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大桥还未通车便两次垮塌,他的狂妄让88条生命葬身钢筋之下


大桥还未通车便两次垮塌,他的狂妄让88条生命葬身钢筋之下

对于每一个职业而言,都有着一件代表专业的物品。

这可以普通如一柄菜刀、一把吉他,也可以珍贵如一枚军徽、一个奖项。

而对于工程师而言,他们的象征物则是一枚“世界上最昂贵的戒指”

Iron Ring

这枚朴实无华的戒指便是工程师之戒,又唤作“耻辱之戒”

之所以被视作“最昂贵”,并不是不锈钢的材质之下,有着多少真金白银。

而是因为这枚戒指的背后,有着一个广为人知的工程事故:

魁北克大桥两度坍塌毁损,88人因此丧命,只因负责人对即将发生的危险熟视无睹。

坍塌后的魁北克大桥

他们其实有着足够的时间防止大桥坍塌。

但私利、名声、自大蒙蔽了他们的眼睛,各种细节酿成了这起惨剧。

自此以后,魁北克大桥成了教科书里最臭名昭著的失败案例

大桥坍塌后的废弃钢材被当地大学买走,做成工程师之戒赠与一批批莘莘学子。

缚于尾指的戒指会在每次工作时,不断惊醒工程师们何为责任。

____________

1907年8月29日的下午,加拿大圣劳伦斯河上,魁北克大桥正在施工。

按计划,这座悬臂桥*主跨长达548.6米,堪称当时最长的桥跨。

此时大桥南北两端各自完工,就等中间的悬跨完成组装,一个震撼全球的大桥即将诞生。

*注:悬臂桥的特点是,每段都在中间而非两端支承。如下图锚臂与伸出臂以中间支点平衡两端重量。

本文所提及悬臂桥主要参考此图,稍记一下方便阅读

时至下午5点半,收工的哨声适时响起。

工人们放下手头的工作,三三两两有说有笑地从桁架*上向岸边走去。

突然一声巨响,南端锚跨处两根下弦杆突然被压弯,整个南端的结构都被牵动了。

仅坚持15秒,南端整个完工部分连带着中间的悬吊跨一同垮了下来,19000吨的钢材落入河中。

*注:桁架是由直杆组成的三角形框构成,几何形状稳定不变的结构体。

图中红圈部分既是锚跨的两根下弦杆

随之坠入河中的还有在桥上工作的86人,最终仅有11人获救。

尽管没有完成组装,但是大桥一举“震撼全球”的梦想依然实现了。

整件事震撼了工程界,更是惊动了政府,好几年前埋下的恶果终于重见天日。

在加拿大政府反复调查研究后,挖掘出背后的故事着实令人唏嘘。

早在1850年,加拿大人就想在圣劳伦斯河上修建一座大桥。

但圣劳伦斯河的最窄处都有3.2千米,水深58米,修桥并不是一件容易的事情。

何况这河常年保持14km/h的流速,随意激起的浪就有3个成年男子的高度。

如果不是为了争夺加拿大东部主要港口的地位,恐怕修桥的事将遥遥无期。

圣劳伦斯河,摄于2007年

为了修桥,政府成立了魁北克大桥公司。

公司颇具眼光地请来了西奥多·库珀,美国最出色的桥梁工程师之一。

将近60岁的库珀接过助手递来的圣劳伦斯河及其两岸的地图,眼中闪过欣喜的光芒。

同为跨河大桥的英国福斯桥此时正号称全世界跨度最长,而眼前这个项目无疑能够轻松超过福斯桥。

这仿佛是上天送给库珀的退休礼物,这必将成为他的最巅峰之作。

西奥多·库珀(1839-1919)

魁北克大桥的招标时间设在了1898年9月6日到1899年3月1日。

参与投标的公司络绎不绝,最终由凤凰桥梁公司拿下了这次的施工合同。

人们深知凤凰桥梁公司与魁北克大桥公司的两位总负责人,有着说不清道不明的关系。

但因为是由库珀负责审查方案,专家的权威掩盖了招标的不公平、不透明。

凤凰桥梁公司的方案是悬臂桥,是以悬臂结构为主的大跨度桥梁。

悬臂结构形如一个天平,锚臂和伸出臂以中间支撑维持平衡。

河两岸先建好“两个天平”,再连接上悬跨构成整体,全桥就能维持着巧妙的平衡。

这样的构型又好又便宜,大桥一开始就肩负着低价高质的期望。

魁北克大桥的主跨初始计划是487.7m,库珀基于工程技术考虑,将主跨提升到了548.6m。

这样桥墩只需设在较浅的水域,可以避免春季浮冰的撞击,工期也能缩短一年。

并且跨度增加后,就能超过了英国福斯桥的521m,使魁北克大桥成为最长的悬臂梁桥。

桥墩,浅水架设能省不少事

不过跨度增加,需要加强钢材使上部结构更有力,成本自然大大增加。

为了降低成本,库珀想到一个妙计:将技术规定中钢材的许可应力*提高。

钢材实际不需要任何变化,应力提高的理由也只需要基于库珀的经验和权威即可。

凤凰桥梁公司与魁北克大桥公司都接受了这个建议,一方面也是因为不愿意花费多余的钱在实验研究上。

*注:应力既是钢材单位面积所承受的作用力,负载导致结构中产生的应力不能超过弹性极限。

最终设计图

10月份工程如期开工,不过库珀却因为健康问题没能到现场。

他只需要在纽约的事务所里坐着喝茶,现场情况都有年轻工程师马克鲁尔向他汇报。

在大桥修建的前三年,他总共只到过现场3次。

1903年,加拿大政府立项修建一条途径魁北克省的铁路。

魁北克大桥则成了铁路驶过圣劳伦斯河的重要通道,政府迫切希望工程能够提前完成。

加拿大政府的铁路运河部受命了解建桥工作,还计划另请一位顾问复审库珀的技术规定

库珀得知这件事后顿时火冒三丈,直接出面与他们交涉,因为他无法接受被另一位顾问骑到头上去。

当部里得知要审的是库珀亲自操刀的技术规定,顿时态度大转变,更表示只要是他的手笔必然是准确的。

工程施工的第6年,一位材料监督员向库珀汇报了大桥所用的钢料超出了预计量。

这意味着大桥桁架受力大大增加,但因为南部的组装早已进行了大半,如果要改动只能从头重新开始。

库珀细细考虑两者的影响,最终给出“受力增加大致在7%到10%,能够承受”的结论。

可随后,马克鲁尔连续四次发现,南部锚跨的下弦杆拼接时拼接面不吻合。

前几次都是借用外力强行对齐,但也无法完全对直。

与此同时,随着伸长臂向河中间越伸越远,出现严重弯曲的钢材将会就越多。

没多久,这座桥因为钢材弯曲变形,仿佛大桥想将手伸向河面。

负责与库珀联系的马克鲁尔急忙写信向库珀汇报了情况。

信里写道,工程方上下都因为眼前的问题忧心忡忡,尽管工期极赶,总工还是为了安全暂时停止了修建。

感到信件沟通不便,又担心电话通讯内容被他人知晓,马克鲁尔决定飞往纽约与库珀当面谈谈。

但他不知道的是,正当他前脚迈出加拿大,一位工程负责人又再度启动了修建工作。

主观理由是不希望赶不上工期,对外则是宣称梦里梦见大桥毫无意外地完工。

库珀在事务所招待了马克鲁尔,详细了解情况后,他们当即给凤凰桥梁公司发了封电报,要求继续停工等待。

为了以防万一,马克鲁尔赶上最近的一班火车回去加拿大。

或许是太匆忙,他竟忘了对库珀的承诺,没有电告魁北克方面停止工程。

事后看来,库珀的决定已经迟了,虽然大桥未必还能挽救,但肯定还能挽救不少生命。

下午3点,凤凰桥梁公司的工程师才收到了库珀的电报,却没有意识到问题的重要性。

工人仍在大桥上继续完成中间的悬吊跨的组装工作,而另一边马克鲁尔也在5点赶到凤凰桥梁公司楼下。

风尘仆仆的他与其他工程师开了个会,距离收工只有不足1小时,其他工程师得知库珀的决定后仍觉得没必要立刻停工。

就在他们约好次日一早就停工检查时,一身巨响带走了75人的生命。

事后,加拿大政府立刻组织了一个委员会进行调查。

调查过程中,委员会的人仍然对库珀很客气,专门到纽约与他进行了一场友好的会晤。

此时的库珀却显得心神不宁,他怎么也不敢想大桥竟会垮塌,更糟的是75人因此失去了生命。

这一次失事后他的职业生涯也彻底得终结了,事故的阴影笼罩他的余生,直至80岁逝于纽约。

最终调查结果显示,是因为库珀高估了钢材的承受能力,弦杆失稳引起的。

重新计算实际承重增加远不止7%~10%,而是高达20%。

另外,魁北克桥下弦杆处于美观考虑,设计成微弯,不仅制造难度更高,同时也降低了屈曲强度*。

*注:屈曲是指细长件在受到压缩力时,因细长件弯曲变形造成结构实效,屈曲强度则是承受这个压缩力的能力。

这直接导致了桥梁垮塌问题,但在工程过程中,两家公司与加拿大铁路运河部都过分信赖权威,放宽了规定也间接导致了坍塌。

反观库珀就显得有些轻视了造桥工作,不仅很少来现场指导,也拒绝了另请顾问担负检查工作。

几乎每个环节都存在失误,每个牵涉其中的人本都有机会制止惨剧发生。

政府重建时,桁架大到能够同时站三个人

加拿大政府不甘心失败,又在原桥墩上建造第二座魁北克大桥

这一次的钢材显然吸取了上一次垮塌的经验,只是纠正措施明显矫枉过正。

新桥的上部结构重量竟是旧桥的两倍半,受力的部分都显得丑大黑粗。

过重的结构在合龙时出现了问题,一个支点突然断裂,其他支点受力倍增顿时全部扭曲变形。

整跨重达5200吨的钢材就这样落入水中而损失掉,连带着13名工作人员的生命。

凭借人命试错,第三次重新组装,克服了连接细节强度不够的问题,终于成功合龙。

新桥在1917年竣工,这座世界上跨度最大的悬臂桥最终完工。

这次事件促进了大量对压杆以及组合压杆的稳定性研究

因为事故发生也有部分原因是对压杆的稳定性能了解不够,从这个角度来说,所有结构工程师都有责任,因为问题始终在这,而出错的设计者可以是任何人。

在两次垮塌后的科研工作最终填补了这块空白。

被打捞起来的废弃桥梁钢材,最后被加拿大的工程大学联合买了下来。

它们将用这些钢材打造一枚枚铁制戒指*,一直传承了下来。

戒指意味着一个工程师的责任和社会心,如今这种模式甚至传到了美国,成为更多工程师的灵魂。

按规定,戒指必须戴在常用手,这样才能时刻警醒工程师们直面良心。

*注:不用担心铁够不够用,因为铁容易生锈现在基本是用不锈钢,当然对于工程师们来说,始终是认为用着那些废弃钢材的。

工程师之戒能被视作最珍贵的戒指,只因背后有着血和泪的教训。

或许人们也需要一枚戒指,时刻警醒人们不可迷信权威。

*参考资料

Pearson. C., Delatte, N.. Collapse of the Quebec Bridge, 1907 [J]. Perform Constr. Facil., 2006, 20(1):84-91.

叶华文, 陈醉, 曲浩博. 魁北克大桥连续倒塌过程及结构冗余度分析[J]. 世界桥梁, 2017, 45(01):76-81.

李著, 王景. 西奥多库珀——魁北克大桥失事记[J]. 工程力学, 1997(04):139-144.

来源:SME

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