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结构的破坏

已有 6874 次阅读 2021-5-28 17:12 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

结构的破坏

结构由于自然灾害、年久失修或不当的设计施工,经常有失效、坍塌和破坏发生。这种情况,有时形成灾难性的后果,造成大量人员伤亡和财产的损失。

1. 结构破坏的类型

一般说来,结构破坏从力学上来看可以大致分为以下三种类型:即失衡、断裂与失稳。

 

由于失去平衡的破坏。

这种破坏类型,首先是结构整体或部分从静力学来看,所受的力失去平衡,以致造成结构倒塌或坍塌。这类破坏在人类早期只有简单的结构物时,比较普遍。简单结构的建造与维护也最早促进静力学知识的积累。即使到近代,由于设计与施工的违规或不合理。这类破坏也时有发生。下面我们举两个例子。

2009627日凌晨530分左右,上海闵行区莲花南路,罗阳路口西侧莲花河畔景苑”7号楼整体倒塌,造成作业人员肖德坤逃生不及,被压窒息死亡。

  倾倒的主要原因是,楼北侧,在短期内堆土过高,最高处达10米左右;南侧正在开挖地下车库基坑,深度4.6米,大楼两侧的压力差使大楼主体失去平衡,导致房屋倾倒。

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1 上海闵行莲花南路大楼倒塌的情形

  

2001717日,上海沪东造船厂在起吊重600T大型龙门吊主梁时,刚性腿固定不良,由于主梁上的小车碰撞缆绳 致使刚性腿失去平衡造成塔架坠毁。该事故造成36人死亡2人重伤,经济损失达1亿元。

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2 上海沪东造船厂在起吊重600T大型龙门吊主梁坠落事故

由于材料的断裂引起的破坏。

这类破坏类型是由于构成结构的某些重要构件破坏。例如梁断裂、支柱压裂、动力结构构件的疲劳断裂等。新加坡新世界酒店大楼的垮塌就是一个著名的例子。

1986315日,新加坡新世界酒店大楼在上午1125分迅速解体,不到一分钟,其中任何人都没有时间逃脱。这场空前的灾难共造成了33人死亡,17人受伤,被称为二战以来新加坡最大的灾难

事后弄清楚了原来大楼在设计时,把载荷计算小了,只计入活荷载没有计入大楼自身的死荷载。这已经造成大楼底层的承力梁柱体产生裂缝。这些裂缝并没有引起管理人员的注意,而更加雪上加霜的是管理人员又在外墙加了一层瓷砖,在天台加了一个水箱。这就导致底层梁柱断裂而整座大楼坍塌。

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3新加坡新世界酒店大楼倒塌之前

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4新加坡新世界酒店大楼倒塌之后

 

由于构件的失稳导致的结构破坏

19世纪50年代,人类能够大规模冶炼钢铁,钢铁与其他高强度材料陆续产生,于是钢结构应运而生。由于钢的强度高,结构元件能够做得细、薄。这时它们的强度虽然没有问题,但由于细、薄,却产生了元件的失稳问题。例如受压的杆,产生像材料力学中所介绍的压杆失稳,而板、壳等元件也会有类似的失稳的现象。元件失稳后,它的法向刚度会大大减弱,与它相连的构件会产生很大的位移,而这种位移又会导致结构内部应力的重新分布,部分元件强度和稳定性不能达到要求,就会产生破坏或失稳的连锁反应,以致使整个结构坍塌。

美国坐落在康涅狄格州哈特福德体育馆的坍塌就是一个由于元件失稳造成坍塌的典型例子

哈特福德市的体育馆建于1973年,结构形式为空间网架,网格尺寸约9米,跨度91x110的大体育馆。1978 1 18 日,哈特福德市中心体育馆在近 5000 名观众离开后的几个小时内轰然倒塌。其钢网壳组成的屋顶在雪的重压下崩塌。1400吨钢材、石膏板吊顶和建筑屋面砸在1万个空座位上。造成的损失估计约9000万美元。

事故的原因是由于网架上部的受压杆失稳引起的。还由于在设计时对固定荷载低估了约20%,进一步又将边界处的上弦杆长度按照一半计算,使上弦杆的抗稳定性提高了4倍从而又降低了承载能力。

图片.png5 哈特福图5 德体育馆坍塌现场

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6 压屈的上弦杆

2. 结构破坏的原因

结构破坏的原因很多,有材料不合格的原因,有日久材料腐蚀的原因,有自然灾害的原因,有操作失当的原因,还有设计和施工不合理的原因等等。归纳起来,我们大致可以把引起结构破坏的原因归结为三类:这就是:自然灾害、设计和施工错误、人类从未遇到过的新的破坏现象。我们分别举一些例子加以说明。

自然灾害引起的结构破坏

在自然灾害中对结构引起大范围大规模破坏的,要数地震、台风和海啸了,不过海啸也是由地震引起的,而台风对我国而言多发生在东南沿海一带。我们以近年来发生在我国的两次大地震为例。

1976年7月28日3时42分53.8秒,中国河北省唐山丰南一带(东经118.2°,北纬39.6°)发生了强度里氏7.8级(矩震级7.5级)地震,震中烈度11度,震源深度12千米,地震持续约23秒。地震造成大范围大规模的工业与民用建筑结构破坏,一片废墟,从而引起242769人死亡,164851人重伤,位列20世纪世界地震史死亡人数第二。 

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7 唐山大地震后

 

 

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8 唐山大地震后

2008512142804秒,在四川汶川发生地震。此次地震的面波震级 里氏震级达8.0Ms。极重灾区共10个县(市),造成大范围结构破坏。汶川地震共造成69227人死亡,374643人受伤,17923人失踪,是中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震,也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。

 

 

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9 汶川大地震后

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10 汶川地震后

从我国发生的这两次地震可以看出,自然灾害造成的结构破坏的严重性。一般说来要完全避免地震造成的损失是很难做到的,但是如果经过研究改进结构抗震设计标准,尽量减少地震所带来的损失,是能够做到的。世界上一些地震多发的国家的经验值得我们汲取。在2010227日发生的智利大地震,震级达到8.8级,超过唐山和汶川地震,但是那次地震却只死了507人,智利的建筑规范是从美国引进的,由于美国对抗震结构研究得比较多,所以智利的地震损失就比较少。抗震结构研究的关键是,要让在强烈地震后,结构虽然损坏,但能够留下较多的生存空间。读者比较唐山、汶川和智利震后的几张图片,注意智利震后,结构虽然损坏,但并没有完全坍塌,跟人们留下了较多的生存空间。这的确值得我们在修改结构抗震规范时借鉴。

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11智利地震后的房屋建筑


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12 智利地震后的高楼
  

在自然灾害中,有一类比较少见但引起的结构破坏也相当可观的情形。例如龙卷风,对于我国来说,同一地方大约要数百年才能遇到一次。即使在北美大陆,龙卷风虽然比较多,但人的一生要在同一地方见到,也是罕见的。

我们举2008年在我国南方一场气象异常造成的灾害为例。在春节前后,长江中下游的大雪灾引起了输电线路大面积灾害性事故。全国范围内,截止2月6日除夕夜统计,受冰雪灾害影响,有169个县停电,南方电网供电范围累计90个县市受停电影响,因冰灾、雪灾导致输电线路大范围覆冰、舞动、主网架相继发生倒塔事件,故障累计停运线路6767条,造成变电站停运831座。输电线路在灾害面前呈现的脆弱性表明,必须采用先进技术手段提高我国输电线路抗灾能力

这次下雪的天气奇特之处,在于气温一直在零度上下波动,刚刚化了的雪马上结为冰,致使电线上结的冰超过电线自重的几十倍之多。造成线路规模损坏13-17

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13  2008年在我国南方气象异常造成的灾害

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14 2008年在我国南方气象异常造成的灾害

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15 2008年在我国南方气象异常造成的灾害 

 

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16 2008年在我国南方气象异常造成的灾害

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17  2008年在我国南方气象异常造成的灾害

    这场雪灾,给我们的教训,为了防止类似的灾害发生,需要适当提高电路结构强度设计标准,并且研究相应的防冰除冰措施。

    

由于人为的设计和施工失误引起的结构破坏

我们在《结构破坏的类型》那一节所举的例子都是由于设计和施工失误引起的结构破坏。

中国古代的结构多为木结构,而木结构很容易着火,中国人把火灾归结为天灾,其实绝大部分火灾都是由于人们用火时的疏忽造成的,

我国的故宫历经明清两朝共24位皇帝在那里居住办公,然而在这四百多年间,故宫并不太平,根据史料记载,400年间发生过80多次火灾。作为皇帝住所,遭遇火灾的频率却远远高于平常老百姓家。这是因为故宫不仅有大量经过干燥的木材建筑的木结构,故宫的面积达70万平方米。还由于故宫里比民间有更多的灯火、取暖火、节庆花灯、焰火,炊事火等等。

明朝嘉靖二十六年(1547年)十一月的一天,后宫突然起火,火势迅猛,很快就把皇后的寝宫吞没。堂堂明朝的皇后,居然被大火烧死。

特别值得一提的是在明清科举最高级别考试的贡院也屡屡失火,最严重的一次是明天顺7年(1463年)失火,一次烧死举人九十人(一说是116人)。

近年来,我国也发生过若干次严重的火灾事故,造成巨大的人财损失。

可见,防火设施与国民的防火与安全用火的知识普及,任何时候都不能忽视,此外还需要加强防火的科学研究。

我们在这里最后再举一个设计施工失误的著名的例子。

拿大魁北克三跨钢桁架梁的大桥,主跨549米,建造历经30年,施工期间两次发生垮塌事故:第一次在1907年8月29日压杆失稳,75人丧生;第二次是中跨合龙时起吊设备局部构件断裂,13人丧生。大桥最终于1917年竣工运营。

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18 事故后的魁北克桥

 

经过事故调查,确定大桥事故的主要原因简述如下:

  (1)魁北克大桥坍塌是因为主桥墩锚臂附近的下弦杆设计不合理,发生失稳。

  (2)杆件采用的容许应力水平太高。

  (3)严重低估了自重,且未能及时修正错误。

  (4)魁北克桥梁和铁路公司与凤凰桥梁公司的权责不明。

  (5)魁北克大桥和铁路公司过于依赖个别有名气和有经验的桥梁工程师,导致了桥梁施工过程中基本上没有监督。

  (6)凤凰桥梁公司的规划和设计,制造和架设工作都没有问题,钢材的质量也很好。不合理的设计是根本性错误。

  (7)当时的工程师不了解钢压杆的专业知识,没能力设计如魁北克桥那样的大跨结构。

1922年,在魁北克大桥竣工不久,加拿大的七大工程学院(即后来的“The Corporation of the Seven Wardens”)一起出钱将建桥过程中倒塌的残骸全部买下,并决定把这些亲临过事故的这些钢材打造成一枚枚戒指,发给每年从工程系毕业的学生。然而由于当时技术的限制,桥梁残骸的钢材无法被打造戒指。于是这些学院只好用其它钢材代替。不过为了体现是代表桥坍塌的残骸,戒指被设计成被扭曲的钢条形状,用来纪念这起事故和在事故中被夺去的生命。于是,这一枚枚戒指就成为了后来在工程界闻名的工程师之戒(Iron Ring)。这枚戒指要戴在小拇指上,作为对每个工程师的一种警示。


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19 工程师之戒

 

由于未知因素引起的结构破坏

我们把违反已知规律而造成的结构破坏归结为设计和施工失误所引起的结构破坏。在和结构有关的领域,我们已知的事物总是有限的。还有许许多多的事情是我们没有经历过或没有研究清楚的。于是我们就会与到这样的情形,我们的设计和施工都是符合当时的规范和规定以及人们的常识的,但是结构还是破坏了。这样的例子可以举出很多。

1940年建成的美国的西北部一座吊桥,长853.4m的塔科姆(Tacoma大桥,建成后不久,由于同年11月7日的一场不大的风(仅每秒19m)引起了振幅接近几米的“颤振”,在这样大振幅振荡下结构不一会便塌毁了。

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20 塌毁的塔科马大桥

 

事后发现是由于风引起的桥梁振动造成的结构破坏。早先的结构使用的材料比较重,所以对于风的作用可以忽略,到了使用钢结构时代,风的作用就其重要的作用了。类似的事故,引起人们充分的注意。迄今在建造钢结构桥梁或吊桥、斜拉桥,在设计时都要对风的作用研究,并且还要做风洞模型试验。后来类似的结构破坏就减少了。

同样,19世纪后半叶出现的由于材料疲劳所产生的结构事故、20世纪40年代所遇到的飞机颤振空难、一战到二战之间轮船与桥梁许多由于材料冷脆性造成的破坏,等等。都是前人没有经验过的新的破坏事故类型。它们促使人们对这些现象进行深入的研究,从而避免类似的破坏发生。

人类的结构技术和结构材料在不断前进,在前进的路上还会遇到新的破坏现象,因之与结构安全性的研究,将是永远的,永无止境的。

 

附带说明,由于现代结构规模一般都很大,例如高层建筑、大型桥梁、大型冷却塔、巨型轮船等等、在需要拆除它们的时候,一般机械效率很低。这种情况下,经常采用爆破的办法,借助于炸药的威力能够大大提高效率。当然了在战争中,战斗双方互扔炸弹,对结构的破坏效率也是很高的。不过人类的前进主流方向还是如何使结构物安全、用得更久,也是全人类投入最大部分人力物力的主流方向。

 

 

注:本文的资料与插图都来自网络。

2020 02,21




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