2019年10月1日臺灣宜蘭大橋倒塌事故有限元模擬

聲明

本研究是重慶大學(xué)徐梁晉博士及清華大學(xué)研究生金鑫磊、顧棟煉、廖文杰、趙鵬舉等基于公開獲取信息開展的模擬。由于本橋倒塌事故原因正在調(diào)查中，現(xiàn)在尚不足以給出確定性的結(jié)論。本文分析結(jié)果是同學(xué)們在假期加班開展的探索性研究，主要目的是介紹計(jì)算機(jī)模擬在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并鍛煉有限元分析的技能。本分析僅供科研使用，具體事故原因應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況由專業(yè)人員確定。

事故簡介

2019年10月1日上午9時30分左右，臺灣宜蘭南方澳跨港大橋發(fā)生斷裂崩塌，橋上正行駛的油罐車連同橋面從約18米的高空摔落，停在橋梁下的3艘漁船當(dāng)場遭壓沉，已致10人受傷，5人失蹤。在為這一事故深表痛惜的同時，重慶大學(xué)徐梁晉博士及清華大學(xué)研究生金鑫磊、顧棟煉、廖文杰、趙鵬舉等采用有限元軟件重現(xiàn)了南方澳跨港大橋的倒塌過程，為事故原因的探討提供了一些參考。

橋梁實(shí)際倒塌過程

橋梁實(shí)際倒塌過程

該橋?qū)儆阡摴皹?，橋長140米，橋?qū)?5米，采用耐候性高強(qiáng)度低合金鋼，共用1535噸鋼板，于1998年6月20日建造完成，橋齡僅21年。從視頻中可以看出，橋跨右側(cè)第六根吊桿率先失效，緊接著，吊桿一根根失效，橋梁垮塌。

數(shù)值模擬

根據(jù)此前橋梁倒塌模擬經(jīng)驗(yàn)（參考資料1：有限元+虛擬現(xiàn)實(shí)=橋梁倒塌的過程反演分析與場景再現(xiàn)，參考資料2：6月14日河源東江大橋垮塌事故有限元模擬及分析），采用通用有限元軟件MSC.Marc建立了該橋的三維有限元模型，以模擬此次倒塌事故，如下圖所示。

有限元模型

破壞過程對比

角度1：有限元數(shù)值模擬

角度1：實(shí)際破壞過程

角度2：有限元數(shù)值模擬

角度2：實(shí)際破壞過程

事故原因淺析

此次事故中，右數(shù)第6根吊桿在靠近拱肋處首先發(fā)生斷裂。該吊桿失效后，其他吊桿的內(nèi)力進(jìn)行了重分布。其他吊桿由于內(nèi)力突然增大，超出其承載能力，故由跨中向兩側(cè)依次發(fā)生破壞。吊桿失效瞬間，釋放了對拱肋向下的拉力，使得拱肋向上回彈，拱腳向跨中回縮。吊桿失效后，主梁失去吊桿的彈性支承，撓度顯著增大。主梁發(fā)生的彎曲大變形使得梁端向跨中回縮，進(jìn)一步加劇了拱肋向跨中的回縮。當(dāng)主梁變形達(dá)到一定程度，即在跨中斷裂，使得拱肋和主梁從支座上滑落，整體坍塌。而拱肋的薄弱位置（雙叉拱肋節(jié)點(diǎn)）也在落梁過程中發(fā)生破壞。