巴尔的摩大桥坍塌：工程师能否预防类似灾难？

上周，巴尔的摩的弗朗西斯·斯科特·基大桥坍塌，起因是悬挂新加坡国旗的达利号货轮撞击了大桥的其中一个支撑结构，全世界都震惊地目睹了这一幕。

截至发稿时，对六名失踪建筑工人的搜寻工作已经停止，据信他们当时正在桥上修补坑洼。另有两人在搜救行动中从水中被救起。

目前，工程师团队已开始进行复杂的作业，切割并吊起坍塌桥梁的第一段。由美国海岸警卫队和马里兰州政府牵头的救援队的目标是尽快重新开放该港口，该港口是美国最大的“滚装式”车辆进出口以及农用和建筑设备出口港口。

目前，各团队仍在调查究竟是什么原因导致这座钢拱连续桁架桥于 3 月 26 日星期二凌晨 1 点 30 分（当地时间）倾覆入帕塔普斯科河冰冷的河水中。市长布兰登·斯科特形容当时的场景“就像动作电影里的情节”。

图为撞上弗朗西斯·斯科特·基大桥并导致大桥坍塌的达利号货轮。照片：路透社/朱莉娅·尼金森

已知的是，达利号货轮从巴尔的摩港微风码头出发前往斯里兰卡首都科伦坡45分钟后失去动力，并发出求救信号，警告马里兰州交通部门可能发生碰撞。不久之后，该船撞上了这座已有47年历史的大桥的一根支撑柱，导致这座全长2632米的大桥366米主跨的大部分坍塌。

“本周发生的这种规模的坍塌事件非常罕见，”工程咨询公司Arcadis的高级技术总监大卫·科林斯博士说。“显然，巨大的冲击力摧毁了一座桥墩，但这随后引发了渐进式坍塌，导致整个结构倒塌，而不仅仅是局部损坏。”

专家表示，鉴于这艘船的体积，几乎没有桥墩能够承受如此猛烈的撞击。这艘名为“大理”号的货轮长290米，可装载1万个集装箱。根据MarineTraffic.com网站的船舶追踪数据，该船撞击桥梁前最后一次记录的航速为7.6节，距离桥梁100米至200米之间。

“几乎不可能设计出能够承受这种冲击的桥墩，”独立工程顾问、结构工程师学会前任主席伊恩·弗斯表示，“船舶可能偏离航线撞击桥墩，这正是设计船舶防撞系统的原因，这样大型船舶就无法撞击桥梁的关键支撑结构。”

工程师指出，与如今正在建造的新桥梁不同，老桥是在设计时还没有预料到像“大理”号这样的大型货船。

20世纪70年代的桥梁是为小型船舶设计的。

“这座桥，如果你仔细观察它的原始结构，会发现它非常轻巧简陋。这种设计是上世纪70年代为了尽可能降低成本和减少材料用量而进行的，”科林斯说道。“自那以后，集装箱船的尺寸显著增大。如今，人们首先会问的是，像这样的港口，桥墩之间300米的净空——够用吗？应该增加到500米，以便给船舶留出更多空间。但显然，上世纪70年代的货船尺寸与现在完全不同。港口面临着更大的船舶带来的经济压力，因此桥梁的风险也在随着时间推移而变化。”

然而，专家指出，尽管这座桥梁年代久远，但其所有者马里兰州交通管理局有责任维护桥梁结构并定期进行风险评估以确保其安全。该评估流程的一部分应包括船舶撞击分析，即考虑撞击的可能性并评估撞击发生后的后果。

大卫·科林斯博士，Arcadis公司高级技术总监。图片：Arcadis

科林斯说：“现代船舶撞击分析以风险为基础。作为任何风险评估的一部分，桥梁发生渐进式坍塌的脆弱性至关重要。不幸的是，在巴尔的摩，我们看到坍塌从船舶撞击的码头开始逐渐蔓延到桥跨，直至整座桥梁坍塌。”

为了降低老旧结构的风险，工程师们主要采用两种技术：首先是设置物理屏障，阻止船舶靠近桥墩。这些屏障包括：环绕桥墩的河道人工岛；围绕现有桥墩建造的护舷；以及所谓的“系泊墩”，即一组桩柱，其设计目的是让船舶首先撞击这些桩柱。

“自1980年阳光高架桥坍塌事故以来，水上设置防撞海豚或其他船舶碰撞保护装置已十分常见，”弗斯说道。“但这座桥建于20世纪70年代，当时的桥梁设计并未包含这些装置。录像显示，桥墩两侧都设有小型防撞海豚——但这些装置并未阻止船舶撞击桥墩。”

工程师用来保护老旧桥梁免受冲击的第二种方法是进行改造加固。这些方法包括使用被称为“系固索”的钢缆，通过将桥梁构件与桥墩连接起来有效地增强桥梁强度，或者通过增加额外的钢结构来加固桥面。

科林斯说：“系固装置的作用是防止桥梁脱离桥墩。如果一个跨度失效，导致整座桥梁发生剧烈震动，那么系固装置应该能够确保其他跨度不会脱离支座而发生同样的失效。桥面加固也至关重要。”他补充道，“我们需要进行一系列复杂的分析，检查并建议对某些部分进行加固，以确保桥梁能够保持稳定。”

近期其他船舶碰撞事故

弗朗西斯·斯科特·基大桥并不是近年来唯一一座遭受类似碰撞损坏的大桥。

2024 年 2 月 22 日，就在巴尔的摩惨案发生前一个月，中国广州红七里水道上的力心沙大桥被驳船“良汇 688”号撞击，导致这座建于 20 世纪 90 年代的大桥的一部分断裂，造成 5 人死亡，2 人受伤。

无人机拍摄的图像显示，2024年3月26日，巴尔的摩的弗朗西斯·斯科特·基大桥被货轮“达利”号撞击后坍塌。图片：美国国家运输安全委员会提供，经EYEPRESS和路透社发布

2019 年，一艘渡轮撞上莫朱河上一座 860 米长的桥梁，该桥位于巴西贝伦港附近，随后桥梁坍塌。

2016 年，越南同奈河上拥有百年历史的根铁路桥的两段桥墩在一艘驳船撞上其中一根桥墩后坍塌。

事实上，根据世界水运基础设施协会 2018 年的一份报告，1960 年至 2015 年间，全球共有 35 座主要桥梁因船舶或驳船碰撞而倒塌，共造成 342 人死亡。

这些惨淡的数据反映了人们对世界各地老旧桥梁安全性的更深层次的担忧。

根据美国土木工程师学会发布的2021年美国基础设施报告，美国22.2万座桥梁中约有三分之一需要维修或重建，另有7.6万座桥梁需要更换。报告指出，美国60万座公路桥梁中约有42%的桥龄超过50年，约12%的桥龄超过80年。其他西方国家的情况也类似，英国地方当局在2023年认定英格兰、苏格兰和威尔士共有2928座公路桥梁不符合标准。

“不幸的是，这类灾难并不罕见，”科林斯说。“实际上，这种情况相当频繁。这类改造工程成本高昂，而且有很多老旧桥梁。因此，对于现有桥梁，人们往往会进行风险评估和成本效益分析，然后认为不值得。像巴尔的摩那样备受瞩目的灾难确实会改变人们的态度，所以我们很可能会看到一些改变由此而来。”