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[分享]结构设计倒塌案例——心怀敬畏 警钟长鸣
“倘若一个建造者为屋主建造一幢房子…而工程不完善…应由该建造者出资修缮。”
----《汉谟拉比法典》
“一栋建筑物的意外死忘经常起源于骨架，亦即结构的破坏。”结构工程师初做设计时胆子很大，认为结构倒塌是很遥远的事，有诸多系数保证结构安全，而整体失效的概率极低。心存侥幸的我们渐渐抛弃了对结构的敬畏。然而，建筑因结构破坏而意外倒塌的案例从未间断过。
铁戒/Iron Ring
1900年，加拿大魁北克大桥开始修建，横贯圣劳伦斯河。桥梁设计总长987m，悬臂段长度达177m，中间段桁架长度195m搁置在南北侧的悬臂端上。在桥梁的设计和建造过程中，年轻的工程师Theodore Cooper和Peter L.Szlapka未能履行应尽的职责。为了建造当时世界上最长的桥梁，工程师Cooper盲目自信，未经过严密计算就擅自增加了桥梁主跨度；没有准确计算桥梁的荷载，使得实际自重荷载大大超出了桥梁的设计承载能力。
魁北克大桥原始设计图
en.wikipedia.org/wiki/Hyatt_Hotel_disaster
在大桥即将竣工之际，悬臂段的主弦杆发生了明显的扭曲，这一现象没有引起工程师Theodore Cooper的重视。1907年8月29日，南侧的悬臂段发生了垮塌。建造了四年之久的大桥在15秒种掉进了圣劳伦斯河，同时带走了75个人的生命。
1907年 魁北克大桥垮塌
1913年，大桥重新设计建造。然而，悲剧再次重演。1916年9月，由于施工起重装置的问题，中间段桁架在安装过程中掉落到河中，有13名工人在事故中丧生。
1916年 魁北克大桥中间段掉落河中
历经种种灾难，1917年大桥终于建成通车，成为迄今为止悬臂最长的大桥。这座大桥原本可以成为不朽的杰作，却成为了工程界的一种耻辱。
1917年 魁北克大桥安装过程
为了铭记这次工程灾难，加拿大七所工程学院筹资买下了垮塌的大桥残骸，打造成一枚枚指环，每年分发给从工程系毕业的学生，取名“工程师铁戒/Iron Ring”。这枚戒指代表着工程师的责任和谦逊，提醒我们不要忘记历史的教训。
受加拿大工程师铁戒传统的影响，1970年美国建立的工程师职责协会(Order of the Engineer)，开始在工程学本科毕业生中授予铁戒。现在，美国各州的工程师协会，将举行工程师职责领受仪式(the obligation of the order)。【注：文末附有美国领受仪式的誓词。】
铁戒/Iron Ring
stainless steel version, issued circa，2013
美国凯悦酒店人行连廊坍塌事故
1987年落成的美国堪萨斯市凯悦酒店，在南北楼之间是一个长宽约36米x44米、挑高15米大厅。大厅上方是由钢结构桁架搭建的屋顶。为了联系南北楼之间的人行交通，在2~4层分别设置了3个连廊通道。连廊从大厅上空穿过，位于三层和四层的连廊分别通过钢拉杆吊挂在大厅屋顶的钢桁架上，而二层的连廊则用拉杆挂在四层的下方。连廊钢梁共4跨，每跨长度9米，两端分别通过固定和滑动支座搁置在南、北主楼结构上。
二层、四层连廊通道吊挂结构(纵向剖面)
连廊通道横向剖面
1981年7月17日，正厅聚集了1600多人参数舞会，连廊上观赏的人群也随着乐曲旋律起舞。人们先是听到一声巨响，随即二层和四层的通道整体从连接屋顶桁架的吊杆处脱落，一时间碎片飞散、烟尘弥漫。事故共造成114人死亡，200多人受伤，很多人因此终身残疾。 (注：在世贸中心911事件之前，这次事故是美国历史上最严重的结构性毁损灾难)。
已经坍塌的二层、四层连廊和仍完好的三层连廊
调查工作随即展开。事故发生时有63人在连廊上靠南一侧，人群活荷载相当于设计活荷载(5kN/m2)的15%左右。首先被想到的可能是，通道在人们跳舞的激励下产生共振。也有人怀疑是建筑材料的质量，或者螺栓安装、焊接质量的问题。在相当长的一段时间里，却没有人怀疑(或是不愿怀疑)是工程师设计的原因。然而，最终的调查结果证明，事故的根源正是钢拉杆与横向箱形梁的节点设计问题。
在四层连廊的吊挂节点处，直径约32mm的钢拉杆(连续式)贯穿横向箱形梁，并通过螺母在梁上紧固锁定。横向箱形横梁由203mm高的两根槽钢通长对焊而成。从受力分析来看，上段吊杆承受了两层连廊的荷载、下段吊杆仅承受了一层连廊的荷载，而横梁与吊杆的节点都只需传递一层的荷载。
原始设计和变形设计：变更后节点力增大至原设计的2倍
由于吊杆的长度超出了常规加工长度，现场施工的承包商将吊杆截为2段，在四层通道的楼面横梁处搭接。具体的作法见下图，箱形横梁(由槽钢对焊而成)的每个端部留2个孔洞，一个距梁端50mm，一个距梁端150mm，上下两根吊杆分离，并分别用螺帽紧固在横梁上，横梁内未设置加劲板。承包商提出以上设计变更，结构工程未经复核便草草地签盖了“同意”印章。
变更设计后的节点连接
事后稍加思考，不难发现：虽然设计变更前后的钢吊杆拉力不变，但四层通道楼面的箱形横梁节点处的剪力增大了一倍。事故现场调查和后续节点试验结果，表明结构破坏的起源正是此处，“由槽钢对焊而成的箱形梁翼缘板平面外承受力很弱，承受不了吊杆巨大的拉力，最终吊杆拉穿了横梁的翼缘板，形成了类似冲切的破坏形态”。事故当时听到的第一声巨响，正是吊杆拉穿钢梁下翼缘时发出的。
节点破坏形态
节点破坏形态 (事故现场照片)
坍塌后，四层以上的拉杆仍孤零零的吊在屋面下
如果采用了原始设计中的连续式拉杆节点，虽然也不符合设计规范，但至少能承受事故发生的活荷载。工程师没有尽到应有的职责，草率地同意承包商的设计变更，没有验算节点的承载能力。实际上，对于这个不合理的节点形式，没有成熟的公式计算其设计承载力。正是这样一个小小的疏漏，造成了数百人死伤的灾难。[注：小i认为，只要在箱形横梁内增加2块加劲板传递剪力，该节点即可能达到需求的承载力。]
调查结束后，直接责任设计师Jack D.Gillum被永久吊销了在密苏里州的执业执照。美国修订了法规，要求涉及到公众的建筑，必须经过政府指定的独立结构工程师审核结构的安全要求。美国土木工程师协会在协会规则中向结构工程师强调了“你要为自己盖章的设计负责！”。美国凯悦酒店人行连廊坍塌事故，值得每个结构工程反思、深省。
法国戴高乐机场2E候机厅坍塌
2004 年5 月23 日,巴黎戴高乐机场2E候机楼在投入使用2年多后，屋顶结构突然坍塌，造成4人遇难。该建筑由著名建筑设计师Paul Andreu安德鲁设计，引起了国际上的广泛关注。当时安德鲁也是国家大剧院的设计师，而且事故遇难的人中有2名中国人，安德鲁和他的设计饱受国人质疑。
巴黎戴高乐机场2E候机楼，红色为发生坍塌的部分
事故现场照片
2E候机楼的结构属于非常规结构形式，见下图结构模型。屋盖的跨度为26.2m,分成左中右三段，由宽4m,厚300mm的曲线状的混凝土板壳单元组成，壳体外覆盖了玻璃屋面。结构不是纯粹的壳体结构，左右段结构在荷载下承受了较大的弯矩，外侧受拉。因此设计师在混凝土壳体外侧用钢结构进行了加强，通过间隔的撑杆将钢结构与混凝土壳体连接，整体结构支承下部框架的纵向梁上。
候机楼横向剖面
候机楼主体结构模型
2E候机楼的结构形式、构造的适用性、混凝土蠕变及温度效应均超过了现行规范的范围。
混凝土壳体开洞
屋盖壳体上有规律地开了一些小洞,在登机桥接入的位置开了较大的洞口，对结构的承载能力削弱很大。
2004 年，事发前约1.5小时，候机厅巡警先发现屋顶出现裂缝，有一大块混凝土剥离掉下来(在两个直撑杆之间的位置)。随后混凝土板块跌落，候机厅结构整体坍塌，相邻的登机桥被砸塌。
戴高乐机场2E候机楼是在没有明显外加荷载下突然坍塌的。调查表明结构承载力的储备很低，并且分析中没有计算整体的温度作用，详尽地考虑各种不利因素。现在我们可以厘清结构破坏的过程：
- 混凝土壳厚度小，钢撑杆处应力集中引起了混凝土裂缝。同时，施工时混凝土配筋不足或错放加速了裂缝的形成。
- 在结构建成后的2年多时间里，超长的候机楼结构随承受着温差的反复作用，裂缝扩展，结构损伤不断累积，承载力逐渐降低。事发时的气温是4.1摄氏度，为当月的最低温度。【小i猜想：坍塌的部分位于整个候机楼的中部，正是温度作用最大的位置。】
- 裂缝发展到一定程度，混凝土部分剥落，钢撑杆对壳体冲切破坏。
- 失去撑杆作用后，结构体系就不能成立了。外侧的钢构件失效，混凝土壳的抗弯承载力不足以继续维持结构稳固，发生弯折破坏。
- 北侧结构失效后，中部屋面的壳体作用不再成立。结构没有备用的传力路径，屋面相继坍塌。
- 在屋面坍塌的过程中，南侧的支座处产生了较大的推力，导致支座从纵梁上脱落。
- 坍塌的结构砸坏了登机桥。
钢撑杆与混凝土壳的连接节点
勒.墨休里曾说过，"当你跳出了惯用的设计方法时，就应该用10倍的努力，进行10倍的调查研究，尤其是在大尺度的项目上"。一种新的设计应该以最新的理论以及实验研究成果去验证，如果创新的设计超越传统结构的限定时，应对基本的结构理论持怀疑态度。我们提倡大胆假定，但需小心求证。
此外，哈特福德体育馆、罗马尼来布加勒斯特穹顶等，都是由于设计错误或设计缺陷导致的工程事故。有些是因为认知不足，有些是沟通有误，有些是操作不当，有些是因为粗心犯下的错误，但都可以归咎于工程师缺乏对结构的敬畏和责任心。
在结构领域里，仅靠技术进步无法确保减少事故，甚至会因盲目自信而增加事故的发生。希望以上几则事故案例能给工程师们警醒，保持严谨的态度、心怀敬畏地做结构设计。
转载----中国建筑
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