來源幕墻世界weekly

魁北克大橋（Quebec Bridge）——相信學建筑、土木工程的同學對它都不陌生吧，在材料力學、結構力學和鋼結構課上多次被提到。

在魁北克橋修建之前，只有一種交通方式橫跨圣勞倫斯河兩岸，那便是乘坐渡輪，夏季圣勞倫斯河是魁北克的主要交通要道，但在冬季由于結冰這條河要到河面完全凍結后才能重新通航。作為競爭對手的蒙特利爾已經有了西至多倫多的鐵路干線和竣工于1854年的跨圣勞倫斯河的維多利亞橋，迅速確立了蒙特利爾作為加拿大東部主要港口的地位。這些使得魁北克在圣勞倫斯河上建橋的需求更加迫切，但架橋工作并不容易，因為圣勞倫斯河最窄處也有3.2公里，水深58米，流速達14公里/小時，浪高可達5米，冬季冰棱高達15米。

1850年就有人提議修建魁北克大橋，直到1887年，該橋的建設才提上議事日程，并成立魁北克大橋委員會，后來加拿大國會通過一項法案，重組該委員會形成魁北克大橋公司，擁有資本100萬美元并有權發行債券。盡管如此，公司仍面臨很大的資金壓力，需要更多政府撥款。初步勘察工作完成后，魁北克政府又給予了經濟資助。經過多年爭論后，1898年橋址選定為首迪埃爾，并開始進行橋梁方案設計。

1897年6月16日，魁北克大橋公司總工程師愛德華·霍爾向他的朋友——鳳凰橋梁公司總裁大衛·里夫斯發出邀請。1897年，在魁北克召開的美國土木工程師協會（ASCE）會議上，鳳凰公司總工程師約翰·迪斯與愛德華·霍爾見面，并提議：鳳凰公司免費提供橋梁方案，但施工必須由鳳凰公司承擔。在此次會議上，西奧多·庫珀也答應向魁北克大橋公司提供咨詢服務。主要參與橋梁施工及與垮塌有關的工作。

魁北克大橋公司總工程師愛德華·霍爾，沒有參與跨度超過90米的橋梁設計經驗，1903年，魁北克鐵路橋梁公司請了當時最有名的橋梁建筑師美國的特奧多羅·庫帕來設計建造。庫珀是紐約市一名獨立咨詢師，也是當時美國最出色的橋梁工程師之一。對于庫珀來說，這個項目也將是他的職業頂峰，因為魁北克橋跨度將超過英國福斯橋。佩特羅斯基（1995）指出庫珀很有資格主持這個項目，因為他是鋼橋建設的奠基人，提出的橋梁鐵路荷載的計算方法也被廣泛采用。

魁北克橋采用了比較新穎的懸臂構造，于1867年首次使用，其典型形式是主墩一個方向伸出懸臂跨，由另一方向的錨臂跨平衡。跨中用簡支懸跨連接形成整體結構，簡支中跨和懸臂跨自重通過錨臂跨和抗拔墩來平衡。

庫珀收到6份上部結構設計方案，2份下部結構方案，審查后選擇了鳳凰公司的懸臂橋方案。整個過程中，鳳凰公司一直都與庫珀保持著聯系（Holgate et al.1908），且魁北克大橋公司也傾向于鳳凰橋梁公司中標（Tar kov 1986）。這些都讓人感覺至少招標過程不公平和不透明，盡管很多人信任庫珀（Holgate et al.1908）。

鳳凰橋梁公司得到上部結構施工合同，戴維斯公司得到下部結構施工合同。但因財務原因，鳳凰橋梁公司拒絕與魁北克橋梁公司簽合同，使魁北克公司面臨相當大的風險。1903年政府資金到位，財務問題解決，當年6月19日才最終簽署了合同，魁北克橋梁公司也更名為魁北克橋梁和鐵路公司。

魁北克大橋是當時最長的懸臂梁結構，懸臂達171.5米，兩懸臂間支撐205.7米簡支懸跨，梁體離河面45.7米，初始設計主跨487.7米。1900年5月，庫珀將主跨增加到548.6米，避免深水墩和冰棱撞擊，縮短橋墩施工時間。雖然跨度改變表面上是基于工程技術考慮，但跨度增加（以超過英國福斯橋）使庫珀成為建造全世界當時最長懸臂梁橋的工程師也是事實（Petroski 1995；Middleton 2001）。

魁北克橋于1900年10月2日正式開工。橋墩由大塊花崗巖與混凝土填料組成，高度在最高水位之上約8米。墩頂以下5.8米的墩身用堅硬花崗巖，墩身設計成坡度為1/144的錐形，墩頂截面為9.1米×40.5米，墩身基礎為長45.7米、寬14.9米、高7.6米的混凝土沉箱，重達1600噸。

鳳凰公司與魁北克橋梁公司簽署合同后，1903年完成引橋施工，但直到1905年7月22日才開始橋梁上部結構施工。鳳凰橋梁公司許諾1908年底竣工，否則支付給魁北克橋梁公司5000美元／月的違約金，直到工程完工。

這座大橋本該是特奧多羅·庫珀的一個真正有價值的不朽杰作。庫珀曾稱他的設計是“最佳、最省的”，可惜，它沒有架成。庫珀自我陶醉于他的設計而忘乎所以的把大橋的長度由原來的500米加到600米，以成為世界上最長的橋。然而這一杰作卻因存在設計問題，自重過大橋身無法承擔而發生了重大事故。1907年8月29日，悲劇發生了，下午5點32分，正當投資修建這座大橋的人士開始考慮如何為大橋剪裁時，人們忽然聽到一陣震耳欲聾的巨響——主跨懸臂已懸拼至接近完成時南側一下弦桿由于綴條薄弱等原因而突然壓潰，導致懸臂墜入河中。19000噸鋼材以及當時正在橋上作業的86名工人落入水中，由于河水很深，工人們或是被彎曲的鋼筋壓死，或是落水淹死，共有75人罹難。由于庫珀的過分自信而忽略了對橋梁重量的精確計算，導致了這場事故。

橋梁垮塌全過程

鋼桁梁架設過程中，工人發現一些弦桿出現明顯撓曲。當試圖鉚接這些弦桿時，發現鉆孔排列并不在直線上，而且最不利受壓桿件也出現了明顯的彎曲變形，其撓度隨時間的推移不斷增加，橋梁倒塌前的最后一張照片如圖2所示。節間編號從懸臂最外端開始到橋墩為止，從1～10，錨臂跨采用符號“Ａ”，例如符號“Ａ9Ｌ”弦桿是位于錨臂跨第9節間左側（或西側）的弦桿。一些關鍵弦桿實測變形如表1所示。

1907年6月中旬就發現桿件撓度，并報告給庫珀。因為壓桿有預拱度，大部分桿件經強行被鉚接在一起了，仍然有一些桿件無法鉚接。庫珀等人都認為相對小的撓度問題不大。8月，變形的弦桿越來越多，于是庫珀就弦桿7Ｌ和8Ｌ變形問題，詢問鳳凰公司總工程師，沒有得到滿意的回復。

鳳凰公司總設計工程師彼得·茲拉普卡（Peter Szlapka）認為弦桿彎曲產生于制造工廠，他后來承認從沒看到這些變形的弦桿。馬可魯爾（Norman McLure）認為弦桿是受壓后彎曲。關于弦桿7Ｌ和8Ｌ彎曲的爭論還沒結束，馬可魯爾又向庫珀報告弦桿8Ｌ和9Ｌ也發生了類似的彎曲變形。這些變形桿件都是橋墩附近負彎矩區的下弦桿件，壓力荷載很大。

情況不斷惡化，受壓構件彎曲變形不斷增加。這些桿件都是采用綴條連接腹板的組合桿件。當腹板應力增加后，綴條及鉚釘的受力也不斷增大。

庫珀認為弦桿在架設過程中產生了彎曲，但現場沒有證據支持這一點。現場的工程師則認為情況不嚴重。桿件制造商堅稱，桿件出廠前都是符合要求的。1905年施工期間A9L架設前發現變形，經修復后架設到橋上，但后來調查發現正是A9L引發了全橋垮塌。

庫珀雖然很有經驗，但似乎也對面臨的問題很困惑。他60歲接受了魁北克大橋工程咨詢工程師的工作，也接受了鋼構件制造和安裝的監理工作。因健康原因，他無法到現場工作，只能基于其他人報告的信息來做決定。庫珀依賴在施工現場的年輕工程師馬可魯爾，很難準確及時做出決策（Petroski 1995；Middleeton 2001）。

馬可魯爾堅持認為，桿件彎曲變形是架設后受力過大造成的。一些工人也觀察到弦桿變形，但沒報告。然而，當馬可魯爾和庫珀對變形原因的看法不一致時，馬可魯爾沒有足夠信心去質疑庫珀，施工繼續進行。期間出現罷工，一些工人不滿工作條件辭職了，工人數量大幅度減少。有人擔心暫時停工會有更多工人離開，導致工期延誤，因此不敢停工。

經過常規檢查后，弦桿A9L的撓度在兩周內由19毫米增至57毫米。相應的弦桿A9R也在同一方向上發生彎曲變形，撓度問題日益嚴重。一個工頭決定暫停工作，直到問題解決。1907年8月27日，當天施工被叫停。馬可魯爾告訴庫珀，請他復核此事，然后才能重新開工。第二天，馬可魯爾還到紐約向庫珀征求意見。

魁北克大橋公司總工程師愛德華·霍爾說服工頭重新開工。霍爾給庫珀的解釋是：“停工對各個方面影響很壞，可能導致人手不夠而施工完全停止。兩天后，此事傳到鳳凰公司高層，經討論決定重新開工，因為他們已經在某種程度上默認弦桿在架設前已經發生彎曲變形，且鳳凰公司總工程師曾表示，弦桿安全系數很高。

與此同時，馬可魯爾正在紐約與庫珀會晤，兩人都不知道已經重新開工。1907年8月29日，兩人簡短討論后，庫珀打電話給位于鳳凰城的鳳凰公司辦公室，要求暫時不要加載，等馬可魯爾到現場處理。庫珀認為這樣做比直接通知施工現場更迅速。馬可魯爾向庫珀保證，他在去鳳凰城的路上將指令傳給施工現場，而實際上趕路途中他并沒有發送指令。

1907年8月29日13：15，庫珀的指令到達鳳凰公司辦公室，因總工程師不在場，指令被耽擱了。15：00，鳳凰公司總工程師回到辦公室，看到消息后，等馬可魯爾到達后他就安排了一個小組會議。17：15左右馬可魯爾到達，他簡要討論了情況，決定等第二天早上再采取措施。

在工程師們研究對策時，17：30，魁北克大橋倒塌了，聲音傳到10公里外的魁北克。整個南跨約19000噸鋼材15秒內全落到河里，當時86個施工工人，僅11人幸存。

已經彎曲的下弦桿A9L，在橋梁荷載不斷增加的情況下屈曲了，荷載馬上轉移到對面的A9R桿件，A9R也隨之屈曲，然后全橋垮塌，只有橋墩完好無損。

事故調查結論

加拿大組成了皇家委員會，調查事故原因，委員包括蒙特利爾的亨利·霍爾蓋特，貝爾福德的約翰·克里和多倫多的約翰喬治·蓋爾克里。調查發現：垮塌直接原因是弦桿A9L和A9R屈曲，主要原因簡述如下：

（1）魁北克大橋坍塌是因為主橋墩錨臂附近的下弦桿設計不合理，發生失穩。

（2）桿件采用的容許應力水平太高。

（3）嚴重低估了自重，且未能及時修正錯誤。

（4）魁北克橋梁和鐵路公司與鳳凰橋梁公司的權責不明。

（5）魁北克大橋和鐵路公司過于依賴個別有名氣和有經驗的橋梁工程師，導致了橋梁施工過程中基本上沒有監督。

（6）鳳凰橋梁公司的規劃和設計，制造和架設工作都沒有問題，鋼材的質量也很好。不合理的設計是根本性錯誤。

（7）當時的工程師不了解鋼壓桿的專業知識，沒能力設計如魁北克橋那樣的大跨結構。

橋梁垮塌原因分析

1.工程技術

（1）一般懸臂梁橋上下弦桿都設計成直桿，這樣容易制造。魁北克橋下弦桿出于美觀考慮，設計成微彎（圖2），增加了制造難度，也增大了桿件次應力，降低了屈曲強度。

（2）架設過程中連接節點設計不當。所有桿件端部設計，是基于桿件在最大荷載作用下產生小撓度。弦桿的拼接板采用栓連接，可以產生較大變形。開始時這些接頭只有一端緊密接觸，除非變形足夠大，否則拼接板無法傳遞荷載。從這一點上看，拼接板應該永久鉚接，形成剛性接頭，承擔軸向荷載。因此在拼接板鉚接前，必須特別關注這些節點。

（3）除了設計問題，庫珀提高了橋梁容許應力，正常加載的容許應力為145MPa，極限荷載作用下為165MPa。這些值太高，因此被橋梁工程師質疑。但由于庫珀的聲譽，這個容許應力值被接受。庫珀根據桿件長細比（L／r），提出了一個容許應力σ公式：

　　σ＝165－0.69（L／r）          （1）

式中：L為壓桿長度；r＝√I／A；I為慣性矩；A為桿件面積。

圖4為庫珀公式與現代AISC規范中A36和A33鋼材的容許應力值比較。對于所有長細比為10～100的桿件，庫珀的容許應力值超過今天常用值的3.3%～8.7%。考慮到當時鋼材質量和壓桿認識水平，庫珀的公式偏于不安全。

魁北克橋是大跨結構，當時對其力學行為知之甚少，且魁北克橋梁公司缺乏資金進行充分試驗。庫珀曾要求對眼桿（主要的受拉上弦桿）進行大量試驗，而沒要求對壓桿進行試驗。

跨度從487.7米增加到548.6米，荷載卻沒有重新計算，應力計算仍是基于487.7米的跨度。庫珀發現這個錯誤后立即做了估算，發現應力增加了約7%。重新計算自重，發現應力增加超過10%。這座橋初始設計自重是276MN（2760噸），實橋為325MN（3250噸），增加了18%（Tar kov 1986）。鳳凰公司和魁北克公司的工程師都忽視了修正自重的必要性，結果架設后桿件受力過大。

根據皇家委員會報告，表2比較了自重的計算值與實際值，說明了橋梁計算中存在基本錯誤。正確的橋梁計算結果應與實際情況很接近。當發現自重計算錯誤時，結構的很大部分制造和架設工作已經完成。除了提高橋梁容許應力外，庫珀沒有其他選擇。

2.工程管理

庫珀不在現場，卻堅持要完全控制施工。當時施雷伯建議鐵路和運河管理局聘請第三方咨詢工程師復核庫珀的工作，并擁有最終決定權，而庫珀、魁北克大橋公司和鳳凰公司都表示反對。庫珀還親自說服了施雷伯，于是魁北克大橋公司未能明確庫珀的權限。

由于沒有明確的管理體系，庫珀擁有了最終決定權。盡管生病無法到施工現場，仍決定所有關鍵問題。于是施工現場沒有人監督和做決定，特別是當結構不安全需要停工時。一旦有需要，現場管理人員應彼此商量，然后做出決定，這樣很少會出現決定延遲執行的情況。皇家委員會調查報告中寫道：很明顯，這座世界上最宏偉橋梁的建造過程中，竟然沒有一個有足夠經驗、專業知識和能力的人應對可能出現的危機。

調查委員會懷疑壓桿A9L由于其格構設計不合理而屈曲，于是在1907年11月到1908年1月進行了壓桿（1／3比例）模型試驗。魁北克橋壓桿由4塊鋼板和綴條組成，形成組合截面（圖5）。由于鉚釘受剪破壞，試驗中格構體系迅速破壞，接著弦桿便屈曲了，結果證實了調查委員會的猜想：弦桿強度不夠。4個獨立鋼板彼此連接強度不夠，無法形成一個整體受力單元。

魁北克橋垮塌事故后，進行了前所未有的大規模壓桿及連接的試驗和研究，推動了工程領域的重大進步，橋梁規范也得以發展（Shepherd and Frost 1995）。

同時也推動了兩個組織的成立：1914年成立了AASHTO（美國國家公路和運輸協會），1921年成立了AI SC（美國鋼結構研究協會），這些組織通過資助（企業無法自行承擔的）研究，促進工程領域的發展（Roddis 1993）。

魁北克橋還涉及以下幾個工程管理問題。首先最主要的是長時間以來結構變形情況一直被忽視。現場工程師對其原因也爭論很久。工人們雖然缺乏專業的技術知識，但似乎是唯一真正知道橋梁結構問題的群體，因此工程師必須虛心聽取現場有經驗工人的意見。其次是庫珀拒絕其他工程師的復核工作。復核后工程師可能不會允許結構的實際應力如此之高，而其他一些錯誤，如低估自重等可能在橋梁垮塌前就被發現。結果，庫珀的工程專業知識成為保證橋梁結構安全性的唯一因素（1993 Roddis）。

第二次垮塌事故

魁北克橋第一次垮塌后，政府提供資金進行新橋的設計和施工。新橋設計很保守，構件尺寸急劇增加，舊橋的受壓控制構件截面積為543000平方米，而新橋為1250000平方米。重新施工過程中也遇到了問題，1916年發生了第二次垮塌。施工中通過駁船來運輸及提升懸臂中跨，而非懸臂拼裝，因此懸臂長度減少了，桿件受力也減小了。懸臂中跨長195米，超過5000噸，需提升至水面46米的設計位置。1916年9月合龍跨預制完工后，船運至橋址處，固定駁船后，提升作業開始。首先是合龍跨四角連接于吊桿，隨后用液壓千斤頂按每步60厘米提升，當升至水面9米時，有個角的支點突然斷裂，其他支點無法承擔全部荷載，產生了扭曲和變形，整跨落進河里，13名工人死亡，原因歸結為連接細節強度不夠。新橋終于在1917年竣工，自重超過舊橋2.5倍。

結論

魁北克橋歷經磨難，開工即面臨著嚴重的資金問題，工程進度延誤。當確定自重的計算錯誤后，沒有采取合理的措施。在整個項目進行過程中，當結構安全和經濟性發生矛盾時，以降低結構安全性來解決矛盾。咨詢工程師庫珀做了絕大部分錯誤的工程決策，他因健康問題無法現場工作，導致現場管理混亂。當變形越來越嚴重時，說明整體結構在逐步失效，現場的工程師可能已經意識到問題的嚴重性而應該停止施工，但他們缺乏自信和權力去質疑庫珀的判斷，沒有要求停工，導致悲劇發生。

1917年，在經歷了兩次慘痛的悲劇后，魁北克大橋才終于竣工通車。

1922年，在魁北克大橋竣工不久，加拿大的七大工程學院一起出錢將建橋過程中倒塌的殘骸全部買下，并決定把這些親臨過事故的這些鋼材打造成一枚枚戒指，發給每年從工程系畢業的學生。然而由于當時技術的限制，橋梁殘骸的鋼材無法被打造戒指。于是這些學院只好用其它鋼材代替。不過為了體現是代表橋坍塌的殘骸，戒指被設計成被扭曲的鋼條形狀，用來紀念這起事故和在事故中被奪去的生命。于是，這一枚枚戒指就成為了后來在工程界聞名的工程師之戒。這枚戒指戴在右手小拇指上，制作圖紙的時候咯著手指，時刻提醒著工程師們，要具有高度的責任感去設計安全、牢固和有用的結構。

魁北克橋東起大西洋岸哈利法克斯、西至太平洋岸魯珀特王子港的鐵路干線上，是一座公路鐵路兩用橋。這座橋全長986.9米,主跨跨度548.64米，中間掛孔長195.1米，邊跨各長156.97米，因其177米的懸臂支承著195米長的中間段構成主跨，迄今為止，該橋仍保持著世界第一的懸臂梁橋跨徑記錄。

由于命運多厄，1987年，魁北克橋被加拿大和美國社會土木工程師學會宣布為歷史紀念建筑。1995年9月1日加拿大郵政發行《橋梁》郵票一套4枚，其一為魁北克橋。1996年1月24日，該橋成為加拿大國家歷史遺址。

1966—1970年，在魁北克大橋的旁邊，又造了一座新的斜拉橋，一開始稱“新魁北克大橋”，后改名為皮埃爾·拉波特大橋，可能是忌諱“魁北克大橋”這幾個字不吉利吧。