返回總目錄第2章

建筑物坍塌機理教學提示：坍塌事故是工程師的克星，要有杜絕重大事故的決心，戰(zhàn)勝重大事故的勇氣。只有知己知彼，才能百戰(zhàn)百勝。因此要從回憶歷史中尋找經驗，弄懂理論，并掌握技巧。教學要求：要以坍塌事故的危害性及其可防范性為重點，去引導學生學習。

工程出現(xiàn)坍塌事故是最大的不幸，會給人們的生命財產帶來重大損失。因此結構抗震標準有“小震不壞，中震可修，大震不倒〞的抗震設防三準那么。既然可以確保工程結構在特大地震災害條件下壞而不倒，也就應該完全可以杜絕工程坍塌事故的出現(xiàn)?？墒枪こ虒嵺`證明，事實并非如此簡單。這就充分說明了有對工程坍塌機理進行深入分析、研究的必要性。建筑物坍塌事故概述

建筑物坍塌事故機理研究坍塌事故與自然災害坍塌事故防范結構加固的經濟性本章內容坍塌事故搶救思考題與習題結構加固的可行性坍塌事故案例傳感器根底知識一．工程坍塌事故定義工程坍塌事故是指建筑物或構筑物，由于某種內在的或外來的原因遭到破壞，不僅完全喪失了結構的承載力功能和建(構)筑物的使用功能，而且完全失去了自立功能，局部或整體塌倒在地上，成為建筑垃圾，完全喪失了恢復功能的可能性。建筑物坍塌事故概述二．坍塌事故不容多見建筑物坍塌事故概述三．倒塌事故不應多見既然倒塌事故要付出的代價這么高，就要遵循建筑結構抗震設計三準那么：即“小震不壞，中震可修，大震不倒〞的嚴格要求。所謂“大震不倒〞，是指即使遇到了抗震設防標準以上的特大地震建筑物難免要受到損害，也決不容許建筑物出現(xiàn)倒塌。其實，但凡經過正規(guī)設計，正規(guī)施工的新建筑物，不管是磚混結構、鋼筋混凝土結構，還是鋼結構，都具有很好的延性，應該有很高的抗倒塌能力。在1994年前后的美國洛杉磯地震和日本阪神地震中，倒塌的就都只是那些年久失修的舊建筑物。實踐證明要實現(xiàn)抗震設防三準那么是完全有可能的。超過抗震設防標準以上的地震荷載應該算得上建筑物可能遇到的最大荷載了。既然如此，也就說明，不管在任何時候任何情況下，都不容許、不應該有建筑物倒塌的情況出現(xiàn)。只要出現(xiàn)，就完全可以認定在設計、施工與管理(使用)方面必然存在嚴重問題，必需追究人為過失。決不容許人們在自然災害的大帽子底下開小差，逃避責任。這一點不僅是每一位工程師，也是土木建筑行業(yè)的每一位從業(yè)者都應該清醒地認識到的。建筑物坍塌事故概述四．倒塌事故不會少見建筑物坍塌事故概述五．小康社會與安居工程我國很快就將全面進入小康社會。顧名思義，所謂小康，必然要具備一個安居樂業(yè)的條件。所謂安居，起碼必須保證居住建筑的絕對平安，不能讓人們在擔憂住房倒塌、提心吊膽的情況下挨日子?？墒亲屑毧疾炱饋?，對于13億人口來說，具備這一條件還真不容易。先把廣闊農村的居住平安條件放在一邊，就拿城鎮(zhèn)來說，近一百億平方米的居住建筑，究竟有多少是符合平安標準的，還說不清楚。要先進行一次全國性的安居工程普查鑒定，再進一步開展改造加固工作才行。其規(guī)模之大，所需投入量之大，可想而知。政府有關部門是否已把它列入實施方案，應予關注。同時，這也是整個土木建筑行業(yè)從業(yè)人員所必須面對的一個現(xiàn)實問題。建筑物坍塌事故機理研究建(構)筑物的坍塌機理極為復雜，也難以用理想化的力學模型進行表述，現(xiàn)分以下三種不同的坍塌機理進行一些初步探討。一．整體坍塌建筑物的整體坍塌與建筑物的上部結構，包括建筑物根底在內的建筑物整體的設計標準承載能力、剛度特征，均無必然關系。甚至相反，越是上部結構設計標準偏高，剛度偏大的建筑物，出現(xiàn)整體坍塌的可能性就越大。整體坍塌后的建筑物雖然已失去了使用功能，但其內在的結構構件，卻可能仍然完整無損。其坍塌機理分以下幾種情況。建筑物坍塌事故機理研究1.樁基失穩(wěn)坍塌樁基失穩(wěn)，導致建筑物傾斜并坍塌的事故是當前出現(xiàn)幾率最高的事故。關于樁基傾斜、失穩(wěn)引起建筑物傾斜、坍塌的機理研究工作，目前人們的關注還很不夠。樁基失穩(wěn)的直接原因是擠土樁的擠土效應與超靜孔隙水壓力效應。比方武漢某18層大樓因為樁基失穩(wěn)，導致大樓傾斜、擺幅達3354mm。雖然尚未形成倒塌事故，但是大樓擺幅如此之大，自然是人們所無法接受的，最后只得實行爆破拆毀。建筑物坍塌事故機理研究2.地基剪切破壞坍塌根據(jù)巖土力學的彈塑性理論分析與大量剛性筏板根底或箱形根底下的壓力盒測試記錄證實，剛性根底下的壓應力(地基反力)分布曲線呈馬鞍型，壓力強度為邊緣大、中間小。因此，地基很可能在邊緣出現(xiàn)應力集中狀態(tài)，形成塑性體，引起剪切破壞，土體向旁擠出，導致建筑物傾斜與坍塌。如圖2.1所示。著名的加拿大谷倉坍塌事故就是一例。建筑物坍塌事故機理研究3.地基液化或流變坍塌飽和粉細砂土或飽和粉土在受到震動波作用下，會出現(xiàn)液化現(xiàn)象，土體顆粒處于懸浮狀態(tài)，不僅失去自重，失去相互約束的能力，也完全失去支承能力，就必然導致建筑物坍塌。日本新瀉地震時出現(xiàn)的大量建筑物整體坍塌、臥倒現(xiàn)象，就是地基液化的結果。同樣，飽和軟黏土尤其是淤泥質土在受到擾動時，會產生流變狀態(tài)，使地基土完全失去支承力，導致建筑物傾斜與坍塌。4.地基整體失穩(wěn)坍塌在工程地質構造異常的條件下，很可能出現(xiàn)滑坡、山崩、地動、地陷等現(xiàn)象。建造在這些滑動土體上的建筑物就成了無本之木，必然遭到坍塌破壞。建筑物坍塌事故機理研究如果把整體坍塌比較成人的急性病，那么裂損坍塌就是慢性病。急性病之所以可怕，在于如果搶救不及時，頃刻之間就可能要了命。慢性病的可怕之處那么在于發(fā)病率高，根治困難。裂縫，只是坍塌的最初征兆。就像人身患病，必然有體溫失常，脈情異樣的表現(xiàn)。建筑物裂縫跡象如果任其開展下去，建筑物的變形、失穩(wěn)與坍塌現(xiàn)象就會最終出現(xiàn)。二．裂損坍塌建筑物坍塌事故機理研究1.裂縫機理裂縫階段是建筑物走上損毀坍塌之路的最初表征。建筑物裂縫機理最為復雜，也是工程事故分析課題的研究重點。我們將根據(jù)各種不同的結構類型和不同的致裂原因，在后面的有關章節(jié)分別深入地研究其不同的裂損機理。只有正確地掌握和理解了結構的裂損機理，才談得上對危險建筑采取正確的加固與拯救措施，才談得上能在工程實踐過程中提高事故防范意識，杜絕重大事故的發(fā)生。建筑物坍塌事故機理研究2.變形機理結構出現(xiàn)嚴重裂損以后，其整體性受損，剛度銳減，因而出現(xiàn)嚴重的結構變形。變形出現(xiàn)以后，由平面結構組成的空間結構體系就被破壞，結構的計算圖形或者說力學模型完全改變。穩(wěn)定結構逐步變?yōu)椴环€(wěn)定結構，這就是坍塌的前兆。3.失穩(wěn)機理建筑物的變形開展到失穩(wěn)階段，情況就如同人的病情進入了急性階段。失穩(wěn)階段的平衡狀態(tài)是臨時性的極限平衡的臨界狀態(tài)。這一時刻只須有些許外力作用，建筑物就可能急劇開展成坍塌狀態(tài)。同樣，只要施以適當?shù)耐饬?，也可能使結構暫時轉危為安，獲得加固與恢復的時機。建筑物坍塌事故機理研究4.坍塌機理如果說因為地基問題引起的建筑物整體傾斜與坍塌還可能保持上部結構的完整無損，并有可能獲得扶正復位與加固希望的話，那么經過裂縫、變形、失穩(wěn)最后進入坍塌狀態(tài)的建筑物就只能是粉身碎骨，剩下的必然是一片廢墟。事后進行清理還必然花費很多人力物力。建筑物坍塌事故機理研究三．局部坍塌局部坍塌事故多出現(xiàn)在整體性較差的預制構件體系。比方由于鋼屋架或鋼筋混凝土屋架的承載力不夠、變形太大引起的屋頂坍塌事故，就是曾經在國內外工業(yè)廠房中出現(xiàn)頻率最高的事故。一般情況下只形成幾榀屋架范圍內的連鎖反響，就會發(fā)生局部坍塌。只有在體系整體性極差的情況下，才構成廠房的整體坍毀。發(fā)生在英國倫敦的由于煤氣爆炸形成局部沖擊荷載引起預制大板結構的高層公寓局部坍塌事故，就是比較典型的案例。坍塌事故與自然災害坍塌事故防范既然坍塌事故會給人們與社會造成如此大的損失，就必須把精力集中放在事故防范工作上。不管是慢性病還是急性病，其發(fā)生開展都有一個過程，都有一定的預兆。不管是建筑物的整體坍塌，或是裂損坍塌，還是局部坍塌，都是可以防范的。除了像“9·11〞事件中的紐約世貿大廈被毀之類的特殊情況外。有一位名醫(yī)說過一句話：“最好的藥是時間。〞時效就是良藥，這很有哲理。再大的病，只要及時采取一點點小措施，也許只是一小片藥，就可見神效。如果貽誤了治病時機，那么再好的、再珍貴的藥也難以見效。坍塌事故等到已經發(fā)生或即將發(fā)生時再救治，必然是徒勞無益的了。越是防范得早，就越省事，越能見效。既然坍塌事故的根源可能出現(xiàn)在工程實踐的全過程中，也就是從勘察、設計、施工到使用階段的任何一個時刻，那么事故防范就不能單是依靠勘察設計和施工操作中的從業(yè)人員就能完全見效的。這是一件全社會都應該關注的大事，必須從科普、教育、宣傳下手，全體發(fā)動，全面防范。記得阪神大地震以后，日本社會在抗地震和防范坍塌事故方面的科普宣傳工作做得很普及，值得借鑒。坍塌事故搶救坍塌事故搶救應按事故到來之前和事故出現(xiàn)以后兩種情況來進行討論。在事故到來之前的緊要關頭——千鈞一發(fā)之際，搶救工作組織和發(fā)揮得好，就可轉危為安，同樣，在事故出現(xiàn)以后，為了搶救埋在廢墟中的生存者，更需要緊張有序、快速見效的搶救工作。坍塌事故防范一．千鈞一發(fā)之際的緊急搶救坍塌事故防范二．一片廢墟之下的生死搏斗結構加固的可行性

結構加固的經濟性建筑物坍塌以后，居民生命和財產方面所遭受的損失以及國家和社會在環(huán)境方面和政治方面遭受的間接損失是巨大的。除此之外，建筑物本身的造價再加上20％以上清理廢墟和根底的直接損失也是驚人的。而對建筑物實施綜合糾傾，地基處理和結構加固的全部費用，一般可以控制在新建造價及清理費用總金額的50％以內。因此認為，盡最大努力拯救瀕臨坍塌的危險建筑物，并進行加固，在經濟上是完全合理的。坍塌事故案例

由于一些歷史原因，很多坍塌事故信息被長期封鎖禁錮，一些珍貴的經驗教訓得不到吸取，殊為可惜。現(xiàn)僅就自1950年以來發(fā)生在國外與國內的有代表性的典型事故概述如下。

一.鞍鋼磚混結構廠房坍塌事故鞍鋼磚混結構廠房算得上“大躍進〞時期的代表作，它的倒塌原因、倒塌機理、倒塌后果與當時的其他案例，比方杭州的半山鋼鐵廠廠房倒塌事故，邯鄲的煉鐵車間倒塌事故等大同小異?？梢园阉鳛槟且粋€時代的典型案例來研究，這其中有很多值得吸取的經驗與教訓。坍塌事故案例

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五.江西某商住樓坍塌事故江西某商住樓倒塌事故雖然規(guī)模并不大，損失并不多，但其倒塌機理卻很特殊，值得關注。在設計與施工質量正常的情況下，僅僅幾條毫不起眼、微缺乏道的小裂縫——溫度應力引起的梁端墻面八字型裂縫和梁下集中應力引起的正常剪脹裂縫雜交以后，迅速發(fā)展。就在無風雨、無超載、無地基變形因素的情況下，導致一棟尚未封頂?shù)男聵翘?。應該作為典型案例進行研究。坍塌事故案例

六.武漢某18層大樓傾斜事故一棟嶄新的全剪力墻結構住宅樓，具有良好的結構整體性和空間剛度，卻因樁基失穩(wěn)而傾斜，被迫拆毀。樁基失穩(wěn)的主要原因是設計中追求樁根底的平安可靠度偏高，而事故處理采取緊急控制爆破撤除的原因也是基于對區(qū)域環(huán)境平安的考慮。什么是真正的“平安〞？在工程實踐過程中應該如何去把握“平安〞？很值得反思。坍塌事故案例

七.三亞物資大廈損毀事故三亞物資大廈事故原因是地基下沉，導致建筑物嚴重裂縫。地基下沉是一種典型的慢性病。在病因早已確切查明的情況下，負責設計、施工的單位與業(yè)主卻在為事故責任爭訟不已，糾纏不清。而有關管理部門也沒采取相應措施值得反思。坍塌事故案例

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十一.馬來西亞吉隆坡半山公寓坍毀事故馬來西亞高層公寓建于吉隆坡郊區(qū)的一個山坡上，為3幢12層建筑，于1979年建成，1993年倒塌一棟，倒塌原因是根底被地下暗流(山坡徑流下滲)掏空。值得吸取的教訓是在大樓猝然倒塌的情況下，國內外的救援隊都無法進行搶救工作，壓在廢墟下的70余人喪生。唐山大地震中，我們