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隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論的逐漸完善，以及建造材料、施工技術(shù)、管理水平的進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)整體破壞的事故似乎越來越少發(fā)生了。不過，以鋼材建造的大跨度空間結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)愈加精細(xì)輕巧、結(jié)構(gòu)冗余度低，因種種意外、或者設(shè)計(jì)缺陷而坍塌的事件仍然時有發(fā)生。小i結(jié)合三個空間結(jié)構(gòu)破壞的案例，從破壞原因、破壞形式的角度加以解讀，引以為鑒。 1. 整體失穩(wěn) 19世紀(jì)后半葉，鐵木辛柯最早證明了穹頂殼體的壓曲荷載與殼體厚度、材料彈模成正比，與殼體半徑成反比，即q=C*Et/R ，他給出的系數(shù)C=0.6。按此公式計(jì)算鋼筋混凝土穹頂?shù)暮穸确浅Ｐ?。打個比方，將雞蛋殼視為薄殼結(jié)構(gòu)，它的厚度是跨度的1/100；而一般混凝土薄殼厚度大約是跨度的1/300。當(dāng)時穹頂是實(shí)現(xiàn)大跨度建筑空間的主要方法，在我們大師系列的文章中有過許多案例介紹。 用混凝土建造穹頂?shù)氖┕だщy、木模板造價高。人們便嘗試使用強(qiáng)度更高的鋼鐵，建造更加輕巧的穹頂。但是設(shè)計(jì)師們忽略了一點(diǎn)，離散的鋼構(gòu)件不像混凝土薄殼單元那樣連續(xù)、各向同性。由于錯誤地、過于簡化地沿用了經(jīng)典混凝土薄殼理論，發(fā)生了幾起嚴(yán)重的倒塌事故，例如查爾斯.威廉郵政學(xué)院劇院穹頂，以及布加勒斯特穹頂，以致于在一段時間內(nèi)單層鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼被視為禁區(qū)。 羅馬尼亞布加勒斯特穹頂 羅馬尼亞布加勒斯特穹頂1961年建成，跨度約93.6米，矢跨比約1:5。鋼管桿件構(gòu)成的單層網(wǎng)殼，網(wǎng)格呈等邊三角形式，支承在沿圓形周邊布置的混凝土柱上。在網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)處有三個方向鋼管匯交，如何連接？ 三角形網(wǎng)格 工程師設(shè)計(jì)了一種用金屬絲綁扎的方式。這種連接方式使構(gòu)件都能貫通，大大簡化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、節(jié)省了組裝成本。 鋼管匯交節(jié)點(diǎn)的綁扎作法 完工的穹頂非常輕，自重和附加恒載僅55kg每平米。設(shè)計(jì)荷載還包括風(fēng)、均布和非均布的雪荷載、豎向地震、檢修活載等。荷載考慮得比較全面，取值也基本正確。 然而，1963年1月，穹頂在僅僅1/3設(shè)計(jì)雪荷載的作用下，發(fā)生了整體失穩(wěn)。“穹頂沿著經(jīng)線方向出現(xiàn)多條波峰波谷，像一個倒轉(zhuǎn)的盤子一樣塌了下來，而鋼管桿件幾乎絲毫未損?！?/span> 布加勒斯特穹頂?shù)氖Х€(wěn)形態(tài)
事故調(diào)查表明，穹頂整體失穩(wěn)有兩個主要原因： 1）鋼管匯交節(jié)點(diǎn)采用的綁扎方式，不能限制桿件間的轉(zhuǎn)動，甚至也可能相對滑動，大大降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。正是由于桿件間發(fā)生轉(zhuǎn)動，穹頂呈現(xiàn)“波浪”形狀的整體失穩(wěn)。在這個失穩(wěn)模態(tài)下，本來應(yīng)該受拉的環(huán)箍并沒有起作用，甚至局部處于壓彎狀態(tài)。 2）根據(jù)簡化的薄膜理論設(shè)計(jì)，鋼網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定承載力過低。鐵木辛柯公式中系數(shù)C=0.6，是基于某些假定的理想狀態(tài)而得到的。后來馮.卡門與錢學(xué)森推導(dǎo)出C應(yīng)取0.366 (注：Butler公司設(shè)計(jì)查爾斯淺殼時取0.366，查爾斯淺殼于1978年在不均勻雪荷載作用下倒塌，詳見倒塌案例-與自然的抗?fàn)幰晃模?shí)際上，考慮初始缺陷、材料彈塑性、施工因素后，C可能僅為0.2甚至更低。 我國空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)規(guī)范中將彈性屈曲的安全系數(shù)K取為4.2，正是考慮了實(shí)際工程中的各種不利因素和不確定性。布加勒斯特穹頂按彈性分析的安全系數(shù)K僅為2，與規(guī)范認(rèn)可的承載力相差甚遠(yuǎn)。
2. 構(gòu)件失穩(wěn) 哈特福德體育館：三層網(wǎng)架網(wǎng)架 哈特福德體育館的結(jié)構(gòu)形式為類似正放四角錐的空間網(wǎng)架，由屋蓋四角的立柱點(diǎn)式支承，跨度91x110米，網(wǎng)格尺寸約9米(偏大)。工程師將屋面板支托設(shè)在網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)，既有利于控制屋面排水坡度，也使得上弦桿不必承受節(jié)間彎矩。 自從貝爾提出網(wǎng)架四角錐單元的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并用于建造瞭望塔以后，網(wǎng)架這種效率高、穩(wěn)定性好的形式被廣泛用于大跨度空間結(jié)構(gòu)。[注：此貝爾正是發(fā)明電話的Alexander Graham Bell。] 與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)架一般不會發(fā)生整體失穩(wěn)。 網(wǎng)架的上弦桿件是由四塊角鋼組成的十字形截面，施工組裝十分方便，節(jié)省造價。網(wǎng)架拼裝時，考慮到施工便利性，對設(shè)計(jì)作了修改，將斜撐與十字截面的弦桿通過節(jié)點(diǎn)板偏心連接。網(wǎng)架構(gòu)件組裝后，安裝設(shè)備管道，然后將屋蓋整體提升。 十字形截面的弦桿，以及與腹桿節(jié)點(diǎn)
哈特福德體育館建成后安然屹立了五年，似乎一切都沒有問題。但是，有兩點(diǎn)“瑕疵”讓人感到不安。 1）由于體育館的跨度大、支承點(diǎn)少，網(wǎng)架需求的厚度較大。為了減小受壓上弦桿和腹桿的計(jì)算長度，設(shè)計(jì)者在上下弦之間增加了一層水平系桿和二級斜撐。但是結(jié)構(gòu)師忽視了網(wǎng)架邊界處，二級斜撐沒有減小上弦桿在斜撐平面外的計(jì)算長度，上弦穩(wěn)定性沒有得到改善。
2）弦桿截面和連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)雖然便于施工，但十字形截面的抗扭剛度很差，并且斜撐與弦桿的連接節(jié)點(diǎn)存在較大的偏心。體育館的結(jié)構(gòu)師注意到了這一缺陷，于是用計(jì)算機(jī)驗(yàn)證方案(當(dāng)時計(jì)算機(jī)剛剛被用于結(jié)構(gòu)計(jì)算，是最先進(jìn)的分析技術(shù))。然而，計(jì)算機(jī)沒有給出警告提示，這讓結(jié)構(gòu)師更加自信，以至于后來體育館表現(xiàn)出的危險信號也被忽視了（網(wǎng)架提升后，監(jiān)測的撓度是計(jì)算值的2倍）。
哈特福德體育館，于1978年1月，在持續(xù)暴風(fēng)雪的夜里，屋蓋網(wǎng)架整體垮塌。所幸當(dāng)時場館內(nèi)沒有人，1400噸鋼材、石膏板吊頂和建筑屋面砸在1萬個空座位上。 壓屈的上弦桿 事故調(diào)查的結(jié)論主要如下： 1）雖然降雪持續(xù)了大概2個星期，但垮塌時的雪荷載仍小于規(guī)范值，不存在超載問題。 2）工程師在計(jì)算模型中，將網(wǎng)架邊界上弦桿的計(jì)算長度錯誤地指定為網(wǎng)格長度的一半，即將構(gòu)件穩(wěn)定承載力高估了約4倍。在節(jié)點(diǎn)偏心力的作用下，構(gòu)件承載力進(jìn)一步降低。 3）邊界處的一根十字形截面上弦失穩(wěn)后，周邊桿件沒有足夠的冗余承載力抵抗重新分配的內(nèi)力。像多米諾骨牌一樣，網(wǎng)架由外向內(nèi)漸近式地倒塌了。(令人惋惜的是，只要增加不到50根附加撐桿，哈特福德體育館就能避免災(zāi)難。) 至于上弦桿是壓彎失穩(wěn)還是彎扭失穩(wěn)，專家們意見不一。在此引用陳紹蕃老師《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》中一段：“桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定簡化假設(shè)和典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時才能正確使用… 失穩(wěn)破壞是脆性的… 按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068規(guī)定，脆性破壞構(gòu)件的可靠指標(biāo)比延性破壞者提高一級，即β值由3.2提高至3.7，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中給予判斷把握?！?/span>
3. 剛度 剛度是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。 我國空間結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定網(wǎng)架撓度與跨度的限值是1/250。當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度很大，而豎向剛度偏小時，屋蓋撓度的絕對值很大，引起一種有害效應(yīng)--“水平屋頂?shù)乃鼗?Ponding)”。 水平屋頂?shù)乃鼗?Ponding)：常規(guī)屋蓋的中心撓度最大(排水孔在常布置在周邊)，下凹的變形使積水匯集，其產(chǎn)生的荷載使撓度增加，進(jìn)而產(chǎn)生更多積水。當(dāng)積水荷載達(dá)到某一臨界值時，這種惡性循環(huán)會造成屋蓋結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。空間鋼結(jié)構(gòu)和輕型屋面的自重一般很小，總計(jì)約100~200kg每平米，僅相當(dāng)于10~20cm的積水重量。
肯普體育館Kemper Memorial Arena，1973年建成，是一座有重要意義的建筑，于1976獲得美國建筑學(xué)會榮譽(yù)獎?wù)隆Ｋ目偝叽缂s110米x99米，由三個巨型的鋼結(jié)構(gòu)空間桁架吊掛屋面。巨型桁架間距47米，跨度99米，之間的二級結(jié)構(gòu)是平面鋼桁架，間距16米。第二級平面桁架之間再布置第三級桁架檁條，間距2.7米，上面再鋪設(shè)壓型鋼板組合板作為屋面。結(jié)構(gòu)和建筑屋面共計(jì)130kg每平米。 體育館的排水孔布置在周邊，1.2萬平米的屋蓋僅有8個127mm的落水管(實(shí)際需65個以上)，設(shè)計(jì)的排水能力嚴(yán)重不足。
屋蓋結(jié)構(gòu)布置 1976年6月，肯普體育館因豎向剛度不足，4級主次結(jié)構(gòu)加劇了水池化效應(yīng)，在一場暴風(fēng)雨中坍塌。
水平屋頂?shù)乃鼗?/span> 對于常見的主次梁結(jié)構(gòu)，人們已推導(dǎo)出水池化公式，在規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)撓度內(nèi)可以規(guī)避。我們計(jì)算次梁撓度時，會扣除次梁端點(diǎn)的位移。但是，對于四級結(jié)構(gòu)，即使構(gòu)件每級的相對撓度都滿足規(guī)范，屋面最低點(diǎn)相對支座的絕對位移是很大的。肯普體育館有巨型桁架、次桁架、檁條桁架和屋面板4級結(jié)構(gòu)，其水池化臨界積水深度僅62.7mm，實(shí)際積水最大達(dá)229mm。 吊掛節(jié)點(diǎn)圖，上端鉸接，而下端剛接 體育館的吊掛節(jié)點(diǎn)也存在設(shè)計(jì)缺陷，成為結(jié)構(gòu)破壞的起始點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)上端鉸接，下端用法蘭連接。當(dāng)屋面撓曲時，法蘭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生次內(nèi)力，螺栓需承受額外的撬拔力，大大超出了設(shè)計(jì)承載力。吊桿的破壞引起屋蓋的垮塌。
節(jié)點(diǎn)螺栓的撬拔力
'當(dāng)你跳出了慣用的設(shè)計(jì)方法時，就應(yīng)該用10倍的努力，進(jìn)行10倍的調(diào)查研究，尤其是在大尺度的項(xiàng)目上'---勒.墨休里曾說過。一種新的設(shè)計(jì)應(yīng)該以最新的理論以及實(shí)驗(yàn)研究成果去驗(yàn)證，如果創(chuàng)新的設(shè)計(jì)超越傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限定時，應(yīng)對基本的結(jié)構(gòu)理論持懷疑態(tài)度。在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域里，僅靠技術(shù)進(jìn)步無法確保減少事故，甚至?xí)蛎つ孔孕哦黾邮鹿实陌l(fā)生。 近三十年計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得如今的工程師，可以輕易地計(jì)算從前結(jié)構(gòu)大師都無法求解的問題，以至于我們有些過分自信。希望以上幾則案例能給工程師們警醒，保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、心懷敬畏地做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
參考資料 2.Matthys Levy, MarioSalvadori. Why building fall down 中文譯本：建筑物為何倒下去, 顧天明等譯. 3.failures.wikispaces.com/Building Failure Cases
師者紹蕃 在寫本文的時候，驚聞陳紹蕃先生仙逝。陳紹蕃先生是我國鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)的開拓者，主持編制了我國第一部《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》TJl7-74，其后多次修訂、補(bǔ)充、完善。先生傾其一生從事鋼結(jié)構(gòu)理論的科研、教學(xué)，桃李滿天下。 晚輩雖未曾見過先生，但在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》和《鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)指南》等著作和論文中受到許多教誨。晚輩在此深表感激。 先生千古。
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