FrancisKeyBridge美国国歌词历史人文底蕴深厚

弗朗西斯·斯科特基大桥主桥于1977年投入使用，耗资3070万美元。 竣工后，主桥跨度为366米。 在世界连续桁架桥中排名第二，目前仍居世界第三。 目前，排在弗朗西斯·斯科特基大桥之前的是日本的生月大桥（400米）和美国的阿斯托利亚-梅格勒大桥（376米），如图5所示。

图5 日本生月大桥和美国阿斯托里亚-梅格勒大桥

弗朗西斯·斯科特·基大桥以美国国歌作者弗朗西斯·斯科特·基命名，有着深厚的历史文化底蕴。 1814 年对巴尔的摩港附近的麦克亨利堡的轰炸是第二次独立战争中的一场重要战役。 英国进攻华盛顿特区后，期望通过步兵突击、海军炮击夺取巴尔的摩。 英国皇家海军舰队于9月12日和14日两次使用1500多枚炸弹轰炸麦克亨利堡，并有约5000名步兵同时进行突袭。 指挥官阿米斯特德少校升起了一面巨大的美国国旗，表明他无意投降。 由于英国舰队耗尽了弹药，取消了攻击并开始计划撤离，这场战斗成为传奇。 当时，弗朗西斯·斯科特·基（Francis Scott Key）正在大桥当前位置附近，看到美国士兵不顾袭击，在堡垒上升起了美国国旗。 他写下了《星条旗永不落》这句话，后来成为美国国歌的歌词。

事故发生后，弗朗西斯·斯科特基大桥包括主桥和3跨引桥在内共6跨垮塌。 倒塌后残骸与倒塌前桥梁位置对比（红色实心部分）如图6所示。

图6 弗朗西斯·斯科特基大桥倒塌后的残骸

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有关事故船舶的信息

据报道，与大型集装箱船“DALI”号发生碰撞，如图7所示。详细内容包括：

事故发生时，机上共有23名船员，其中21名机组人员和2名飞行员。 驾驶这艘船的是一名印度海员。 经证实，网上流传的CNN报道“一艘满载中国货物的货船袭击我们的大桥”纯属谣言。

图7 “大理”号大型集装箱船

事故发生时，货船正准备从巴尔的摩港出发前往斯里兰卡科伦坡。 离开港口后，该船发生故障并失去所有动力，并在几分钟内与桥墩相撞。 事发时该船的航行路线如图8所示。

图8 大型集装箱船“大理”号航线

当地监控拍下了整个事件过程。 从视频中可以看到，当船航行了几分钟后，船上的灯熄灭了，然后又重新亮起，船顶开始冒出黑烟。 行驶了一段时间后，船灯再次熄灭，然后在碰撞前再次亮起，然后与桥墩相撞。 据美国飞行员协会称，该船在离开港口几分钟后就发生故障并失去了所有动力。

图9 碰撞前船舶状态分析

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倒塌事故分析

此次倒塌的弗朗西斯·斯科特基大桥是一座飞燕式钢桁架拱桥。 两边跨为半跨悬臂顶承拱，主跨为中承钢桁架拱。 主跨的大部分水平推力由两个边跨平衡。 中桥墩不需要承受过大的竖向荷载，可采用轻型桥墩替代传统拱桥的重力桥墩，如图10所示。

图10 弗朗西斯·斯科特基大桥结构图

塌陷过程如下面的视频所示。 “大理”号货轮撞击左侧中墩后，主拱一侧失去支撑，导致左侧跨及主拱向下变形。 变形过程中，左跨中部、中跨近右中墩、中跨中部附近相应桁架位置均出现明显断裂。 随后主桥多段落水； 靠近右桥墩的右跨先被举起，随后掉落并摧毁了右桥墩，导致右引桥垮塌。

图11 Francis Scott Key大桥倒塌过程分析

主桥碰撞后受力的简单分析碰撞发生后，桥墩并没有立即失去承载能力。 假设该位置发生竖向强迫位移，则桁架的变形形状和相对轴力如图12所示。可见，事故桥梁桁架断裂前，变形形状与数值分析基本一致结果表明，桁架断裂位置集中在轴力较大、截面变窄的支撑截面两侧。 由于时间限制，具体损坏顺序和位置还需进一步分析。 飞燕式钢桁架拱桥在船舶碰撞工况下冗余度较低。 一旦桥墩位置失去支撑，桁架内部反作用力的重新分布可能会对钢桁架本身造成损坏，导致整座桥梁的倒塌。

图12 Francis Scott Key大桥倒塌时桁架损坏位置示意图

04

桥梁防撞措施分析

据公开报道的信息，“大理”号货轮长约300米（984英尺），宽48米（157英尺）。 标准排水量超过9万吨，满载排水量超过11万吨。 根据欧洲船舶的分类，排水量超过10万吨的船舶为超大型货船。 据悉，事故发生时航行速度约为15公里/小时，如图13所示。

图13 船舶碰撞示意图

AASHTO GVCB明确规定了桥墩常用的五种防撞措施，如图14所示。

1、护舷系统：通过装置塌陷能量吸收和弹性体能量耗散来减少冲击能量的一种防撞措施。 它被广泛使用。 常见材质有木材、橡胶、混凝土、钢材等类型；

2、防护岛：在脆弱的桥墩处堆积沙石而形成的桥墩防护岛。 冲岛船舶不会直接撞击桥墩，要求传递到桥墩的冲击力在安全范围内；

3、护柱式防撞设施（海豚防护）：大直径重力式护柱在圆柱形薄壳内填充大量混凝土、沙子或其他松散材料，放置在桥墩前，撞击后停泊在船上。 桩位移耗能可减少或避免失控船舶的直接冲击，在美国得到广泛应用。

4、桩承式防撞设施（Pile-Supported System）：在桥墩附近设置单桩或群桩的刚性承台，可以独立于桥墩，也可以附着在桥墩上；

5、漂浮保护系统：利用高强度缆索在受到碰撞时作用力小、位移大，消散碰撞能量或使失控船舶偏转。 一般用于深水区域桥墩防碰撞。

我国公路桥梁防撞设计规范（JTG/T 3360-02-2020）规定了结构防撞措施的设计方法和选择原则，根据防撞措施和结构特点分为一体式、附着式和独立式。桥墩的位置。 与AASHTO GVCB相比，两国防撞设施类型基本相同。

图14 US防碰撞设置对比图

从碰撞前的桥梁现场来看，Francis Scott Key大桥缺乏上述有效的防撞措施，如下图15所示。 桥墩周围有防冲刷护栏，远处有混凝土航标，均不具备较强的防碰撞能力。 美国国家运输安全委员会（NTSB）主席詹妮弗·霍曼迪接受采访时表示，桥梁结构在防撞措施方面确实存在问题。 本次事故桥墩采用轻质混凝土桥墩，重量轻，抗冲击性能较差。 仅靠桥墩无法承受超大吨位船舶的碰撞。

图15 事故发生前Francis Scott Key大桥桥墩防撞情况示意图

05

紧急事件处理

美国飞行员协会执行董事克莱·戴蒙德在接受采访时描述了船舶失控的应急反应，可概括为以下几点：

（1）尝试指挥失控船舶避免发生事故，但未取得实质性成果。 当“大理”号货轮失去动力并出现偏航时，向港口船舶调度中心发出遇险警报。 了解情况后，引航员立即通过无线电命令向左猛转舵，防止船舶向右转向，并下令放下左舷锚。

（二）立即切断桥上交通，避免造成更大伤亡。 接到报警后，领航员确定情况紧急，立即联系弗朗西斯斯科特基大桥调度处，暂时封闭大桥通行。 据了解，由于事故大桥是港口公路交通的重要组成部分，进出需要经过收费站，因此可以第一时间控制重点地点的交通流量。

（三）下达疏散桥面人员指令，但通知未及时完成的​​。 接报后，引航员立即向相关人员发出疏散指令，并通知桥梁施工负责人。 不过，据随后报道，在负责人联系桥上的工人之前，桥梁已经被撞垮塌，疏散工作没有及时进行。

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结论与建议

（1）加强结构防撞：弗朗西斯·斯科特基大桥采用轻质桥墩。 桥墩本身抗冲击能力差，主航道繁忙。 更要关注防撞措施是否到位。

（2）避免船舶失控：加强大型货船的日常管理，从船员专业水平、船舶驾驶控制系统等方面确保船舶正常运营时不失控。

（3）应急预警：建立重要建筑物应急预警快速反应机制。 在收到可能导致桥梁垮塌的紧急事件消息后，信息联动可以保证现场交通、施工、航运的快速预警和响应。

在这起事故中，造成人员伤亡的主要原因是危险警告没有及时传达给桥上的人们。 今后，建议在主航道交通繁忙的重点桥梁上安装桥梁应急预警装置，在发生船舶碰撞、倒塌等危险情况后快速发出预警，减少人员伤亡。

上述作品由浙江工业大学研究生朱志祥、刘学良、沉泽南、张晓欣编译，朱玉婷主编，讲师金涛、博士后沉宇指导。 由于本团队认知水平有限，文章中可能存在很多不妥之处。 请大家批评指正。

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