結構工程師解釋巴爾的摩大橋坍塌的原因

一艘大型集裝箱船“完全移除了”巴爾的摩弗朗西斯·斯科特·基大橋的關鍵橋墩

Aerial view of container ship stranded under collapsed bridge after collision

塔索斯·卡託波迪斯/蓋蒂圖片社

週二凌晨 1:30 前,一艘巨大的集裝箱船駛離馬里蘭州的巴爾的摩海倫·德利奇·本特利港時,撞上了一座支撐弗朗西斯·斯科特·基大橋的橋墩。不到一分鐘,這座 1.6 英里長的桁架橋的中間部分墜入冰冷的河水中。巴爾的摩市消防局局長詹姆斯·華萊士在最近的新聞釋出會上表示,沒有任何跡象表明這次撞擊是故意的。這艘懸掛新加坡國旗的貨船似乎在駛出港口航道時失去了動力——也因此失去了船員的控制。據美聯社報道,馬里蘭州州長韋斯·摩爾宣佈進入緊急狀態,他說,這艘名為“達利”號的船隻的船員發出了求救訊號,有足夠的時間在災難發生前阻止橋上的交通。

船上沒有船員受傷,但當大橋斷裂並墜落時,有八名建築工人在橋上。馬里蘭州交通部長保羅·維德費爾德表示,據 CNN 報道,其中兩名工人已被救出,截至本文釋出時,仍有六人失蹤。美國海岸警衛隊和其他緊急救援人員駕駛船隻和潛水員在港口搜尋,直升機在上方盤旋。

約翰·霍普金斯大學土木與系統工程學教授本傑明·謝弗說:“這是一場巨大的悲劇。” 他說,這次坍塌在巴爾的摩留下了一個“巨大的空洞”。據馬里蘭州交通管理局稱,每年有超過 1100 萬輛汽車沿著 695 號州際公路透過這座橋樑跨越帕塔普斯科河。部分交通可以改道到河底的四車道隧道,但並非全部,例如運輸危險材料的車輛。在橋樑殘骸從 50 英尺深的航道中清除之前,這可能會導致航運延誤,因為貨物需要繞開這個重要的中大西洋樞紐。


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謝弗與大眾科學談到了這座他稱之為巴爾的摩“天際線上優雅的橋樑”的毀滅。

[以下是採訪的編輯稿。]

任何橋樑都能在這樣的撞擊中倖存下來嗎?

我不這麼認為。 任何像那樣在兩點支撐的橋樑,其中一個支撐完全被移除,下一步都將落入水中。

這座橋是用什麼材料建造的?

主跨,也就是在[影片片段]中看到的[坍塌]部分,是鋼結構上部。 您看到的每個構件都是用鋼材支撐在混凝土橋墩上的,橋墩將其連線到水中。

這座橋於 1972 年開始建造,五年後開放。 如果我們今天建造這座橋,我們會做哪些不同的事情?

自 20 世紀中期以來,橋樑在該跨度[橋墩到橋墩的長度]的經濟性發生了變化,[城市]對建造標誌性橋樑的美學追求也發生了變化。 幾乎可以肯定的是,如果今天建造它,它將採用不同的形式——如果您看看過去 20 多年來我們在全國各地建造的橋樑,很可能是一座斜拉橋。 [編者注:在斜拉橋中,鋼索從高塔延伸到路面,這與桁架橋的箱形金屬結構形成對比。]

但這反映了勞動力和材料成本的變化。 建造金屬桁架橋需要很多小部件。

老化的基礎設施是否以任何方式促成了這次坍塌?

我沒有聽到任何跡象表明這座特殊的結構存在嚴重的老化問題,或者這樣的問題是導致其可能失效的關鍵因素。 今天早上我第一次看到影片時,我想,“哦,好吧,你知道,也許橋樑的這個或那個[方面促成了它的坍塌]。” 但後來我坐下來一幀一幀地觀看。 並且,實際上,橋墩消失了,橋樑垂直落下。 所以我就想,“哦,也許是橋樑沖刷削弱了橋墩,或者多年來發生了類似的事情。” [編者注:橋樑沖刷是指水流侵蝕橋墩地基周圍的沉積物。] 但任何類似的情況相對於這艘大型集裝箱船施加到橋墩末端的能量來說,都將是次要的。

如果一艘較小的貨船撞擊到達利號撞擊的位置,是否會摧毀橋墩?

這很難說。 看起來橋塔完全被摧毀了。 它沒有傾斜、傾斜、彎曲或任何其他情況——它只是消失了。 如果你和我乘坐一艘小帆船出海,我們撞到橋墩,橋墩比我們堅固。 但在這種情況下[要麼是因為橋柱缺乏足夠的保護,要麼是因為船隻足夠大,足以穿過這些保護],整個橋墩都消失了。

橋樑是一件經過精心計算的東西。 主要假設之一是,在我放置支撐點的地方,我將為其提供支撐。 如果我將其移除,則沒有任何設計可以讓橋樑以任何方式跨越。

你確實看到它被完全抹去,然後橋樑作為一個剛體垂直向下移動…… 這是重力。 它的支撐已被移除。 你看到它失效並最終墜入水中的位置與支撐的喪失直接相關。 這不是某種傳播:一件事發生了,然後它使這個構件失效,然後那個失效的構件又使這個構件失效…… 整座橋樑,每一塊鋼材,都垂直向下移動。 沒有扭曲或彎曲或任何類似的情況。 支撐消失了; 就這樣落下來了。

這次災難有哪些工程教訓?

所以也許我們應該將其視為一個全面的基礎設施問題,而不是橋樑問題,對吧? 我們需要巴爾的摩港。 它是整個東北走廊的主要航運港口。 它有重要的航運交通。 如果您看看船舶的尺寸,從 1970 年代橋樑建造時到現在,已經發生了根本性的變化。 當您在影片中看到失效時,集裝箱船的寬度與橋樑的高度一樣高。 很難想象它到底有多大! 橋樑執行的環境以及我們需要它做的事情都發生了很大變化。

關於我們如何管理橋樑支撐結構以保護其免受航運交通影響,將會吸取教訓…… 我只是猜測,但我無法想象導致事故發生的所有流程都允許保持不變。 因此,對於進入港口或離開港口意味著什麼,將會制定法規和流程。

在個人情感層面上,我們知道開車過橋會讓人有些猶豫。 從事這些結構工作的結構工程界非常重視這一點,並以最嚴肅的態度設計和維護橋樑。 如果有關於實際結構的經驗教訓需要吸取,那麼這些教訓將被吸取。

本·瓜裡諾大眾科學的副技術編輯。 他撰寫和編輯關於人工智慧、機器人技術以及我們與工具關係的故事。 此前,他曾在大眾科學擔任科學編輯,並在華盛頓郵報擔任專職作家,在那裡他報道了 COVID 疫情、科學政策和虛假資訊(以及恐龍骨骼和水熊蟲)。 他擁有賓夕法尼亞大學的生物工程學位和紐約大學科學、健康和環境報道專案的碩士學位。

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