在湘西腹地，有一项让人热血沸腾的奇迹工程——矮寨大桥。这座大桥横跨德夯大峡谷，以其令人惊叹的设计和结构，成为世界悬索桥的典范，成为我国交通建设的一张闪亮名片。近日，这座大桥因螺丝断裂问题备受关注。
桥梁概况
矮寨特大悬索桥（简称“矮寨大桥”）位于湖南省湘西州吉首市，2007年开始动工建设，2012年3月建成通车，是包茂高速（G65）上横跨德夯大峡谷的特大桥。矮寨大桥为钢桁架单跨悬索桥，主跨1176米，桥面宽度24.5米，桥面高度距峡谷底部355米。该桥建设创造了“四个世界第一”，展现了人类以工程技术征服自然险情的勇气和胆识，被誉为桥染建筑艺术与自然景观相结合的典范。值得一提的是，全桥共使用螺栓47万个！
该桥创造了四项世界第一：双索塔跨度达1176米，为世界跨峡谷最大跨度；首次采用塔梁完全分离的结构设计方案；首次采用岩锚索结构，并以碳纤维作为预应力筋；首次采用“轨缆滑移法”架设钢桁架。
网友质疑
近日，一名游客在矮寨大桥行走时，意外发现几颗螺丝断裂。这原本只是一起小事故，但工作人员的回应却让事件升级。“掉三成也没事。”这句话犹如重磅炸弹，迅速在社交网络上传播开来。
人们不禁要问：为什么这么多螺栓断裂？这些螺栓有没有得到妥善检查和维护？如果连路过该地区的普通市民都能注意到这个问题，那么维修队难道不应该早就采取行动吗？
专业讨论
对于矮寨大桥螺栓断裂事件，浙江交通职业技术学院教授、教育部公路水路钢结构桥梁应用协同创新中心主任赵伟等专业人士从网络视频中初步判断，矮寨大桥螺栓断裂极有可能为应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂是指正常延性材料在静态拉应力和特定化学介质的共同作用下，经过一段时间后，因电化学腐蚀而发生早期低应力脆性延迟破坏的现象，且非结构应力超过设计强度。
螺栓断裂原因分析：
据分析，螺栓失效的原因主要有疲劳断裂、脆性断裂、过载断裂和氢脆断裂四种。螺栓断裂往往不是由于单一因素引起的，通常有一个诱发因素，可能来自螺栓生产缺陷、安装施工不规范，或疏于维护。例如，螺栓开始时是松动的，松动导致预紧力不足，将引起整个法兰面的微位移，甚至导致侧剪损坏。在周期性力的作用下，发生腐蚀，加速裂纹扩展，进一步引起松动，形成一个循环。
例如，异常应力也可能导致损坏和腐蚀的恶性循环，逐渐导致整个螺栓断裂。因此，螺栓断裂并不是突然发生的，而有一个相对较长的过程。经过一番分析，可以看出，整个螺栓断裂最常见的地方是螺母和螺杆横截面相交的第一个扣环。在这个位置断裂的概率约为65％，在有轴的地方断裂的概率为25％。
如果螺栓断裂后重新安装，会发生什么情况？如果断裂30%的螺栓，桥梁的安全会不会有问题？高强螺栓缺失后，在高强螺栓节点处，高强螺栓所受的力会重新分布，就像拔掉牙齿的嘴，要重新调整咀嚼力。高强螺栓重新安装后，节点的力学性能会发生哪些变化？规范中并没有明确的指导。针对这一问题，赵伟团队利用MIDAS Civil和ANSYS，建立多尺度有限元模型，进行了试验。
多尺度有限元模型示意图
为了探究高强螺栓重新安装后节点传力性能的变化，采用对高强螺栓预紧力的加载和卸载来模拟高强螺栓的损失和安装过程。由于高强螺栓断裂后预紧力消失钢结构脆性断裂，力不再通过摩擦传递，而是直接由腹板承担，螺栓孔附近腹板的应力重新分布。提取距高强螺栓孔13mm路径上节点板的应力，发现腹板的Mises应力沿合外力方向增加约20MPa。当重新安装高强螺栓时，应力水平有所降低，但不能恢复到之前的水平。当然，这是可以接受的范围。
高强螺栓更换前后节点板应力变化
当某一排高强螺栓缺失时，该排高强螺栓的传力比减小，而相邻排高强螺栓的传力比增大。高强螺栓重新安装后，各排高强螺栓的传力比与缺失状态相比没有变化，此时各排高强螺栓的传力比与安装初期相比更加均匀。从设计经验看，随着荷载的增加，各排高强螺栓的传力比由“马鞍形”变为平均，因此更换高强螺栓后，传力比受影响较小。
各排高强螺栓传力比变化
从以上试验可以看出，若缺失少量高强螺栓后再安装，腹板局部应力会略有增加，但对节点传力性能影响较小。当发现高强螺栓断裂时，及时安装高强螺栓，结构质量可控。但如果缺失30%的高强螺栓，可能并不只是局部节点受力性能的变化，是否会影响整体结构还不得而知，需要针对具体情况具体分析。
如何防止螺栓断裂
如何防止桥梁螺栓断裂，赵伟等专家建议：
（1）按规定每年进行一次螺栓专项检查，管理人员应积极与有关专业技术人员研讨，查找薄弱环节，重点关注结构安全。
国家强制性标准《组合结构通用规范》GB 55004-2021：对暴露在公共场景中的高强度螺栓节点，应至少每年进行一次螺栓安装状态的专项检查。交通部规范《公路桥梁结构监测技术规范》JT/T1037-2022：可采用视频成像方法对螺栓滑移（节点板滑落、螺栓脱落）进行监测。
（2）利用信息技术解决锚杆施工数字化问题，提高锚杆施工质量，避免锚杆超应力施工
利用信息技术，扳手每拧紧一个螺栓，就会上传一组数据，系统自动判断螺栓施工质量是否符合规范要求，可以大大提高施工质量。
（3）重视螺栓产品的涂装，提高其耐腐蚀性能；重视螺栓接头处的密封施工，隔绝外界湿气，减缓螺栓生锈。
类似情况处理
1.菜园坝大桥
菜园坝大桥主桥全长1741m，主桥长800m，跨度为88+102+420+102+88m，为公铁两用预应力Y型刚构中承式钢箱系杆拱桥，主跨度为世界同类桥梁中之最大。菜园坝大桥主桥钢桁梁区域采用高强螺栓约25万套，自2007年通车以来，已发现两次断裂、坠落事故。
经咨询桥梁设计单位后发现，单节点板高强螺栓具有较大的安全冗余储备，个别缺陷不会对板结构安全造成重大影响，建议及时发现、修复，避免螺栓脱落砸人。
2. 瑞安五桥
2023年6月17日，瑞安五桥发生一处螺栓断裂，经检查确认，脱落螺栓位于A13段拱肋连接处，该处共有22颗高强度螺栓。
经与原设计单位及现场桥检专家协商，认定螺栓断裂并非因其应力超过设计强度引起，而是由于高强螺栓发生延迟断裂而引起。当发生延迟断裂时，螺栓的应力水平往往不高且难以预测，对桥梁承载力影响较小，桥梁结构整体安全性可控。
3.奥克兰海湾大桥
新西兰奥克兰海港大桥是连接奥克兰中心商务区与北部地区的重要通道，大桥于1959年建成通车，主桥及引桥全长1100米，共设4条车道，主桥为钢桁架结构，主通航跨度244米，钢筋混凝土沉箱基础。
2013年3月，新奥克兰海湾大桥支撑座的剪力螺栓在拧紧3至10天后，96个剪力螺栓中有32个断裂，断裂位置位于混凝土桥墩内部的螺栓顶端。
2020年9月18日，一阵时速127公里的狂风将一辆在桥面上正常行驶的空货车掀翻，翻倒的货车靠在侧面护栏上，撞上了大桥的主体结构——主桁的斜腹板。斜腹板与下弦连接的节点及用于连接的螺栓全部被破坏。横截面和金相分析显示，样品螺栓在破坏前未出现明显的疲劳裂纹，断口均呈现典型的剪切破坏形貌。
旧金山-奥克兰海湾大桥委员会成立了调查组，对螺栓断裂事件进行调查，以确认新奥克兰海湾大桥所有螺栓的安全性能，并得出以下结论：
（1）断螺栓为2008年生产，表面硬度较高，组织不均匀钢结构脆性断裂，可能产生氢脆现象。
（2）鞍座螺栓断裂后，可通过加装钢鞍座来补强其屈服强度不足的部分，桥梁运行安全。对其他完好螺栓进行了详细检查，确认近期不会发生氢脆现象。
（3）螺栓的应力腐蚀开裂可能在几年甚至几十年后发生，但目前并不影响桥梁的安全运行。
