混凝土结构设计 楼主 发帖

【经验之谈】结构倒塌案例系列—坍塌的空间

胆小怕楼主
1楼2017-04-2514:53

本文来源于iStructure微信公众号


随着现代结构理论的逐渐完善,以及建造材料、施工技术、管理水平的进步,建筑结构整体破坏的事故似乎越来越少发生了。

不过,以钢材建造的大跨度空间结构,其设计愈加精细轻巧、结构冗余度低,因种种意外、或者设计缺陷而坍塌的事件仍然时有发生。

楼主结合三个空间结构破坏的案例,从破坏原因、破坏形式的角度加以解读,引以为鉴。



1
整体失稳


19世纪后半叶,铁木辛柯最早证明了穹顶壳体的压曲荷载与壳体厚度、材料弹模成正比,与壳体半径成反比,即q=C*Et/R ,他给出的系数C=0.6。按此公式计算钢筋混凝土穹顶的厚度非常小。


打个比方,将鸡蛋壳视为薄壳结构,它的厚度是跨度的1/100;而一般混凝土薄壳厚度大约是跨度的1/300。当时穹顶是实现大跨度建筑空间的主要方法,在我们大师系列的文章中有过许多案例介绍。


用混凝土建造穹顶的施工困难、木模板造价高。人们便尝试使用强度更高的钢铁,建造更加轻巧的穹顶。但是设计师们忽略了一点,离散的钢构件不像混凝土薄壳单元那样连续、各向同性。


由于错误地、过于简化地沿用了经典混凝土薄壳理论,发生了几起严重的倒塌事故,例如查尔斯.威廉邮政学院剧院穹顶,以及布加勒斯特穹顶,以致于在一段时间内单层钢结构网壳被视为禁区。

罗马尼亚布加勒斯特穹顶


罗马尼亚布加勒斯特穹顶1961年建成,跨度约93.6米,矢跨比约1:5。钢管杆件构成的单层网壳,网格呈等边三角形式,支承在沿圆形周边布置的混凝土柱上。在网格的节点处有三个方向钢管汇交,如何连接?

三角形网格


工程师设计了一种用金属丝绑扎的方式。这种连接方式使构件都能贯通,大大简化节点构造、节省了组装成本。

钢管汇交节点的绑扎作法


完工的穹顶非常轻,自重和附加恒载仅55kg每平米。设计荷载还包括风、均布和非均布的雪荷载、竖向地震、检修活载等。荷载考虑得比较全面,取值也基本正确。


然而,1963年1月,穹顶在仅仅1/3设计雪荷载的作用下,发生了整体失稳。“穹顶沿着经线方向出现多条波峰波谷,像一个倒转的盘子一样塌了下来,而钢管杆件几乎丝毫未损。”

布加勒斯特穹顶的失稳形态


事故调查表明,穹顶整体失稳有两个主要原因:


1)钢管汇交节点采用的绑扎方式,不能限制杆件间的转动,甚至也可能相对滑动,大大降低了结构的稳定性。正是由于杆件间发生转动,穹顶呈现“波浪”形状的整体失稳。在这个失稳模态下,本来应该受拉的环箍并没有起作用,甚至局部处于压弯状态。


 2)根据简化的薄膜理论设计,钢网壳的整体稳定承载力过低。铁木辛柯公式中系数C=0.6,是基于某些假定的理想状态而得到的。后来冯.卡门与钱学森推导出C应取0.366 (注:Butler公司设计查尔斯浅壳时取0.366,查尔斯浅壳于1978年在不均匀雪荷载作用下倒塌,详见倒塌案例-与自然的抗争一文)。实际上,考虑初始缺陷、材料弹塑性、施工因素后,C可能仅为0.2甚至更低。

我国空间网格结构规范中将弹性屈曲的安全系数K取为4.2,正是考虑了实际工程中的各种不利因素和不确定性。布加勒斯特穹顶按弹性分析的安全系数K仅为2,与规范认可的承载力相差甚远。



2
构件失稳


哈特福德体育馆:三层网架网架


哈特福德体育馆的结构形式为类似正放四角锥的空间网架,由屋盖四角的立柱点式支承,跨度91x110米,网格尺寸约9米(偏大)。工程师将屋面板支托设在网架节点,既有利于控制屋面排水坡度,也使得上弦杆不必承受节间弯矩。

自从贝尔提出网架四角锥单元的结构稳定性,并用于建造瞭望塔以后,网架这种效率高、稳定性好的形式被广泛用于大跨度空间结构。与网壳结构不同,网架一般不会发生整体失稳。

网架的上弦杆件是由四块角钢组成的十字形截面,施工组装十分方便,节省造价。网架拼装时,考虑到施工便利性,对设计作了修改,将斜撑与十字截面的弦杆通过节点板偏心连接。网架构件组装后,安装设备管道,然后将屋盖整体提升。

十字形截面的弦杆,以及与腹杆节点



设计节点与实际施工的偏心节点


哈特福德体育馆建成后安然屹立了五年,似乎一切都没有问题。


但是,有两点“瑕疵”让人感到不安。

1)由于体育馆的跨度大、支承点少,网架需求的厚度较大。为了减小受压上弦杆和腹杆的计算长度,设计者在上下弦之间增加了一层水平系杆和二级斜撑。

但是结构师忽视了网架边界处,二级斜撑没有减小上弦杆在斜撑平面外的计算长度,上弦稳定性没有得到改善。


基本单元:增加了中间系杆和二级斜撑


 2)弦杆截面和连接节点设计虽然便于施工,但十字形截面的抗扭刚度很差,并且斜撑与弦杆的连接节点存在较大的偏心。

体育馆的结构师注意到了这一缺陷,于是用计算机验证方案。然而,计算机没有给出警告提示,这让结构师更加自信,以至于后来体育馆表现出的危险信号也被忽视了(网架提升后,监测的挠度是计算值的2倍)。 


体育馆坍塌现场


哈特福德体育馆,于1978年1月,在持续暴风雪的夜里,屋盖网架整体垮塌。所幸当时场馆内没有人,1400吨钢材、石膏板吊顶和建筑屋面砸在1万个空座位上。

压屈的上弦杆


事故调查的结论主要如下:

1)虽然降雪持续了大概2个星期,但垮塌时的雪荷载仍小于规范值,不存在超载问题。


2)工程师在计算模型中,将网架边界上弦杆的计算长度错误地指定为网格长度的一半,即将构件稳定承载力高估了约4倍。在节点偏心力的作用下,构件承载力进一步降低。


 3)边界处的一根十字形截面上弦失稳后,周边杆件没有足够的冗余承载力抵抗重新分配的内力。像多米诺骨牌一样,网架由外向内渐近式地倒塌了。(令人惋惜的是,只要增加不到50根附加撑杆,哈特福德体育馆就能避免灾难。)


至于上弦杆是压弯失稳还是弯扭失稳,专家们意见不一。


在此引用陈绍蕃老师《钢结构设计原理》中一段:“杆件稳定计算的常用方法,往往是依据一定简化假设和典型情况得出的,设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确使用… 失稳破坏是脆性的… 按照《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068规定,脆性破坏构件的可靠指标比延性破坏者提高一级,即β值由3.2提高至3.7,设计人员应在设计过程中给予判断把握。”



3
刚度


刚度是结构抵抗变形的能力。 我国空间结构规范规定网架挠度与跨度的限值是1/250。当结构跨度很大,而竖向刚度偏小时,屋盖挠度的绝对值很大,引起一种有害效应--“水平屋顶的水池化”。


水平屋顶的水池化:常规屋盖的中心挠度最大(排水孔在常布置在周边),下凹的变形使积水汇集,其产生的荷载使挠度增加,进而产生更多积水。当积水荷载达到某一临界值时,这种恶性循环会造成屋盖结构的不稳定。空间钢结构和轻型屋面的自重一般很小,总计约100~200kg每平米,仅相当于10~20cm的积水重量。


肯普体育馆Kemper Memorial Arena,1973年建成,是一座有重要意义的建筑,于1976获得美国建筑学会荣誉奖章。它的总尺寸约110米x99米,由三个巨型的钢结构空间桁架吊挂屋面。巨型桁架间距47米,跨度99米,之间的二级结构是平面钢桁架,间距16米。第二级平面桁架之间再布置第三级桁架檩条,间距2.7米,上面再铺设压型钢板组合板作为屋面。结构和建筑屋面共计130kg每平米。


体育馆的排水孔布置在周边,1.2万平米的屋盖仅有8个127mm的落水管(实际需65个以上),设计的排水能力严重不足。

屋盖结构布置


1976年6月,肯普体育馆因竖向刚度不足,4级主次结构加剧了水池化效应,在一场暴风雨中坍塌。

水平屋顶的水池化


对于常见的主次梁结构,人们已推导出水池化公式,在规范规定的结构挠度内可以规避。我们计算次梁挠度时,会扣除次梁端点的位移。但是,对于四级结构,即使构件每级的相对挠度都满足规范,屋面最低点相对支座的绝对位移是很大的。肯普体育馆有巨型桁架、次桁架、檩条桁架和屋面板4级结构,其水池化临界积水深度仅62.7mm,实际积水最大达229mm。

吊挂节点图,上端铰接,而下端刚接


体育馆的吊挂节点也存在设计缺陷,成为结构破坏的起始点。节点上端铰接,下端用法兰连接。当屋面挠曲时,法兰节点产生次内力,螺栓需承受额外的撬拔力,大大超出了设计承载力。吊杆的破坏引起屋盖的垮塌。

节点螺栓的撬拔力


结语

"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"---勒.墨休里曾说过。


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。


在结构领域里,仅靠技术进步无法确保减少事故,甚至会因盲目自信而增加事故的发生。


近三十年计算机技术的快速发展,使得如今的工程师,可以轻易地计算从前结构大师都无法求解的问题,以至于我们有些过分自信。


希望以上几则案例能给工程师们警醒,保持严谨的态度、心怀敬畏地做结构设计。


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  • 渐行渐远灬 2楼
    谢谢楼主分享
    2017-4-25 14:57
  • lsc13978284257 3楼

    谢谢楼主分享
    2017-4-25 16:15
  • 米牛 4楼
    已阅,值得深思!
    2017-4-26 13:12
  • 张工0 5楼
    谢谢分享 学习
    2017-4-26 14:00
  • jinlian82 8楼
    言之有理,引人深思
    2017-4-27 02:42
  • 机械迷城 9楼
    谢谢分享 学习
    2017-4-27 09:00
  • 张裕会 10楼
    感谢发布者,水平高,分析到位,好好学习。
    2017-4-27 12:43
  • 葡萄成熟时joe6 11楼
    非常感谢分享
    2017-4-27 12:56
  • simle321 12楼
    谢谢楼主分享
    2017-4-27 17:32

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