“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。
2004年5月,巴黎戴高乐机场2E候机厅突发屋顶坍塌事故,造成包括两名中国公民在内的4人不幸遇难,3人受伤。该机场设计师保罗·安德鲁一下子被推上了风口浪尖。戴高乐国际机场经过七年的计划与建设,于1974年启用,座落于巴黎,是欧洲主要的航空中心,也是法国主要的国际机场。经扩建,2E航站楼启用,可是不久位于E50门附近的一处天花板发生坍塌。坍塌事故由多种原因引起,安全系数设计不足,混凝土的拱形顶棚由于弹力不足而被金属柱刺穿,而裂口又削弱了其结构。当时整幢建筑正处于使用极限,以便节约成本。点这免费下载施工技术资料
▲戴高乐国际机场
▲戴高乐机场2001年10月施工情景
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事故现场
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红色为发生坍塌的部分
2E候机楼的结构属于非常规结构形式,见下图的结构模型。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。
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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。【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。点这免费下载施工技术资料
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。
此外,还有许多的结构事故值得我们深思
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