序不能用于綦江虹桥的设计

前面论述了Super SAP (91) MARC动力计算软件单元库中没有曲梁单元;由北京大学力学系固体力学教研室、北京大学力学研究所弹塑性动力学研究室袁明武教授等编著的“微型机上的结构分析通用程序SAP 84 使用手册” ^[4]中含有曲梁单元 (下称“SAP 84使用手册”) 。

“SAP 84使用手册”的前言称:“SAP 81是美国伯克利大学土木工程系教授Edward L.Wilson多年来从事结构分析和有限元研究成果的结晶。它是在SAP 4的基础上结合微型计算机的特点由他本人精心编制的一套通用结构分析程序, 也是国际上最早可在微型机上使用的结构分析通用程序之一。我 (笔者注:指袁明武教授) 本人曾于1981年在加利福尼亚州伯克利大学进修期间参与了SAP 81的开发工作。1982年将当时的SAP 81 V.1.16带回国向中国的工程界推广。当时的SAP 81共有FORTRAN源程序7000条。经过4年来艰辛的劳动, 在工程界广大用户的协助下, 完成了SAP 81-CH, SAP 84 V.2.40及SAP 84 V.2.44等几个主要版本, 使得SAP 84成为一个受工程界广泛欢迎、能解决工程实际问题的结构分析通用程序。目前SAP 84 V.2.44共有FORTRAN 源程序约30 000条。” ^[4]

在“SAP 84使用手册”第88页还写着:“本程序中的曲梁单元是空间内的平面曲梁单元, 它的刚度矩阵是基于柔度法推导出来的精确的单元刚度矩阵公式求积分而得到的。在沿弧长积分时, 采用了5点高斯积分。因此, 它是一个高精度的单元。” ^[4]在“SAP 84使用手册”第91页又写着:“本程序中的曲梁单元是空间的等截面平面曲梁。它的几何形状可以是圆、抛物线、双曲线。程序都给出了很好的结果。对于一般的平面任意二次曲线, 则采用7点Lagrange插值, 结果也很令人满意” ^[4]。显而易见, 画在本文图1中的曲梁1至曲梁5其几何形状无论是圆, 抛物线、双曲线或是任意二次曲线使用袁明武等编制的SAP 84程序中的曲梁单元都肯定会得出令人满意的计算结果, 另外在“SAP 84使用手册”第88页还给出一个1/4圆弧, 半径R=10 cm, 截面为直径20 cm的圆形算例, 计算结果 (见表2) 表明, 用一个曲梁单元比用8个直梁单元近似所得到的结果还要好。

表2 曲梁与用直梁逼近曲梁结果的比较

Table 2 The result comparison of bend beam vs Approximate straight beam to bend beam

《表1》

	理论解	八段直梁近似	曲梁解
轴力/kg	-1 000	-995	-1 000
弯矩/kg·cm	-10 000	-10 001	-10 000

上述算例一方面证明SAP 84的曲梁单元可以用于计算从图1綦江虹桥离散出来的曲梁单元, 因为前述算例计算的是截面为直径20 cm的圆形, 而綦江钢管混凝土拱桥的拱肋其截面不正是圆形吗?此外上述算例也证明了不能用列在本文表1中§4.2梁单元计算綦江虹桥, 因为上述1/4圆弧算例曾使用8个直梁单元逼近曲梁单元, 其计算结果表明8个直梁单元的计算结果都没有曲梁单元的计算结果精确。那么将8个直梁单元简化成一个直梁单元, 无疑直梁和曲梁单元的计算结果定会差之千里。

尽管可以使用袁明武等开发编制的SAP 84程序的曲梁单元计算钢管混凝土拱桥的曲梁单元, 其计算结果也是精确的, 可信的。然而笔者为什么说:“SAP 84程序不能用于綦江虹桥的设计”呢?

下面先讲讲列在本文表1中SAP 91程序单元库中的那些单元为什么要在单元名称后面增加一个“卡”字呢?“SAP 91使用手册”第5页在第二部分线性结构分析和场分析数据文件格式的标题下写着:“这一部分给出了运用进行结构与场分析计算时应该输入的数据文件的填写格式。在数据文件中每一张卡代表文件中的一行, 每一张卡或卡片组是靠卡名、卡片所用的格式、变量名称、变量的含义以及注解来识别的。” ^[3]不言而喻, “卡”是用于输入数据的填写格式。计算机就是依照用户填写的输入数据进行计算分析的。最后将计算结果用一组输出文件提供给用户。然而从打印机打印出来的输出文件又是些什么内容呢?在“SAP 91使用手册”第13页§4.2三维梁单元标题下写着:“梁的每个端点上有3个互相垂直的力 (1个轴向力, 2个剪力) , 有3个互相垂直的力矩 (1个扭矩, 2个弯矩) 。最大正应力可以由轴向力和弯矩共同作用下形成。” ^[3]现以本文图2那根三维工字钢梁单元为例, 计算机按用户输入数据计算后打印机打印输出该三维工字钢梁单元I、J两端的1个轴向力、2个剪力、1个扭矩和2个弯矩, 每端总共打印6个输出数据。众所周知由于工字钢翼缘的宽窄、厚薄不同, 腹板的高低、厚薄不同更由于轧制工字钢的钢种不同, 因而不同型号工字钢抵抗弯矩、轴向力的能力也不同。要完成全部设计工作, 设计工程师必须按照工字钢I, J两端的1个轴向力、2个剪力、1个扭矩和2个弯矩进行验算, 决定哪一种型号的工字钢除了能满足由上述6个应力分量合成的最不利荷载算出的应力能符合规范的规定, 也就是说具有足够的安全储备, 设计工作才算最后完成。同理, 尽管可以用SAP 84程序计算綦江虹桥那些钢管混凝土曲梁单元, 计算机输出了1个轴向力、2个剪力、1个扭矩和2个弯矩, 然而在钢管混凝土拱桥的钢管外径尺寸、焊制钢管钢板的厚度、钢种、钢管的焊缝设计和管中混凝土的强度标号等确定之前, 钢管混凝土拱桥拱肋的设计并未完成。SAP 84程序除了可以算出曲梁单元每端的6个节点力以外其他拱肋的设计工作都做不了。因此这一节的标题才写成:“SAP 84程序不能用于綦江虹桥的设计。”

《3 违反力学基本原理的《火力发电厂主厂房钢-混凝土组合结构设计暂行规定 (DLGJ 99-91) 》》

3 违反力学基本原理的《火力发电厂主厂房钢-混凝土组合结构设计暂行规定 (DLGJ 99-91) 》

在“SAP 84使用手册”的前言中写道:“在继承了SAP 81的文件管理系统, 分块外存求解器, 三维框架, 平面单元, 多层子结构和高层建筑专用程序段等主要程序模块的基础上, 我们除改正了原程序 (笔者注:指袁明武教授从美国带回来的SAP 81 V.1.16程序) 中的若干错误外, 主要开发了……4.曲梁单元……10.按中国规范的配筋等20项功能。” ^[4]上述文字表明SAP 84程序不仅保留从美国带回来的SAP 81 V.1.16程序中的高层建筑专用程序段, 又开发了按中国规范配筋的程序段。这样SAP 84程序用于高层建筑设计就十分方便了。因为既可以用程序中的高层建筑专用程序段计算出高层建筑梁、柱、板等节点端部的应力, 又可以用按中国规范配筋的程序段进行配筋, 更可以用SAP 84的辅助程序段中§7.1画结构简图、§7.2画彩色结构图和§7.3画彩色振形图等辅助程序绘制图纸。

尽管可以用SAP 84的轴向拉压单元计算图1中吊杆的节点受力, 再用我国钢结构设计规范完成吊杆设计。用SAP 84的平面单元计算图1中桥面板的节点受力, 再用我国钢筋混凝土结构设计规范完成桥面板配筋设计。然而用SAP 84的曲梁单元算出曲梁端部的6个应力数值以后又如何完成曲梁的设计呢?总不能够用中国的钢筋混凝土结构设计规范来设计钢管混凝土拱桥那2根拱肋吧?

由于笔者对钢管混凝土拱桥安全方面的担心, 曾于2001年3月8日和4月30日2次致函交通部提出过笔者的意见。2001年4月18日在交通部寄给笔者的复函附件中写着:“我国现在有3个钢管混凝土规范, 它们是:

1989年由国家建材工业局苏州混凝土水泥制品研究院, 中国船舶总公司第九设计研究院颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程 (JCJ 01-89) 》;

1990年由中国工程建设标准化协会颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程 (CECS 28∶90) 》;

1991年由能源部电力规划设计总院颁布的《火力发电厂主厂房钢-混凝土组合结构设计暂行规定 (DLGJ 99-91) 》” (以下称DLGJ 99-91) 。

前已述及可以用SAP 84程序中的曲梁单元算出图1中曲梁1至曲梁5所有节点的轴向力、剪力、扭矩和弯矩。然后再依据前述3份钢管混凝土结构设计与施工规程完成钢管混凝土拱桥拱肋的设计。从逻辑上讲, 钢管混凝土拱桥的设计和用SAP 84程序中的高层建筑专用程序段与按中国规范配筋的程序段完成高层建筑设计同样是完美无缺了。然而事情果真如此吗?

正当笔者试图按照交通部复信中提供的信息查找3个钢管混凝土规范之际, 笔者从一位桥梁工程师处借到一本由张联燕、李泽生、程懋方编著的《钢管混凝土空间桁架组合梁式结构》 (下称《组合梁式结构》) ^[5]。文献[5]的主要内容是介绍两座钢管混凝土桥梁, 其一是南海市跨越潭州水道的紫洞大桥, 主桥为69 m+140 m+69 m的双塔三跨单索面斜拉桥;其二是湖北省秭归县向家坝大桥。向家坝大桥采用跨径组合为43.0 m+72.20 m+43.0 m的钢管混凝土全焊空间桁架等截面组合连续刚构。《组合梁式结构》一书对于前述交通部复信中提及的JCJ 01-89, CECS 28∶90和DLGJ 99-913份钢管混凝土规程有关设计使用的验算方法均有详细的引述。

文献[5]第111页:“钢管混凝土压弯杆件的强度验算分别按照DLGJ 99-91, JCJ 01-89及CECS 28∶903种规范的有关公式进行验算, 分述如下:

DLGJ 99-91第3.3.5.1条的验算公式是:

$\begin{array}{l} 当 Ν / A_{s c} \geq 0.2 f_{s c} 时 ‚ Ν / A_{s c} + Μ / 1.5 W_{s c} \leq f_{s c} (1) \\ 当 Ν / A_{s c} ＜ 0.2 f_{s c} 时 ‚ 0.7 Ν / A_{s c} + Μ / 1.4 W_{s c} \leq f_{s c} (2) \end{array}$ $\begin{array}{l} 当 Ν / A_{s c} \geq 0.2 f_{s c} 时 ‚ Ν / A_{s c} + Μ / 1.5 W_{s c} \leq f_{s c} (1) \\ 当 Ν / A_{s c} ＜ 0.2 f_{s c} 时 ‚ 0.7 Ν / A_{s c} + Μ / 1.4 W_{s c} \leq f_{s c} (2) \end{array}$

式中:N及M为杆端的最大轴向力及最大杆端弯矩;

A_sc:钢管混凝土截面积;A_sc=0.25πD², D为钢管外径;

W_sc:是钢管混凝土断面抵抗矩;W_sc=πD³/32, D为钢管外径 (笔者注:在机械设计手册中称“断面抵抗矩”为“抗弯断面模数”) 。

f_sc:钢管混凝土轴心受压组合强度设计值, 查表3取值;表3中的钢管混凝土轴心受压组合强度设计值f_sc (MPa) 是根据钢管钢材的种类、管中混凝土的强度等级以及钢管的净截面积除以钢管中混凝土的面积, 称为杆件断面含钢率α按内差法确定” ^[5]。

式 (1) 中的首项N/A_sc和式 (2) 中的首项0.7N/A_sc, 实际上是将在试验室做的钢管混凝土短柱试验搬到现场的钢管混凝土拱桥上去, 因而只要N/A_sc数值小于表3中的f_sc则工程肯定是安全的。如果说有问题的话那就是式 (2) 在轴向力N前面增加小于1的系数0.7。编制DLGJ 99-91暂行规定的工程师们如果怀疑用诸如SAP 84等结构分析通用程序计算的杆件节点轴向力偏大, 就应该将其弃之不用, 自己动手编写新的有限单元法程序求解自己认为靠得住的杆端轴向力, 而不该任意将轴向力打个折扣。打折之后轴向力小了, 自然钢管混凝土杆件截面可以小一点, 表面上是为业主、为国家节省点建设资金。人们知道, 有限单元法求解杆件受力时都是按照结构物的荷载进行的, 荷载中的活荷载主要是乘车或步行过桥人的荷载。将轴向力N缩小无异于将荷载的数值减小, 这就是人们通过钢管混凝土拱桥时必须面临的第二个人身安全风险。

表3 钢管混凝土轴心受压组合强度设计值f_sc

Table 3 Steel pipe-concrete axis press combined strength design value f_sc MPa

《表2》

钢材	混凝土		α=0.04		0.05		0.06		0.07		0.08		0.09		0.10		0.11
3号钢	C30 C40 C50		27.7 33.1 37.8		30.0 35.4 40.2		32.3 37.7 42.5		34.6 39.9 44.7		36.8 42.1 46.9		39.0 44.3 49.0		41.1 46.4 51.1		43.3 48.5 53.2
16Mn钢	C30 C40 C50		32.9 38.3 43.1		36.4 41.8 46.6		39.9 45.2 50.0		43.3 48.5 53.3		46.7 51.8 56.5		50.0 55.0 59.6		53.2 58.2 62.7		56.3 61.2 65.3
15MnV钢	C30 C40 C50		34.6 40.0 44.8		38.5 43.8 48.6		42.4 47.6 52.3		46.1 51.3 55.9		49.8 54.9 59.5		53.4 58.4 63.0		57.0 61.9 66.4		60.4 65.2 69.7
钢材	混凝土	α=0.12		0.13		0.14		0.15		0.16		0.17		0.18		0.19		0.20
3号钢	C30 C40 C50	45.4 50.5 55.2		47.5 52.5 57.2		49.5 54.5 59.1		51.5 58.5 61.0		53.5 58.4 62.9		55.5 60.3 64.8		57.4 62.2 66.6		59.3 64.0 68.4		61.2 65.8 70.1
16Mn钢	C30 C40 C50	59.4 64.2 68.9		62.4 67.1 71.6		65.4 70.0 74.3		68.3 72.8 77.0		71.2 75.5 79.6		74.0 78.1 82.1		76.7 80.6 84.6		79.4 83.1 87.0		82.0 85.5 89.3
15MnV钢	C30 C40 C50	63.8 68.5 72.9		67.1 71.6 75.9		70.4 74.7 78.9		73.6 77.7 81.8		76.7 80.7 81.7		79.7 83.5 87.4		82.6 86.3 90.1		85.5 88.9 92.6		88.3 91.5 95.1

注:中间值可采用插入法求得

式 (1) 中的第二项M/1.5W_sc和式 (2) 中第二项M/1.4W_sc也有问题。举例来说, 钢管外径为700 mm的断面抵抗矩W_sc=0.0337 m³, 将其乘以1.5的系数W_sc是0.050 55 m³, 不难计算W_sc等于0.050 55 m³的钢管外径应该是802 mm。将W_sc扩大1.5倍其结果无异于设计工程师在设计钢管混凝土拱桥时是按钢管外径为802 mm计算的, 而施工时施工工人实际使用的钢管外径仅为700 mm。施工用的钢管外径比设计的钢管外径小了102 mm。这就是人们通过钢管混凝土拱桥时必须面临的第三个人身安全风险。值得引起人们和有关单位注意的是, 用直径粗的钢管设计, 用直径细的钢管施工明明是一种偷工减料行为, 却居然写进了“设计规程”。

撇开式 (1) 、式 (2) 中会导致结构物偏于不安全一侧所有的系数, 则式 (1) 、式 (2) 可写为:

$Ν / A_{s c} + Μ / W_{s c} \leq f_{s c} (3)$ $Ν / A_{s c} + Μ / W_{s c} \leq f_{s c} (3)$

表面上看由轴向力N引起的压应力加上由弯矩引起的压应力, 只要数值上小于表3经试验测定的钢管混凝土轴心受压组合强度设计值f_sc, 结构物肯定是安全的。然而实际工程中并非完全如此。

“国内建筑部门对钢管混凝土结构已进行大量系统的试验研究工作, 并已制定了相应的设计与施工规范。而公路部门尽管已修建了许多以钢管混凝土为承重结构的公路桥梁 (主要是拱桥) , 但其设计理论研究刚起步, 缺乏与之相适应的设计与施工规范。特别是材料的物理力学指标的取值及构件强度及稳定的计算, 目前只能参照建筑部门已有的规范执行, 严重滞后于工程实践。现针对主桥 (笔者注:指南海紫洞大桥) 采用的材料进行杆件极限承载能力及组合弹性模量试验, 为主桥的设计与施工提供基本依据。试验用钢管采用16Mn无缝钢管, 直径为140 mm及ϕ299 mm, 壁厚10 mm及12 mm;核心混凝土强度等级为C50;水灰比0.44, 坍落度4～6 cm, 用插入式振捣器在钢管内振捣成型, 封闭自养28天, 试件长径比为3.0” ^[5]。关于杆件极限承载能力的试验结果, 文献[5]认为“两种钢管混凝土短柱在达到极限荷载之后, 承载力虽然已丧失, 但柱身未见裂纹, 钢管内混凝土保持完整, 混凝土已由脆性材料转为塑性材料、构件具有良好的变形能力。此结论与其他部门已有的试验结果相同。”

从前述引文得知, 钢管混凝土短柱试验仅仅是针对式 (3) 首项N/A_sc作的。因而写在式 (3) 中的第二项M/W_sc实际上成了没有任何试验支持的, 是工程师们主观杜撰出来的计算式。这就是人们通过钢管混凝土拱桥时必须面临的第四个人身安全风险。

也许有人会说用M/W_sc计算弯矩作用下引起构件应力的计算办法不是早就写在结构力学的书籍之中, 难道还需要试验吗?诚然用M/W_sc的计算方法早已有之, 是经过历史和工程实践检验的正确计算方法。但值得注意的是, 在本文式 (1) 、式 (2) 的注释中写着:“W_sc:钢管混凝土断面抵抗矩;W_sc=πD³/32, D为钢管外径。我国几千万条承受弯矩作用的汽车车轴可以用W_sc=πD³/32计算且万无一失, 几百万根承受弯矩作用的火车车轴也可以用W_sc=πD³/32计算, 实践证明可以保证乘客和货物运输的安全;然而那几百根钢管混凝土构件也用W_sc=πD³/32计算却大错特错了。问题是究竟错在那里呢?

图3是复印自“SAP 91使用手册” ^[3]第17页的梁单元应力图。图3的上半部份画的是用式 (3) 中首项N/A_sc计算在梁端部引起的应力图, 由轴向力引起的应力是匀布的, 任何一点的压强都是相同的;下半部份画的是式 (3) 中第二项M/W_sc在梁端引起的应力图, 按M/W_sc计算得到的应力图不再是匀布的, 而是在梁端出现两个最大值均等于M/W_sc, 然后逐渐减小, 愈靠近中心应力愈小, 在图形中点处应力为零的两个三角形, 其中一个三角形为压力, 在其对面的那一个三角形则为拉力, 这样才能形成力偶去平衡以弯矩形式出现的外力。由于钢铁是一种拉、压同性的材料, 因而无论用钢铁做的火车车轴, 还是汽车车轴, 它们都能够承受同时出现在车轴同一截面上的拉力和压力, 因而才能保证车辆运行安全。

《图4》

图3 梁单元应力图

Fig.3 Stress diagram of beam elemeint

文献[6]第28页表5:混凝土极限强度50 MPa的C50混凝土轴心受压强度, 只允许用到23 MPa, 弯曲受压强度只允许用到28 MPa, 而受拉强度仅为1.4 MPa。表明混凝土是一种承受拉力、压力时强度相差几十倍的拉压不同性的材料。人们知道使用宽度为b、高度为h的拉、压同性材料建造船舰、飞机, 甚至是航天器中的梁, 设计工程师都按通过h/2处的断面抵抗矩W为bh²/6作设计。可是土木工程师在设计钢筋混凝土矩形截面梁时, 却不能用bh²/6, 而是按照混凝土只能承受压力, 所有拉力全部由受拉钢筋承担的方法设计矩形截面的钢筋混凝土梁。图4是钢管混凝土构件的断面图, 假设图4上半圆受压力, 下半圆受拉力, 由于灌在钢管中的混凝土dgf不能承受拉力, 按照钢筋混凝土结构学的原理为寻求由拉力形成的弯矩与由压力形成弯矩的平衡, 此时应力为零的中性轴0～0离开圆心移向受压区。前面说的钢管混凝土断面抵抗矩W_sc=πD³/32是依据中性轴通过圆心处推导的, 因而DLGJ 99-91第3.3.5.1条规定用式 (1) 、式 (2) 进行钢管混凝土压弯杆件强度验算是十分错误的。这就是人们通过钢管混凝土拱桥时必须面临的第五个人身安全风险。之所以发生上述错误是编写“DLGJ 99-91规程”的工程师们在制定式 (1) 、式 (2) 时没有做钢管混凝土构件的抗弯曲试验。

《图5》

图4 钢管混凝土构件断面图

Fig.4 Steel pipe-concrete component cross section

DLGJ 99-91规定钢管混凝土压弯杆件强度验算用W_sc=πD³/32, 意味着被验算的结构物应该用拉、压同性的材料制造。显然钢管的钢材是拉、压同性材料。如果灌在钢管中的是铜、铁、锡、铝、铅甚至是塑料都属于拉、压同性的材料, 在上面提到的6种材料中以铁的单价最低。如果钢管里面灌的是铁, 那又何须先焊根钢管再向里面倒铁水呢, 何必不直接用圆钢作成拱肋, 那样不是更省事吗?依此逻辑不难推证, 如果要建筑物的材料提供W_sc=πD³/32的受力物理状态, 那么架设在綦江上的本应该是两根圆钢作的拱肋。用一根薄壁 (使用厚钢板人们就不可能弯制并焊接成沿前进方向呈拱形, 断面呈圆形的拱肋) 钢管, 里面灌上混凝土代替圆钢作成拱肋, 原本是一件十分明显的偷工减料行为, 这就是人们通过钢管混凝土拱桥时必须面临的第六个也是最危险的人身安全风险。值得提醒人们注意的是任何工程计算都不仅仅是数学运算, 工程计算的计算式实际上是用来描述建筑物客观存在的某种物理现象。钢管混凝土不能提拱W_sc=πD³/32的物理状态, 因而本文这一节的标题才写成:“违反力学基本原理的《火力发电厂主厂房钢—混凝土组合结构设计暂行规定 (DLGJ 99-91) 》”。其实, 綦江虹桥上的40死、14伤就是上述偷工减料行为的受害者。

《4 最不利受力情况验算》

4 最不利受力情况验算

前已述及, 使用SAP 91程序计算的结果, 给出梁每个端点处的1个轴向力和2个弯矩, 依此可以计算梁端的最大应力。据此在“SAP 91使用手册” ^[3]第15页第15行的梁单元截面性质数据卡标题下写着:

$R_{1} / A_{1} \pm Μ_{2} / Ζ_{2} \pm Μ_{3} / Ζ_{3} (最不利情况)$ $R_{1} / A_{1} \pm Μ_{2} / Ζ_{2} \pm Μ_{3} / Ζ_{3} (最不利情况)$

式 (4) 中的R₁即本文式 (1) 、式 (2) 中的杆端最大轴向力N;式中的A₁即本文式 (1) 、式 (2) 中的钢管混凝土截面积A_sc=0.25πD²;式中的M₂即本文式 (1) 、式 (2) 中的出现在垂直于图1綦江江面方向杆端弯矩M;式中的Z₂即本文式 (1) 、式 (2) 中的钢管混凝土断面抵抗矩W_sc, 但其数值不是πD³/32;式中的M₃是垂直于图1纸面方向的弯矩;式中的Z₃是杆件垂直于图1纸面方向被验算构件的断面抵抗矩。比较式 (1) 、式 (2) 和式 (4) 不难发现, DLGJ 99-91规定的钢管混凝土结构强度验算与按“SAP 91使用手册”里最不利情况的计算办法相比, 按式 (1) 、式 (2) 的验算遗漏了一M₂/Z₂和±M₃/Z₃两项。上述遗漏显然对确保被验算结构物使用安全极为不利, 因而这是人们通过钢管混凝土拱桥时必须面临的第七个人身安全风险。使笔者百思不解的是, 编写DLGJ 99-91规程的工程师们丢弃-M₂/Z₂和±M₃/Z₃两项的依据是什么呢?

鉴于目前我国步兵操典中并未列入严禁部队官兵列队跑步过桥或整步过桥的条文, 否则1999年1月4日那22名武警战士跑到綦江虹桥桥头时带队人员就会下达部队改为散步行进的口令, 或可就不会出现綦江虹桥惨案了。既然客观上存在人员跑步过桥或整步过桥的可能, 那么设计工程师在计算式 (4) 中的M₂时就应该计算包括由于人员跑步或整步过桥时额外产生的弯矩。同理, 设计工程师在计算式 (4) 中的M₃时也应该计算在建桥地区出现国家明令设防地震烈度地震时产生的弯矩。

“2001年11月7日, 四川省宜宾市南门大桥发生垮塌事故后, 四川省有关部门决定对全省1.5万座桥梁进行安全检查。据了解这次检查的重点是斜拉桥、悬索桥、系杆拱桥、肋拱桥等类桥梁以及其他轻型桥梁结构进行安全评价” ^[7]。笔者认为我国有关单位是否应该比照四川省交通厅的做法, 对自己管辖范围内的钢管混凝土拱桥要求该桥的原设计工程师补做一些设计检查呢?检查内容是否应该包括:去掉式 (2) 中轴向力N前面的0.7, 式 (1) 、式 (2) 中钢管混凝土断面抵抗矩W_sc前面的1.4和1.5, 再加上式 (4) 的第三项M₃/Z₃, 看看计算结果有没有超过钢管混凝土轴心受压组合强度设计值f_sc?然后再算算DLGJ 99-91遗漏了的由R₁/A₁—M₂/Z₂—M₃/Z₃两项引起钢管壁的最大应力有没有超过焊制钢管的极限应力呢?需要说明的是, 无论是Z₂还是Z₃都不能用πD³/32。做过上述检查之后再对那些桥梁结构进行安全评价, 就比仅仅做外观检查更有科学依据, 也才会发现那些钢管混凝土拱桥不安全问题的严重程度了。

《5 学术上极不严谨的三种稳定验算方法》

5 学术上极不严谨的三种稳定验算方法

文献[5]对钢管混凝土压弯杆件除了要求应按DLGJ 99-91第3.3.5.1条验算公式 (即本文的式 (1) 、式 (2) ) 进行强度验算外, 还要求:“应按DLGJ 99-91第3.3.5.2条的规定进行验算。”

DLGJ 99-91第3.3.5.2条的验算公式是:

$\begin{array}{l} 当 Ν / ϕ A_{s c} \geq 0.2 f_{s c} 时 ‚ \\ Ν / ϕ A_{s c} + β_{m} Μ / 1.5 W_{s c} (1 - 0.4 Ν / Ν_{E}) \leq f_{s c} (5) \\ 当 Ν / ϕ A_{s c} ＜ 0.2 f_{s c} 时 ‚ \\ 0.7 Ν / ϕ A_{s c} + β_{m} Μ / 1.4 W_{s c} (1 - 0.4 Ν / Ν_{E}) \leq f_{s c} (6) \end{array}$ $\begin{array}{l} 当 Ν / ϕ A_{s c} \geq 0.2 f_{s c} 时 ‚ \\ Ν / ϕ A_{s c} + β_{m} Μ / 1.5 W_{s c} (1 - 0.4 Ν / Ν_{E}) \leq f_{s c} (5) \\ 当 Ν / ϕ A_{s c} ＜ 0.2 f_{s c} 时 ‚ \\ 0.7 Ν / ϕ A_{s c} + β_{m} Μ / 1.4 W_{s c} (1 - 0.4 Ν / Ν_{E}) \leq f_{s c} (6) \end{array}$

式中:ϕ是轴心受压稳定系数, 由表4-5 (从略) 查得, 表中λ是杆件长细比, λ=4L/D, L是杆件的计算长度, D是钢管外径;

β_m为等效弯矩系数, 按《钢结构设计规范》 (GBJ17-88) 的规定取值;

N_E为欧拉临界力, N_E=π²E_scA_sc/λ², E_sc是钢管混凝土组合弹性模量, 由表3-1 (从略) 取值。

同时, 文献[5]又沿用JCJ 01-89的验算公式:

$Ν_{e} \leq γ φ_{e} (A_{s} f_{s} + Κ_{1} A_{c} f_{c}) (7)$ $Ν_{e} \leq γ φ_{e} (A_{s} f_{s} + Κ_{1} A_{c} f_{c}) (7)$

式中:N_e—杆件平均分摊计入接轨系数及空间扩大系数的最大轴向力;

γ—是φ_e的修正值, γ=1.124-2t/D-0.0003f_s, t是钢管壁厚, D是钢管外径;

φ_e—钢管混凝土偏心受压杆件设计承载力折减系数, 按表4-6 (从略) 取值, 表中e₀是杆件初始偏心矩, e₀=M/N_e, M为最大杆端弯矩;

式 (7) 的其他符号解释从略。

文献[5]也沿用CECS 28∶90的验算公式:

$Ν \leq Ν_{u} (8)$ $Ν \leq Ν_{u} (8)$

式中:N_u—是钢管混凝土杆件的承载力设计值;N_u=φ₁φ_eN₀;

N₀—钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值;N₀=f_cA_c (1+Θ^0.5+Θ) , Θ是钢管混凝土套箍指标, Θ=f_cA_s/f_cA_c;

φ₁—是考虑杆件长细比影响的承载力折减系数。

我国某高速公路一座预应力跨线桥, 承包商施工时用竹杆架立支撑跨线桥的模板。模板尺寸、钢筋尺寸和间距以及预应力锚索预留孔尺寸和位置, 经工地工程师检查合格之后批准承包商灌筑混凝土。混凝土灌筑完成后跨线桥模板出现明显的弯曲变形, 不仅使跨线桥的断面尺寸发生变形, 且预应力锚索预留孔的位置也发生了变化。模板产生变形的原因是, 原本直立支撑模板用的竹杆在数千千牛混凝土重力作用下被压弯。工程界对任何承受拉力的杆件只要进行强度验算, 证明该杆件在外力作用下不仅不会被拉断, 而且具有符合相应设计规范规定的安全储备就可以了, 无需进行其他验算。但是任何承受压力的杆件如果只做本文式 (1) 、式 (2) 那样的强度验算, 证明在外力作用下该杆件不会被压断且具有符合设计规范规定的安全储备也是不充分的。因为承受压力的杆件在外力作用下虽然不会被压断, 但是却可能像上述支撑跨线桥模板的竹杆那样被压弯。工程界计算在压力作用下杆件会不会被压弯的验算称之为:“稳定验算”。上述竹杆受压弯曲现象称之为“丧失稳定”。受压杆件稳定计算的奠基人欧拉发现, 受压杆件弯曲及丧失稳定与杆件的长细比有关。在本文式 (5) 、式 (6) 和式 (8) 的符号解释中都提到了“杆件长细比”。因而笔者判定式 (5) 、式 (6) 和式 (8) 均属欧拉提出的受压杆件稳定验算。式 (7) 的符号说明中虽未见杆件长细比字样, 然而式 (7) 也不像式 (1) 、式 (2) 那样明显地属于受压杆件的强度验算, 故将其列入受压杆件的稳定验算之中。

值得注意的是, 欧拉当初提出受压杆件稳定验算是针对初始状态是笔直的杆件, 他制定的杆件长细比为λ=4L/D。而对钢管混凝土拱桥来说, 从本文图1中画着的曲梁1至曲梁5其起始状态都是弯曲的。那么在稳定验算中的杆件长度L是用曲线长度呢还是用直线长度?此外曲梁的屈度可能是圆, 是抛物线, 是双曲线或是平面内任意二次曲线。上述所有线形都不符合欧拉公式描述的杆件初始状态为直线的条件。因而将欧拉的稳定验算办法用来验算曲梁, 在学术上是极不严谨的, 用式 (5) 至式 (8) 进行受压杆件稳定验算过的钢管混凝土拱桥并不能确保那些曲梁单元不会丧失稳定。尤其是图1中所有的曲梁单元除了在背离綦江江面方向屈度增大丧失稳定以外, 还可能出现垂直于图1纸面方向的弯曲。还尤应注意的是, 在垂直于纸面方向的拱肋稳定验算时, 杆件的计算长度L用什么呢?所以说虽然经稳定验算过的钢管混凝土拱桥仍然具有由于拱肋丧失稳定导致桥毁人亡的可能性, 这就是人们通过钢管混凝土拱桥时必须面临的第八个人身安全风险。

值得指出的是, 由国家建材工业局苏州混凝土水泥制品研究院、中国船舶总公司第九设计研究院颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程 (JCJ 01-89) 》和由中国工程建设标准化协会颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程 (CECS 28∶90) 》, 以及由能源部电力规划设计总院颁布的《火力发电厂主厂房钢—混凝土组合结构设计暂行规定 (DLGJ 99-91) 》, 有关钢管混凝土结构设计与施工规程原本都是针对笔直杆件制定的, 并不能用于曲梁单元。笔者指的学术上极不严谨的问题, 是指将JCJ 01-89, CECS 28∶90和DLGJ 99-91引用于钢管混凝土拱桥设计出现的问题, 并非上述3个“规程”本身存在的问题。

《6 应该由设计者承担责任的错误》

6 应该由设计者承担责任的错误

笔者曾和一位桥梁研究室主任谈过钢管混凝土拱桥的问题, 并请他设法借阅一份那种桥型的设计计算单。据他说, 桥梁的设计计算单, 国内所有单位几十年来都作为秘密件不外借。

关于佛陈大桥, 文献[8]报道说:“佛陈大桥位于佛山市与顺德市交界处, 跨越北江支流东平河, 1994年4月建成通车。大桥全长849.84 m, 主桥为跨径112.8 m, 桥宽26 m的下承式钢管混凝土刚构系杆拱桥, 钢管混凝土拱肋矢跨比1/5。”……该桥经5年多运营后发现, 主桥结构出现多种病害, 并危及桥梁的安全。主桥缺陷包括:水平系杆预应力索锈蚀严重并有部份钢绞线整根断裂;拱肋钢管内混凝土填充不实并伴有孔隙, 拱肋及横撑钢管表面锈蚀;拱肋两端 (拱脚) 钢管应力超过规范容许值;主桥立柱局部范围混凝土应力接近容许值。为此, 佛山市交通发展总公司决定对佛陈大桥进行全面加固。” ^[8]

图5是《佛陈大桥》一文中给出的拱肋加固前断面图和拱肋加固后断面图。从图5可见, 佛陈大桥钢管混凝土拱肋的断面原本是作成哑铃形的。佛陈大桥拱肋的加固办法是:“先在全桥4处拱趾17 m长的范围增加一圈钢套管, 然后灌注50号微涨混凝土并压浆填充” ^[8], 即先将4处拱趾17 m长的范围内原哑铃形拱肋铃球的两边各加焊一块钢板, 使加固前的哑铃形拱肋变成圆端矩形拱肋, 然后向新增钢板围起来的空间内灌注50号微胀混凝土并压浆填充。

《图6》

图5 佛陈大桥拱肋断面图

Fig.5 Fochen Bridge arch rib cross section

佛陈大桥加固前的拱肋理应按上文所引的式 (1) 、式 (2) 进行强度验算。然而断面呈哑铃形的拱肋又怎么按πD³/32计算呢?钢管外径D又该用什么数值呢?也许有人会说那一定是佛陈大桥的设计工程师自己推算了W_sc的计算办法。图4是计算钢管混凝土中性轴位置的示意图。从图中可知计算受拉一侧弯矩时要计算圆弧形ahcfgd的面积乘以钢管钢材的屈服强度再乘以圆弧形ahcfgd形心位置到0-0轴的距离。但据笔者所知, 眼下还没有人推导出圆弧形ahcfgd的形心位置。因而钢管混凝土构件承受弯矩后其中性轴位置应该是个无解之题。既然中性轴位置都算不出来, 又如何能计算钢管混凝土的断面抵抗矩W_sc然后带入式 (1) 、式 (2) 进行强度验算呢?那么简单的圆弧形ahcfgd形心位置, 都没有办法计算, 比圆弧形复杂得多的大半个哑铃形的形心位置又有谁能算得出来呢?

佛陈大桥拱肋的加固结果是将4处拱趾由加固前的哑铃形改成圆端矩形。那么圆端矩形的中性轴位置又该怎么计算呢?如果没有办法计算, 表面上看佛陈大桥是花钱加固了, 然而加固后的佛陈大桥安全度够吗?真的不会发生危及行人生命安全的危险了吗?

把DLGJ 99-91规程中原本用于圆形截面钢管混凝土构件的部份移用于佛陈大桥的哑铃形, 加固时又改成圆端矩形, 其存在的技术错误责任, 只有由佛陈大桥的原设计工程师和加固设计的工程师承担了。

因而, 像佛陈大桥乃至与之相同的那些哑铃形拱肋、圆端矩形拱肋以及蚌壳形等等非圆形拱肋做成的钢管混凝土拱桥, 究竟有没有设计规范可依?我们国家有关法律、法规允许不允许将没有设计规范可依的桥梁和其他建筑物投入使用?笔者认为该认真查一查, 因为这也是个与行人生命安全有关的问题。

《7 严禁集体跑步过桥或整步过桥》

7 严禁集体跑步过桥或整步过桥

交通部写给笔者的一封复信附件 (以下称“复函”) 中写道:“关于人群整步过桥这一直是国内外所不允许的。即使部队过桥, 也必须散步, 严禁在统一口令下跑步过桥。否则对于轻型桥梁, 有可能出现共振破坏, 即桥梁自振基频与跑步频率相同, 发生共振, 导致应力、振幅过大而垮桥。”

令人遗憾的是, 上述“严禁”在部队中并未执行, 否则1999年1月4日18时50分那22名武警战士就不会跑步通过綦江虹桥。因此, 严禁集体跑步或整步过桥的科学知识, 应当给予足够的普及和重视。

“复函”指的“否则对于轻型桥梁, 有可能出现共振破坏。”从图4可见式 (1) 、式 (2) 强度验算使用的W_sc=πD³/32, 那是圆形截面断面抵抗矩W_sc中数值最大的一个。显而易见, 一旦中性轴0-0离开圆心处, 由于受压面积减小W_sc (如果能算的话) 亦应减小;再加上在式 (1) 、式 (2) 中将轴向力N缩至0.7, 又将W_sc扩大1.4～1.5倍, 因而把轴向力N往小处算, 将断面抵抗矩W_sc往大处使, 依此设计的钢管混凝土拱桥能不是轻型桥梁吗?这也是綦江虹桥垮塌的原因之一。

“复函”中指出的:“有可能出现共振破坏, 即桥梁自振基频与跑步频率相同, 发生共振, 导致应力、振幅过大而垮桥。”上述桥梁自振基频与跑步频率相同, 会发生共振并将振幅放大, 振幅放大的后果是使梁体弯矩增大。再看图1中的N-N剖面图, 一旦那座跨度120 m的綦江虹桥像人们上船走过跳板那样上下振动起来出现较大的弯矩弯折拱肋时, 能拉住大桥使它不垮, 靠薄薄的钢管壁, 还是靠钢管中的混凝土?这就是抵抗弯矩能力极低的綦江虹桥在2 min以内彻底垮塌的道理。值得人们忧虑的是, 在綦江虹桥出现过的物理现象不会在其他钢管混凝土拱桥上重现的依据是什么呢?

《8 转变设计思想, 建造不会垮塌的工程》

8 转变设计思想, 建造不会垮塌的工程

就以武汉长江大桥为例讲讲这个问题。武汉长江大桥是按最不利荷载设计的。大桥设计荷载包括水流荷载、风载、火车荷载、公路汽车荷载和行人荷载。先说水流荷载, 从武汉长江大桥通车至今武汉段长江洪水到达或超过设计水位的时间总计又能有几十天呢?再说风载, 从通车至今武汉长江大桥遇到设计风载那样强风的时间累计又有几周呢?火车荷载是按铁路规范中-22级荷载设计的, 实际通过大桥的列车能真正符合中-22级荷载的两列重车在桥上交汇的机率又有多大呢?公路荷载那可是按大桥所有车道上一辆接着一辆布满满载的黄河牌JN150或日野KB211计算的。即使偶尔大桥的所有车道都布满车辆, 由于堵在桥上的车辆中一定有大量的小车、空车, 并非全是黄河牌JN150和日野KB211的重车, 因而实际的公路荷载肯定比大桥的公路设计荷载小。至于行人荷载那是在武汉长江大桥所有人行道, 包括只有养路工走的铁路桥人行道都是按3000 N/m²即相当于有5人/m²站在那里设计的。上述公路和行人荷载几十年来肯定从未出现过, 可以说武汉长江大桥从来都没出现过设计工程师设计时用的那种水流荷载、风载、火车荷载、公路和行人荷载的最不利组合。

再说建造武汉长江大桥使用的钢材和混凝土。文献[6]可知, 强度为50 MPa的C50混凝土, 设计时用的最大压应力是28 MPa, 只及极限强度的56%, 混凝土中出现拉力的地方, 设计只准用到1.4 MPa;武汉长江大桥用的钢材包括建造钢梁的型钢和浇筑在混凝土里面的钢筋。我国钢结构和钢筋混凝土结构设计规范都规定允许设计应力都只及钢材屈服极限的60%左右, 如以钢材断裂强度计算, 允许设计应力连钢材断裂强度的一半都不到。笼统的讲既使武汉长江大桥偶尔出现一次前述那些最不利荷载组合时, 大桥中的任何钢铁和混凝土离着破坏还有大约40%的富裕能力。因而人们尽管买张卧铺票即使列车正运行在桥上碰巧发生国家明令设防地震裂度的地震时, 也可高枕无忧地通过大桥, 说明土建工程的安全度实际上是很高的。那些带有人员伤亡垮塌了的工程肯定在设计上存在重大错误, 否则建筑物决不会垮塌。在监理工程师正常监督下施工的施工工人惹不了那么大的祸。因而本文的标题才命名为应该认真查找“豆腐渣”工程设计上存在的错误。

诚然, 武汉长江大桥其外观看起来有些平淡、呆板, 然而它却在确保行人人身安全的条件下工作了半个世纪。按现有的大桥养护维修办法执行, 除了大桥的公路路面以外, 该桥再用半个世纪也决无问题。那座綦江县标志性工程的綦江虹桥看起来尽管美观, 然而从1996年2月15日投入使用至1999年1月4日彻底垮塌, 其存世之日不足3年还搭上40条人命、14位伤员、15名罪犯和1000万元建造新桥的费用。我国的建筑界从建国之初就能建造安全度很高的武汉长江大桥;但“发展”、“进步”到眼下带有人员伤亡的“豆腐渣”工程却时有所闻。看来吴良镛院士对我国建筑界现存思潮的评论, 即“全然抛却建筑适用、经济等基本原则, 追求前所未有的形式, 所谓新、奇就是一切” ^[9], 值得国人认真思考。

笔者期望我国的建筑界能尽快从迷失中走出来, 克服科技工作中急于求成的浮燥心态, 转变设计思想, 遵循安全、耐用、适用的建筑设计原则, 设计建造使所有建筑物都具有如同武汉长江大桥具有的安全度在百年之内决不会垮塌的工程。

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