魁北克大桥：跨越圣劳伦斯河的建筑奇迹

魁北克大桥——相信学建筑、土木工程的同学都不会陌生。在材料力学、结构力学、钢结构课上都多次提到过。

在魁北克大桥建成之前，横跨圣劳伦斯河两岸的交通方式只有一种，那就是渡轮。圣劳伦斯河在夏季是魁北克省的主要交通动脉，但在冬季河流会因结冰而完全结冰。稍后可以恢复导航。作为竞争对手，蒙特利尔已经拥有一条以西通往多伦多的主要铁路线和横跨圣劳伦斯河的维多利亚大桥，该大桥于1854年竣工，迅速使蒙特利尔成为加拿大东部的主要港口。这些使得魁北克省在圣劳伦斯河上建桥的需求更加迫切，但建桥工作并不轻松，因为圣劳伦斯河最窄处有3.2公里，水深58米，流量时速14公里，浪高可达5米。冬季冰缘高达15米。

1850年就有修建魁北克大桥的提议，直到1887年，大桥的建设才被提上议程，并成立了魁北克大桥委员会。随后，加拿大议会通过法案，重组该委员会，成立魁北克桥梁公司，资本100万美元。并具有发行债券的权力。尽管如此，该公司仍然面临着巨大的财务压力，需要更多的政府资助。初步调查工作完成后，魁北克政府提供了财政援助。经过多年的争论，最终于 1898 年选定了建桥地点，并开始了桥梁设计。

1897年6月16日，魁北克桥梁公司总工程师爱德华·霍尔向他的朋友、凤凰桥公司总裁戴维·里夫斯发出了邀请。 1897年，在魁北克举行的美国土木工程师学会（ASCE）会议上，菲尼克斯公司总工程师约翰·迪斯会见了爱德华·霍尔，提出菲尼克斯公司免费提供桥梁方案，但施工必须自行进行由凤凰公司提供。在这次会议上，西奥多·库珀还同意为魁北克桥梁公司提供咨询服务。主要从事桥梁建设及塌方相关工作。

魁北克桥梁公司的总工程师爱德华·霍尔没有设计90米以上桥梁的经验。 1903年，魁北克铁路桥梁公司邀请了当时美国最著名的桥梁建筑师特奥多罗·库珀来设计和建造。库珀是纽约市的一名独立顾问，也是当时美国领先的桥梁工程师之一。对于库珀来说，该项目也将成为职业生涯的顶峰，因为魁北克大桥的跨度将比英格兰的福斯大桥还要长。 Petrosky（1995）指出，库珀非常有资格指导这个项目，因为他是钢桥建设的创始人，并提出了一种广泛使用的桥梁铁路荷载计算方法。

魁北克大桥采用了比较新颖的悬臂结构，于1867年首次使用，其典型形式是主桥墩在一个方向上延伸一个悬臂跨度，在另一个方向上由一个锚臂跨度来平衡。中跨与简支悬臂跨连接，形成整体结构。简支中跨和悬臂跨的自重由锚臂跨和抗拔墩平衡。

Cooper 收到了 6 份上部结构设计方案和 2 份下部结构设计方案。经过审查，他选定了凤凰公司的悬臂桥方案。在整个过程中，凤凰公司与库珀保持着联系（Holgate et al. 1908），魁北克桥梁公司也倾向于凤凰桥梁公司中标（Tarkov 1986）。这些都让人感觉至少招标过程是不公平和不透明的，尽管许多人信任库珀（Holgate et al. 1908）。

凤凰桥公司获得上部结构合同，戴维斯公司获得下部结构合同。但由于资金原因，凤凰大桥公司拒绝与魁北克大桥公司签订合同，使魁北克公司面临相当大的风险。 1903年，政府资金到位，财政问题得到解决。合同最终于当年6月19日签署，魁北克桥梁公司更名为魁北克桥梁和铁路公司。

魁北克大桥是当时最长的悬臂梁结构，悬臂长达171.5米。两个悬臂支撑了205.7米的简支悬臂跨度。梁体高出河流45.7米。初步设计主跨为487.7米。 1900年5月，库珀将主跨增加至548.6米，以避免深水桥墩和冰缘的影响，缩短桥墩的施工时间。虽然跨度的变化表面上是基于工程考虑，但跨度的增加（超过英国福斯桥）也确实使库珀成为当时建造世界上最长悬臂桥的工程师（Petroski 1995；米德尔顿 2001）。

魁北克大桥于1900年10月2日正式动工，桥墩由大块花岗岩和混凝土填充物组成，高度高出最高水位约8米。墩顶以下5.8米的墩身由坚硬的花岗岩砌成。墩身设计为锥体，坡度为1/144。墩顶横截面为9.1米×40.5米。墩身基础长45.7米，宽14.9米，高7.6米。混凝土沉箱重1600吨。

凤凰公司与魁北克桥梁公司签订合同后，引桥于1903年竣工，但桥梁上部结构直到1905年7月22日才开始施工。凤凰桥梁公司承诺年底前完成工程1908 年，否则它将每月向魁北克桥梁公司支付 5,000 美元的违约金，直到该项目完成。

这座桥应该是特奥多罗·库珀真正有价值的不朽杰作。库珀曾称他的设计是“最好、最经济的”。不幸的是，它从未完成。库珀对他的设计非常着迷，甚至将桥的长度从原来的500米增加到600米，成为世界上最长的桥。然而，这座杰作因设计问题而遭遇重大事故，桥梁无法承受自身重量。 1907年8月29日，悲剧发生了。下午5点32分，正当投资建桥的人们开始考虑如何砍桥时，人们突然听到一声震耳欲聋的巨响——主跨悬臂已经悬空。临近竣工时，南侧一根下弦因衬砌薄弱等原因突然倒塌，导致悬臂落入河中。 1.9万吨钢材和86名在桥上施工的工人落水。由于河水很深，工人们要么被弯曲的钢筋压死，要么掉进水里淹死。共有75人死亡。这次事故是由于库珀过于自信而忽视了对桥梁重量的准确计算而造成的。

桥梁垮塌全过程

在钢桁架安装过程中，工人们发现一些弦杆明显偏斜。当试图铆接这些弦杆时，发现钻孔布置并不是在一条直线上，而且最不利的受压构件也出现了明显的弯曲变形，并且随着时间的推移，其挠度不断增加，导致桥梁垮塌。交叉编号从悬臂最外端开始到桥墩，从1到10。锚臂跨度采用符号“A”。例如，符号“A9L”弦位于锚臂跨度的第9个交点的左侧（或西侧）。和弦。

魁北克大桥基本结构示意图

1907 年 6 月中旬发现了杆的偏转并向库珀报告。由于压杆有预弯，大部分杆已被强行铆接在一起，仍有部分杆无法铆接。库珀和其他人一致认为，相对较小的变形并不是一个大问题。 8月，越来越多的弦变形，库珀向菲尼克斯公司的总工程师询问7L和8L弦的变形情况，但没有得到满意的答复。

菲尼克斯公司的首席设计工程师彼得·斯拉普卡（Peter Szlapka）认为，弦弯起源于制造工厂。他后来承认他从未见过这些变形的和弦。诺曼·麦克卢尔相信和弦在压力下会弯曲。关于7L和8L和弦的弯曲的争论还没有结束。马克·鲁尔 (Mark Luer) 向库珀报告称，8L 和 9L 弦也发生了类似的弯曲变形。这些变形构件均为桥墩附近负弯矩区的下弦构件，压力载荷很大。

情况继续恶化，受压构件的弯曲变形不断加大。这些构件是使用条带连接腹板的复合构件。当腹板应力增加时，条带和铆钉上的应力也会增加。

库珀相信弦在安装过程中已经弯曲，但现场没有证据支持这一点。现场工程师认为情况并不严重。棒材制造商坚持要求棒材在出厂前符合要求。 1905年施工期间，A9L在未竖立之前就被发现变形。它被修复并竖立在桥上。但事后调查发现，造成整座桥倒塌的正是A9L。

尽管库珀经验丰富，但他似乎也对自己面临的问题感到困惑。 60岁时，他接受了魁北克大桥项目的咨询工程师工作，并接受了监督钢构件制造和安装的工作。由于健康原因，他无法到现场工作，只能根据他人汇报的信息做出决定。库珀依靠建筑工地上的年轻工程师马可·鲁尔 (Marco Ruhl)，他很难做出准确而及时的决策（Petroski 1995；Middleeton 2001）。

马克鲁尔坚称杆的弯曲变形是由于安装后应力过大造成的。一些工人也观察到弦杆变形，但没有报告。然而，当马可·鲁尔和库珀对变形的原因存在分歧时，麦克·鲁尔没有足够的信心质疑库珀，施工继续进行。这期间发生了罢工，部分工人因不满工作条件而辞职，工人数量大幅减少。有人担心临时停工会导致更多工人离开，造成工期延误，所以不敢停工。

经过例行检查，两周内A9L弦的挠度从19毫米增加到57毫米。相应的弦A9R也向同一方向弯曲变形，挠度问题日趋严重。一名工头决定暂停工作，直到问题得到解决。 1907年8月27日，施工当日停止。马克鲁尔告诉库珀在重新开始工作之前先回顾一下此事。第二天，马可·鲁尔也前往纽约向库珀寻求建议。

魁北克桥梁公司总工程师爱德华·霍尔说服工头重新开始工作。霍尔向库珀的解释是：“停工对各方面都有不好的影响，可能会导致人手不足，施工完全停顿。两天后，此事向凤凰公司高层汇报，随后经过讨论，决定重新开始施工，因为他们认为弦杆在安装之前就已经弯曲变形了，而且凤凰公司的总工程师表示，弦杆的安全系数非常高。

与此同时，马可·鲁尔 (Marco Luer) 正在纽约与库珀会面，两人都不知道工作已经重新开放。 1907年8月29日，两人简短讨论后，库珀给菲尼克斯公司位于菲尼克斯的办公室打电话，要求暂时停止装货，直到马可·鲁尔赶到现场处理。库珀认为这比直接通知建筑工地更快。麦克罗尔向库珀保证，他正在前往菲尼克斯的途中向建筑工地发送指令，但他实际上并没有在路上发送指令。

1907年8月29日13点15分，库珀的订单到达了凤凰公司的办公室。由于总工程师不在，订单被推迟。 15：00，凤凰公司总工程师回到办公室。看到这个消息后，他在马可·鲁尔到达后安排了一次小组会议。马克鲁尔于17时15分左右抵达，简要讨论了情况，决定等到第二天早上再采取任何措施。正当工程师们研究对策时，魁北克大桥于17时30分垮塌，声音传至10公里外的魁北克。 15秒内，整个南跨约1.9万吨钢材落入河中。 86名建筑工人中只有11人幸存。

随着桥梁荷载持续增加，弯曲的下弦杆 A9L 发生屈曲。载荷立即转移到对面的构件A9R上，A9R也发生了屈曲。随后整座桥倒塌，仅桥墩完好。

事故调查结论

加拿大成立了一个皇家委员会来调查事故原因，成员包括蒙特利尔的亨利·霍尔盖特、贝尔福德的约翰·克里和多伦多的约翰·乔治·盖里尔。调查发现，倒塌的直接原因是A9L、A9R弦杆屈曲。主要原因简述如下：

桥梁垮塌原因分析

1、工程技术

一般悬臂桥的上下弦杆设计为直杆，易于制造。出于美观考虑，魁北克大桥的下弦杆被设计成略微弯曲，这增加了制造难度，增加了杆件的二次应力，降低了屈曲强度。

安装过程中连接节点设计不当。所有杆端关节轴承的设计都是基于杆在最大载荷下的小挠度。弦杆的拼接板采用螺栓连接，会产生较大的变形。这些接头一开始只有一端紧密接触，除非变形足够大，否则拼接板无法传递载荷。由此看来，拼接板应采用永久铆接，形成能承受轴向载荷的刚性接头。因此，在铆接拼接板之前必须特别注意这些节点。

撇开设计问题不谈，库珀将桥梁的许用应力提高到正常荷载下的 145MPa 和极限荷载下的 165MPa。这些数值太高，因此受到桥梁工程师的质疑。但由于库珀的声誉，这个许用应力值被接受了。 Cooper根据杆件的长细比（L/r）提出了许用应力σ公式：

式中，L为压杆长度，r＝√I/A，I为转动惯量，A为压杆面积。

下图将Cooper的公式与现代AISC规范中A36和A33钢的许用应力值进行了比较。对于长细比为 10 至 100 的所有杆件，库珀的许用应力值超出当今常用值 3.3% 至 8.7%。考虑到钢材的质量和当时对压力杆的了解水平，库珀的公式是不安全的。

魁北克大桥与AISC规范中A36、A33钢材的许用压应力对比

魁北克大桥是一个大跨度结构，当时人们对其力学性能知之甚少，而且魁北克大桥公司缺乏资金来进行充分的测试。库珀要求对眼杆（主拉杆）进行广泛测试，但不对压缩杆进行测试。

跨度从487.7米增加到548.6米，但荷载没有重新计算。应力计算仍基于487.7米跨度。库珀发现错误后立即进行了估算，发现应力增加了约7%。重新计算自重，发现应力增加了10%以上。桥梁初始设计自重为276MN（2760吨），实际桥梁自重为325MN（3250吨），增加了18%（Tar kov 1986）。菲尼克斯公司和魁北克公司的工程师都忽视了校正自身重量的必要性，结果导致杆在安装后承受了过大的应力。

根据皇家委员会的报告，自重计算值与实际值的比较表明，桥梁计算存在根本性错误，正确的桥梁计算应该非常接近实际情况。当发现自重计算错误时，结构的大部分制造和安装已经完成。库珀别无选择，只能增加桥梁的许用应力。

2. 项目管理

库珀不在现场，但坚持完全控制施工。当时，施赖伯建议铁路和运河管理局聘请第三方咨询工程师来审查库珀的工作并拥有最终决定权。库珀、魁北克桥梁公司和菲尼克斯都反对。库珀还亲自说服了施赖伯，因此魁北克桥梁公司未能澄清库珀的权威。

没有明确的管理体系，库珀说了算。尽管因病无法到工地，所有关键问题还是得到了解决。因此，施工现场没有人进行监控和决策，尤其是当结构不安全且需要关闭时。当需要时，现场管理人员应该互相协商然后做出决定，这样决策的执行就不会出现延误。皇家委员会的报告称：“很明显，在这座世界上最雄伟的桥梁的建设过程中，没有一个人拥有足够的经验、专业知识和能力来应对可能的危机。”

调查委员会怀疑A9L压杆由于其网格设计不合理而发生屈曲，因此于1907年11月至1908年1月期间对压杆（1/3比例）进行了模型试验。魁北克大桥的压杆由四块钢板和钢带，形成一个组合截面。由于铆钉的剪切破坏，网格系统在测试过程中迅速失效，弦杆弯曲。结果证实了调查委员会的怀疑，即和弦强度不够。四块独立的钢板彼此连接不充分，无法形成整体的受力单元。

下弦截面及平面图（单位：mm）

魁北克大桥倒塌后，对受压杆和连接进行了前所未有的大规模测试和研究，这导致了工程和桥梁规范发展的重大进步（Shepherd 和 Frost 1995）。

它还推动成立了两个组织：1914年的AASHTO（美国国家公路和运输车辆协会）和1921年的AI SC（美国钢结构研究协会）。这些组织资助了企业自身无法承担的研究。 ，促进工程领域的发展（Roddis 1993）。

魁北克大桥还涉及以下工程管理问题。首先也是最重要的一点是结构变形长期以来一直被忽视。对于其中的原因，现场工程师也争论了很长时间。尽管工人缺乏专业技术知识，但他们似乎是唯一真正了解桥梁结构问题的群体。因此，工程师必须虚心听取现场有经验的工人的意见；其次，是库珀拒绝了其他工程师。审查工作。经过审查，工程师可能不允许结构中的实际应力如此之高，并且可能会在桥梁倒塌之前发现其他错误，例如低估自重。结果，库珀的工程专业知识成为确保桥梁结构安全的唯一因素（Roddis 1993）。

然而，在魁北克大桥第一次倒塌后，政府提供资金用于设计和建造一座新桥。新桥的设计非常保守，部件尺寸急剧增加。老桥压力控制构件截面积为54.3万平方米，新桥为125万平方米。重建过程中也遇到了问题，1916年发生了第二次倒塌。施工时采用驳船在跨中运输和吊装悬臂，而不是悬臂拼装，因此悬臂长度减少，杆上的应力也减少了。悬臂中跨长195米，重5000余吨。需要吊装至距水面46米的设计位置。 1916年9月和龙跨预制完成后，运至桥址。驳船修好后，开始吊装作业。首先将和龙跨度的四个角连接到吊杆上，然后用液压千斤顶将其以60厘米为步长进行顶升。当升到水面9米处时，一角的支点突然断裂。其他支点无法承受全部载荷，导致扭曲变形。整个跨度落入河中，13名工人死亡。究其原因，是由于连接细节强度不够。新桥最终于1917年竣工，其重量是旧桥的2.5倍。

综上所述

魁北克大桥经历了许多磨难。开工时面临严重的财务问题，工程进度一拖再拖。当确定自重计算不正确时，未采取合理措施。在整个工程过程中，当结构安全性与经济性发生冲突时，通过降低结构安全性来解决冲突。咨询工程师库珀做出了大部分错误的工程决策。他因健康问题无法到现场工作，导致现场管理混乱。当变形越来越严重时，就意味着整体结构正在逐渐失效。现场的工程师或许已经意识到问题的严重性，应该停止施工，但他们缺乏质疑库珀判断的信心和动力，没有要求停工，导致了悲剧的发生。发生。

1917年，在经历了两场悲惨惨剧之后，魁北克大桥终于竣工通车。 1922年，魁北克大桥竣工后不久，加拿大七大工程学院联合花钱买下了建桥过程中倒塌的全部残骸，决定将经历过事故的钢材变成圆环，每年都会分发给学生。工程专业毕业生。然而，由于当时的技术限制，无法用桥梁残骸的钢材制成环。结果，这些学院不得不改用其他钢材。然而，为了表现桥梁倒塌的残骸，环被设计成扭曲的钢筋形状，以纪念这次事故以及事故中丧生的人。因此，这些戒指在工程界被称为工程师戒指。这枚戒指戴在右手小指上，作画时手指敲击。它时刻提醒工程师必须具有高度的责任感，才能设计出安全、坚固、有用的结构。

魁北克大桥是东起大西洋沿岸的哈利法克斯，西至太平洋沿岸的鲁珀特王子港的铁路干线上的一座公铁桥。该桥全长986.9米，主跨跨径548.64米，中吊孔长195.1米，边跨长156.97米。其177米的悬臂支撑着195米长的中段，形成主跨。迄今为止，该桥仍保持着世界上最大跨度悬臂桥的记录。

由于不幸的命运，1987年，魁北克大桥被加拿大和美国土木工程师学会宣布为历史古迹。 1995年9月1日，加拿大邮政发行了一套4枚“桥梁”邮票，其中一枚就是魁北克大桥。 1996年1月24日，这座桥成为加拿大国家历史遗址。

1966年至1970年，魁北克大桥旁边修建了一座新桥。它最初被称为“新魁北克桥”，后来更名为皮埃尔·拉波尔特桥。