第二章 建筑物坍塌机理,2.,*,返回总目录,第2章建筑物坍塌机理,教学提示：坍塌事故是工程师的克星，要有杜绝重大事故的决心，战胜重大事故的勇气。只有知己知彼，才能百战百胜。因此要从回忆历史中寻找经验，弄懂理论，并掌握技巧。,教学要求：要以坍塌事故的危害性及其可防范性为重点，去引导学生学习。,工程出现坍塌事故是最大的不幸，会给人们的生命财产带来重大损失。因此结构抗震标准有“小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设防三准那么。既然可以确保工程结构在特大地震灾害条件下坏而不倒，也就应该完全可以杜绝工程坍塌事故的出现。可是工程实践证明，事实并非如此简单。这就充分说明了有对工程坍塌机理进行深入分析、研究的必要性。,建筑物坍塌事故概述,建筑物坍塌事故机理研究,坍塌事故与自然灾害,坍塌事故防范,结构加固的经济性,本章内容,坍塌事故抢救,思考题与习题,结构加固的可行性,坍塌事故案例,传感器根底知识,一工程坍塌事故定义,工程坍塌事故是指建筑物或构筑物，由于某种内在的或外来的原因遭到破坏，不仅完全丧失了结构的承载力功能和建(构)筑物的使用功能，而且完全失去了自立功能，局部或整体塌倒在地上，成为建筑垃圾，完全丧失了恢复功能的可能性。,建筑物坍塌事故概述,二坍塌事故不容多见,人有衣、食、住、行等多方面的要求，但以满足住的要求难度为最大。工农业经济和生产技术开展到今天，解决衣、食等生活必需品问题已比较容易，付出的代价已不是很高。唯独要解决住的问题，仍然有很大的难度。即使在兴旺的西方各国，自有房产的占有率仍然不是很高，远不能到达居家有其房的理想境界。人们要获得住房，必须在生存竞争中付出更多的劳动代价。这说明住房仍然是人们毕生创业与奋斗的重要目标，也是一般人终生获得的最珍贵的财富。何况作为栖身之所的住房，人们在其上花费了毕生精力，这里还集中了其他生活资料、毕生积蓄，甚至再加上其家庭成员的珍贵生命，即所谓全部身家性命统统集中在这里。房屋倒塌可以说是人生最悲惨的遭遇了。因此倒塌事故是决不容许多见的。严防建筑物倒塌应该是工程师们义不容辞的职责了。,建筑物坍塌事故概述,三倒塌事故不应多见,既然倒塌事故要付出的代价这么高，就要遵循建筑结构抗震设计三准那么：即“小震不坏，中震可修，大震不倒的严格要求。所谓“大震不倒，是指即使遇到了抗震设防标准以上的特大地震建筑物难免要受到损害，也决不容许建筑物出现倒塌。其实，但凡经过正规设计，正规施工的新建筑物，不管是砖混结构、钢筋混凝土结构，还是钢结构，都具有很好的延性，应该有很高的抗倒塌能力。在1994年前后的美国洛杉矶地震和日本阪神地震中，倒塌的就都只是那些年久失修的旧建筑物。实践证明要实现抗震设防三准那么是完全有可能的。超过抗震设防标准以上的地震荷载应该算得上建筑物可能遇到的最大荷载了。既然如此，也就说明，不管在任何时候任何情况下，都不容许、不应该有建筑物倒塌的情况出现。只要出现，就完全可以认定在设计、施工与管理(使用)方面必然存在严重问题，必需追究人为过失。决不容许人们在自然灾害的大帽子底下开小差，逃避责任。这一点不仅是每一位工程师，也是土木建筑行业的每一位从业者都应该清醒地认识到的。,建筑物坍塌事故概述,四倒塌事故不会少见,事实上，不管是从唐山地震的画面，还是最近几次伊朗地震的画面所见，倒塌的建构筑物都是成片成堆，触目惊心。自然，这些倒塌的建构筑物大都是未经抗震设防的历史留下来的包袱；问题是，不管什么国家，就是像日本那样的经济强国，仍然难免存在历史包袱；问题是，即使是在今天大建设高潮中新建成的工程，对其平安性与耐久性问题仍然没有得到应有的重视；问题是，正在施工中的大楼还时有倒塌事故的出现。从这一点看，前景确实不容乐观，倒塌事故不会少出现。,建筑物坍塌事故概述,五小康社会与安居工程,我国很快就将全面进入小康社会。顾名思义，所谓小康，必然要具备一个安居乐业的条件。所谓安居，起码必须保证居住建筑的绝对平安，不能让人们在担忧住房倒塌、提心吊胆的情况下挨日子。可是仔细考察起来，对于13亿人口来说，具备这一条件还真不容易。先把广阔农村的居住平安条件放在一边，就拿城镇来说，近一百亿平方米的居住建筑，究竟有多少是符合平安标准的，还说不清楚。要先进行一次全国性的安居工程普查鉴定，再进一步开展改造加固工作才行。其规模之大，所需投入量之大，可想而知。政府有关部门是否已把它列入实施方案，应予关注。同时，这也是整个土木建筑行业从业人员所必须面对的一个现实问题。,建筑物坍塌事故机理研究,建(构)筑物的坍塌机理极为复杂，也难以用理想化的力学模型进行表述，现分以下三种不同的坍塌机理进行一些初步探讨。,一整体坍塌,建筑物的整体坍塌与建筑物的上部结构，包括建筑物根底在内的建筑物整体的设计标准承载能力、刚度特征，均无必然关系。甚至相反，越是上部结构设计标准偏高，刚度偏大的建筑物，出现整体坍塌的可能性就越大。整体坍塌后的建筑物虽然已失去了使用功能，但其内在的结构构件，却可能仍然完整无损。其坍塌机理分以下几种情况。,建筑物坍塌事故机理研究,1.桩基失稳坍塌,桩基失稳，导致建筑物倾斜并坍塌的事故是当前出现几率最高的事故。关于桩基倾斜、失稳引起建筑物倾斜、坍塌的机理研究工作，目前人们的关注还很不够。桩基失稳的直接原因是挤土桩的挤土效应与超静孔隙水压力效应。比方武汉某18层大楼因为桩基失稳，导致大楼倾斜、摆幅达3354mm。虽然尚未形成倒塌事故，但是大楼摆幅如此之大，自然是人们所无法接受的，最后只得实行爆破拆毁。,建筑物坍塌事故机理研究,2.地基剪切破坏坍塌,根据岩土力学的弹塑性理论分析与大量刚性筏板根底或箱形根底下的压力盒测试记录证实，刚性根底下的压应力(地基反力)分布曲线呈马鞍型，压力强度为边缘大、中间小。因此，地基很可能在边缘出现应力集中状态，形成塑性体，引起剪切破坏，土体向旁挤出，导致建筑物倾斜与坍塌。如图2.1所示。著名的加拿大谷仓坍塌事故就是一例。,建筑物坍塌事故机理研究,3.地基液化或流变坍塌,饱和粉细砂土或饱和粉土在受到震动波作用下，会出现液化现象，土体颗粒处于悬浮状态，不仅失去自重，失去相互约束的能力，也完全失去支承能力，就必然导致建筑物坍塌。日本新泻地震时出现的大量建筑物整体坍塌、卧倒现象，就是地基液化的结果。同样，饱和软黏土尤其是淤泥质土在受到扰动时，会产生流变状态，使地基土完全失去支承力，导致建筑物倾斜与坍塌。,4.地基整体失稳坍塌,在工程地质构造异常的条件下，很可能出现滑坡、山崩、地动、地陷等现象。建造在这些滑动土体上的建筑物就成了无本之木，必然遭到坍塌破坏。,建筑物坍塌事故机理研究,如果把整体坍塌比较成人的急性病，那么裂损坍塌就是慢性病。急性病之所以可怕，在于如果抢救不及时，顷刻之间就可能要了命。慢性病的可怕之处那么在于发病率高，根治困难。裂缝，只是坍塌的最初征兆。就像人身患病，必然有体温失常，脉情异样的表现。建筑物裂缝迹象如果任其开展下去，建筑物的变形、失稳与坍塌现象就会最终出现。,二裂损坍塌,建筑物坍塌事故机理研究,1.裂缝机理,裂缝阶段是建筑物走上损毁坍塌之路的最初表征。建筑物裂缝机理最为复杂，也是工程事故分析课题的研究重点。我们将根据各种不同的结构类型和不同的致裂原因，在后面的有关章节分别深入地研究其不同的裂损机理。只有正确地掌握和理解了结构的裂损机理，才谈得上对危险建筑采取正确的加固与拯救措施，才谈得上能在工程实践过程中提高事故防范意识，杜绝重大事故的发生。,建筑物坍塌事故机理研究,2.变形机理,结构出现严重裂损以后，其整体性受损，刚度锐减，因而出现严重的结构变形。变形出现以后，由平面结构组成的空间结构体系就被破坏，结构的计算图形或者说力学模型完全改变。稳定结构逐步变为不稳定结构，这就是坍塌的前兆。,3.失稳机理,建筑物的变形开展到失稳阶段，情况就如同人的病情进入了急性阶段。失稳阶段的平衡状态是临时性的极限平衡的临界状态。这一时刻只须有些许外力作用，建筑物就可能急剧开展成坍塌状态。同样，只要施以适当的外力，也可能使结构暂时转危为安，获得加固与恢复的时机。,建筑物坍塌事故机理研究,4.坍塌机理,如果说因为地基问题引起的建筑物整体倾斜与坍塌还可能保持上部结构的完整无损，并有可能获得扶正复位与加固希望的话，那么经过裂缝、变形、失稳最后进入坍塌状态的建筑物就只能是粉身碎骨，剩下的必然是一片废墟。事后进行清理还必然花费很多人力物力。,建筑物坍塌事故机理研究,三局部坍塌,局部坍塌事故多出现在整体性较差的预制构件体系。比方由于钢屋架或钢筋混凝土屋架的承载力不够、变形太大引起的屋顶坍塌事故，就是曾经在国内外工业厂房中出现频率最高的事故。一般情况下只形成几榀屋架范围内的连锁反响，就会发生局部坍塌。只有在体系整体性极差的情况下，才构成厂房的整体坍毁。发生在英国伦敦的由于煤气爆炸形成局部冲击荷载引起预制大板结构的高层公寓局部坍塌事故，就是比较典型的案例。,坍塌事故与自然灾害,什么是坍塌事故，什么是自然灾害，在工程事故分析中，必须有个明确的界定。在前面坍塌事故的定义中已经谈到了这一点，但似乎还不够具体。问题在于人们往往愿意把很多责任事故统统划归自然灾害以逃脱责任，躲避惩罚。这不仅有失公正，而且对经验的总结、技术的进步、事故的防范也极为不利。比方说唐山大地震，几乎整个城市的建筑物被摧毁，死伤人数达40余万，而地震烈度与之相近的美国洛杉矶地震与日本阪神地震造成的建筑物坍塌和人员伤亡就寥寥无几，损失极为有限。因此，决不能把人为过失统统算作自然灾害。灾害是可以依靠人们的积极努力去减免与消除的，也可能由于人们的过失而导致并加重的。抗震设计的平安设防三准那么已规定得很清楚，建筑物的抗震设防底线是“大震不倒。滑坡、山崩、地动、地陷、水灾、火灾等所有能导致建筑物坍塌的自然灾害都应该有个设防底线。有了设防底线，自然灾害都是可以防范的。既然可以防范而不加防范，那就是责任事故。当然，自然条件是在不断开展变化中的，受时空的限制。很多现象，很多问题，过去无法发现，只有开展到今天才明朗化，这就必然有历史留下来的包袱。很多问题今天仍然不可预料，只有留待以后才能澄清处理。在这样的情况之下形成的事故，才能算得上自然灾害。,坍塌事故防范,既然坍塌事故会给人们与社会造成如此大的损失，就必须把精力集中放在事故防范工作上。不管是慢性病还是急性病，其发生开展都有一个过程，都有一定的预兆。不管是建筑物的整体坍塌，或是裂损坍塌，还是局部坍塌，都是可以防范的。除了像“911事件中的纽约世贸大厦被毁之类的特殊情况外。有一位名医说过一句话：“最好的药是时间。时效就是良药，这很有哲理。再大的病，只要及时采取一点点小措施，也许只是一小片药，就可见神效。如果贻误了治病时机，那么再好的、再珍贵的药也难以见效。坍塌事故等到已经发生或即将发生时再救治，必然是徒劳无益的了。越是防范得早，就越省事，越能见效。既然坍塌事故的根源可能出现在工程实践的全过程中，也就是从勘察、设计、施工到使用阶段的任何一个时刻，那么事故防范就不能单是依靠勘察设计和施工操作中的从业人员就能完全见效的。这是一件全社会都应该关注的大事，必须从科普、教育、宣传下手，全体发动，全面防范。记得阪神大地震以后，日本社会在抗地震和防范坍塌事故方面的科普宣传工作做得很普及，值得借鉴。,坍塌事故抢救,坍塌事故抢救应按事故到来之前和事故出现以后两种情况来进行讨论。在事故到来之前的紧要关头千钧一发之际，抢救工作组织和发挥得好，就可转危为安，同样，在事故出现以后，为了抢救埋在废墟中的生存者，更需要紧张有序、快速见效的抢救工作。,坍塌事故防范,一千钧一发之际的紧急抢救,从力学观点看，倒塌事故到来之前的一刻，结构体系正处于极限平衡的临界状态，正像天平上的两力相持，难分上下。稍微一点外力，就能起到决定性作用。在这样的紧急关头，负责组织抢救的人不能光凭胆量和勇气去取胜，必须把厚实的技术功底和良好的心理素养包括理论根底和实践经验亮出来，展开搏斗。既不能瞎指挥，帮倒忙，也不能犹豫不决，坐失良机。这是真正经受考验的关键时刻。当然，其中也会存在很多偶然因素。有些突然出现的情