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“倘若一個(gè)建造者為屋主建造一幢房子…而工程不完善…應(yīng)由該建造者出資修繕,?！薄?/span>《漢謨拉比法典》

“一棟建筑物的意外死忘經(jīng)常起源于骨架，亦即結(jié)構(gòu)的破壞,?！苯Y(jié)構(gòu)工程師初做設(shè)計(jì)時(shí)膽子很大，認(rèn)為結(jié)構(gòu)倒塌是很遙遠(yuǎn)的事,，有諸多系數(shù)保證結(jié)構(gòu)安全,，而整體失效的概率極低。

心存僥幸的我們漸漸拋棄了對(duì)結(jié)構(gòu)的敬畏,。然而,，建筑因結(jié)構(gòu)破壞而意外倒塌的案例從未間斷過,。

鐵戒/Iron Ring

1900年，加拿大魁北克大橋開始修建,，橫貫圣勞倫斯河,。橋梁設(shè)計(jì)總長987m，懸臂段長度達(dá)177m,，中間段桁架長度195m擱置在南北側(cè)的懸臂端上,。

在橋梁的設(shè)計(jì)和建造過程中，年輕的工程師Theodore Cooper和Peter L.Szlapka未能履行應(yīng)盡的職責(zé),。

為了建造當(dāng)時(shí)世界上最長的橋梁,，工程師Cooper盲目自信，未經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算就擅自增加了橋梁主跨度,；沒有準(zhǔn)確計(jì)算橋梁的荷載,，使得實(shí)際自重荷載大大超出了橋梁的設(shè)計(jì)承載能力。

魁北克大橋原始設(shè)計(jì)圖

在大橋即將竣工之際,，懸臂段的主弦桿發(fā)生了明顯的扭曲,，這一現(xiàn)象沒有引起工程師Theodore Cooper的重視。

1907年8月29日,，南側(cè)的懸臂段發(fā)生了垮塌,。建造了四年之久的大橋在15秒種掉進(jìn)了圣勞倫斯河，同時(shí)帶走了75個(gè)人的生命,。

1907年 魁北克大橋垮塌

1913年,，大橋重新設(shè)計(jì)建造。然而,，悲劇再次重演,。1916年9月，由于施工起重裝置的問題,，中間段桁架在安裝過程中掉落到河中,，有13名工人在事故中喪生。

1916年 魁北克大橋中間段掉落河中

歷經(jīng)種種災(zāi)難,，1917年大橋終于建成通車,，成為迄今為止懸臂最長的大橋。這座大橋原本可以成為不朽的杰作,，卻成為了工程界的一種恥辱,。

1917年 魁北克大橋安裝過程

為了銘記這次工程災(zāi)難，加拿大七所工程學(xué)院籌資買下了垮塌的大橋殘骸,，打造成一枚枚指環(huán),，每年分發(fā)給從工程系畢業(yè)的學(xué)生，取名“工程師鐵戒/Iron Ring”,。

這枚戒指代表著工程師的責(zé)任和謙遜,，提醒我們不要忘記歷史的教訓(xùn),。

受加拿大工程師鐵戒傳統(tǒng)的影響，1970年美國建立的工程師職責(zé)協(xié)會(huì)(Order of the Engineer),，開始在工程學(xué)本科畢業(yè)生中授予鐵戒,。

現(xiàn)在，美國各州的工程師協(xié)會(huì),，將舉行工程師職責(zé)領(lǐng)受儀式(the obligation of the order)。

鐵戒/Iron Ring

美國凱悅酒店人行連廊坍塌事故

1987年落成的美國堪薩斯市凱悅酒店,，在南北樓之間是一個(gè)長寬約36米x44米,、挑高15米大廳。大廳上方是由鋼結(jié)構(gòu)桁架搭建的屋頂,。

為了聯(lián)系南北樓之間的人行交通,，在2~4層分別設(shè)置了3個(gè)連廊通道。連廊從大廳上空穿過,，位于三層和四層的連廊分別通過鋼拉桿吊掛在大廳屋頂?shù)匿撹旒苌?，而二層的連廊則用拉桿掛在四層的下方。

連廊鋼梁共4跨,，每跨長度9米,，兩端分別通過固定和滑動(dòng)支座擱置在南、北主樓結(jié)構(gòu)上,。

二層,、四層連廊通道吊掛結(jié)構(gòu)(縱向剖面)

連廊通道橫向剖面 

1981年7月17日，正廳聚集了1600多人參數(shù)舞會(huì),，連廊上觀賞的人群也隨著樂曲旋律起舞,。

人們先是聽到一聲巨響，隨即二層和四層的通道整體從連接屋頂桁架的吊桿處脫落,，一時(shí)間碎片飛散,、煙塵彌漫。事故共造成114人死亡,，200多人受傷,，很多人因此終身殘疾。

 (注：在世貿(mào)中心911事件之前,，這次事故是美國歷史上最嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性毀損災(zāi)難),。

已經(jīng)坍塌的二層、四層連廊和仍完好的三層連廊

調(diào)查工作隨即展開,。事故發(fā)生時(shí)有63人在連廊上靠南一側(cè),，人群活荷載相當(dāng)于設(shè)計(jì)活荷載(5kN/m2)的15%左右。

首先被想到的可能是,，通道在人們跳舞的激勵(lì)下產(chǎn)生共振,。也有人懷疑是建筑材料的質(zhì)量,，或者螺栓安裝、焊接質(zhì)量的問題,。

在相當(dāng)長的一段時(shí)間里,，卻沒有人懷疑(或是不愿懷疑)是工程師設(shè)計(jì)的原因。然而,，最終的調(diào)查結(jié)果證明,，事故的根源正是鋼拉桿與橫向箱形梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)問題。

在四層連廊的吊掛節(jié)點(diǎn)處,，直徑約32mm的鋼拉桿(連續(xù)式)貫穿橫向箱形梁,，并通過螺母在梁上緊固鎖定。橫向箱形橫梁由203mm高的兩根槽鋼通長對(duì)焊而成,。

從受力分析來看,，上段吊桿承受了兩層連廊的荷載、下段吊桿僅承受了一層連廊的荷載,，而橫梁與吊桿的節(jié)點(diǎn)都只需傳遞一層的荷載,。

原始設(shè)計(jì)和變形設(shè)計(jì)：變更后節(jié)點(diǎn)力增大至原設(shè)計(jì)的2倍

由于吊桿的長度超出了常規(guī)加工長度，現(xiàn)場施工的承包商將吊桿截為2段,，在四層通道的樓面橫梁處搭接,。

具體的作法見下圖，箱形橫梁(由槽鋼對(duì)焊而成)的每個(gè)端部留2個(gè)孔洞,，一個(gè)距梁端50mm,，一個(gè)距梁端150mm，上下兩根吊桿分離,，并分別用螺帽緊固在橫梁上,，橫梁內(nèi)未設(shè)置加勁板。

承包商提出以上設(shè)計(jì)變更,，結(jié)構(gòu)工程未經(jīng)復(fù)核便草草地簽蓋了“同意”印章,。

變更設(shè)計(jì)后的節(jié)點(diǎn)連接

事后稍加思考，不難發(fā)現(xiàn)：雖然設(shè)計(jì)變更前后的鋼吊桿拉力不變,，但四層通道樓面的箱形橫梁節(jié)點(diǎn)處的剪力增大了一倍,。

事故現(xiàn)場調(diào)查和后續(xù)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，表明結(jié)構(gòu)破壞的起源正是此處,，“由槽鋼對(duì)焊而成的箱形梁翼緣板平面外承受力很弱,，承受不了吊桿巨大的拉力，最終吊桿拉穿了橫梁的翼緣板,，形成了類似沖切的破壞形態(tài)”,。

事故當(dāng)時(shí)聽到的第一聲巨響，正是吊桿拉穿鋼梁下翼緣時(shí)發(fā)出的。

節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)

節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài) (事故現(xiàn)場照片)

坍塌后,，四層以上的拉桿仍孤零零的吊在屋面下

如果采用了原始設(shè)計(jì)中的連續(xù)式拉桿節(jié)點(diǎn),，雖然也不符合設(shè)計(jì)規(guī)范，但至少能承受事故發(fā)生的活荷載,。

工程師沒有盡到應(yīng)有的職責(zé),，草率地同意承包商的設(shè)計(jì)變更，沒有驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)的承載能力,。實(shí)際上,，對(duì)于這個(gè)不合理的節(jié)點(diǎn)形式，沒有成熟的公式計(jì)算其設(shè)計(jì)承載力,。

正是這樣一個(gè)小小的疏漏,，造成了數(shù)百人死傷的災(zāi)難。

[注：小編認(rèn)為,，只要在箱形橫梁內(nèi)增加2塊加勁板傳遞剪力，該節(jié)點(diǎn)即可能達(dá)到需求的承載力,。]

調(diào)查結(jié)束后,，直接責(zé)任設(shè)計(jì)師Jack D.Gillum被永久吊銷了在密蘇里州的執(zhí)業(yè)執(zhí)照。美國修訂了法規(guī),，要求涉及到公眾的建筑,，必須經(jīng)過政府指定的獨(dú)立結(jié)構(gòu)工程師審核結(jié)構(gòu)的安全要求。

美國土木工程師協(xié)會(huì)在協(xié)會(huì)規(guī)則中向結(jié)構(gòu)工程師強(qiáng)調(diào)了“你要為自己蓋章的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé),！”,。美國凱悅酒店人行連廊坍塌事故，值得每個(gè)結(jié)構(gòu)工程反思,、深省,。

法國戴高樂機(jī)場2E候機(jī)廳坍塌

2004 年5 月23 日,巴黎戴高樂機(jī)場2E候機(jī)樓在投入使用2年多后，屋頂結(jié)構(gòu)突然坍塌,，造成4人遇難,。

該建筑由著名建筑設(shè)計(jì)師Paul Andreu安德魯設(shè)計(jì)，引起了國際上的廣泛關(guān)注,。當(dāng)時(shí)安德魯也是國家大劇院的設(shè)計(jì)師,，而且事故遇難的人中有2名中國人，安德魯和他的設(shè)計(jì)飽受國人質(zhì)疑,。

巴黎戴高樂機(jī)場2E候機(jī)樓,，紅色為發(fā)生坍塌的部分

事故現(xiàn)場照片

2E候機(jī)樓的結(jié)構(gòu)屬于非常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，見下圖結(jié)構(gòu)模型,。屋蓋的跨度為26.2m,分成左中右三段,，由寬4m,厚300mm的曲線狀的混凝土板殼單元組成，殼體外覆蓋了玻璃屋面,。

結(jié)構(gòu)不是純粹的殼體結(jié)構(gòu),，左右段結(jié)構(gòu)在荷載下承受了較大的彎矩,，外側(cè)受拉。因此設(shè)計(jì)師在混凝土殼體外側(cè)用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng),，通過間隔的撐桿將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土殼體連接,，整體結(jié)構(gòu)支承下部框架的縱向梁上。

候機(jī)樓橫向剖面

候機(jī)樓主體結(jié)構(gòu)模型

2E候機(jī)樓的結(jié)構(gòu)形式,、構(gòu)造的適用性,、混凝土蠕變及溫度效應(yīng)均超過了現(xiàn)行規(guī)范的范圍。

混凝土殼體開洞

屋蓋殼體上有規(guī)律地開了一些小洞,在登機(jī)橋接入的位置開了較大的洞口,，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力削弱很大,。

2004 年，事發(fā)前約1.5小時(shí),，候機(jī)廳巡警先發(fā)現(xiàn)屋頂出現(xiàn)裂縫,，有一大塊混凝土剝離掉下來(在兩個(gè)直撐桿之間的位置)。隨后混凝土板塊跌落,，候機(jī)廳結(jié)構(gòu)整體坍塌,，相鄰的登機(jī)橋被砸塌。

戴高樂機(jī)場2E候機(jī)樓是在沒有明顯外加荷載下突然坍塌的,。調(diào)查表明結(jié)構(gòu)承載力的儲(chǔ)備很低,，并且分析中沒有計(jì)算整體的溫度作用，詳盡地考慮各種不利因素?，F(xiàn)在我們可以厘清結(jié)構(gòu)破壞的過程： 

1,、混凝土殼厚度小，鋼撐桿處應(yīng)力集中引起了混凝土裂縫,。同時(shí),，施工時(shí)混凝土配筋不足或錯(cuò)放加速了裂縫的形成。

2,、在結(jié)構(gòu)建成后的2年多時(shí)間里,，超長的候機(jī)樓結(jié)構(gòu)隨承受著溫差的反復(fù)作用，裂縫擴(kuò)展,，結(jié)構(gòu)損傷不斷累積,，承載力逐漸降低。事發(fā)時(shí)的氣溫是4.1攝氏度,，為當(dāng)月的最低溫度,。

[小編猜想：坍塌的部分位于整個(gè)候機(jī)樓的中部，正是溫度作用最大的位置,。]

3,、裂縫發(fā)展到一定程度，混凝土部分剝落，鋼撐桿對(duì)殼體沖切破壞,。

4,、失去撐桿作用后，結(jié)構(gòu)體系就不能成立了,。外側(cè)的鋼構(gòu)件失效,，混凝土殼的抗彎承載力不足以繼續(xù)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，發(fā)生彎折破壞,。

5,、北側(cè)結(jié)構(gòu)失效后，中部屋面的殼體作用不再成立,。結(jié)構(gòu)沒有備用的傳力路徑,，屋面相繼坍塌。

6,、在屋面坍塌的過程中,，南側(cè)的支座處產(chǎn)生了較大的推力，導(dǎo)致支座從縱梁上脫落,。

7,、坍塌的結(jié)構(gòu)砸壞了登機(jī)橋。

鋼撐桿與混凝土殼的連接節(jié)點(diǎn)

勒.墨休里曾說過,，'當(dāng)你跳出了慣用的設(shè)計(jì)方法時(shí)，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'。

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(shí),，應(yīng)對(duì)基本的結(jié)構(gòu)理論持懷疑態(tài)度。我們提倡大膽假定,，但需小心求證,。

此外，哈特福德體育館,、羅馬尼來布加勒斯特穹頂等,，都是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的工程事故。有些是因?yàn)檎J(rèn)知不足,，有些是溝通有誤,，有些是操作不當(dāng)，有些是因?yàn)榇中姆赶碌腻e(cuò)誤,，但都可以歸咎于工程師缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)的敬畏和責(zé)任心,。

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,。希望以上幾則事故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),。