ganggouren
“转自：结构设计-公众号“
“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。
铁戒/Iron Ring
1900年，加拿大魁北克大桥开始修建，横贯圣劳伦斯河。桥梁设计总长987m，悬臂段长度达177m，中间段桁架长度195m搁置在南北侧的悬臂端上。在桥梁的设计和建造过程中，年轻的工程师Theodore Cooper和Peter L.Szlapka未能履行应尽的职责。为了建造当时世界上最长的桥梁，工程师Cooper盲目自信，未经过严密计算就擅自增加了桥梁主跨度；没有准确计算桥梁的荷载，使得实际自重荷载大大超出了桥梁的设计承载能力。
魁北克大桥原始设计图
en.wikipedia.org/wiki/Hyatt_Hotel_disaster
在大桥即将竣工之际，悬臂段的主弦杆发生了明显的扭曲，这一现象没有引起工程师Theodore Cooper的重视。1907年8月29日，南侧的悬臂段发生了垮塌。建造了四年之久的大桥在15秒种掉进了圣劳伦斯河，同时带走了75个人的生命。
1907年 魁北克大桥垮塌
1913年，大桥重新设计建造。然而，悲剧再次重演。1916年9月，由于施工起重装置的问题，中间段桁架在安装过程中掉落到河中，有13名工人在事故中丧生。
1916年 魁北克大桥中间段掉落河中
历经种种灾难，1917年大桥终于建成通车，成为迄今为止悬臂最长的大桥。这座大桥原本可以成为不朽的杰作，却成为了工程界的一种耻辱。
1917年 魁北克大桥安装过程
为了铭记这次工程灾难，加拿大七所工程学院筹资买下了垮塌的大桥残骸，打造成一枚枚指环，每年分发给从工程系毕业的学生，取名“工程师铁戒/Iron Ring”。这枚戒指代表着工程师的责任和谦逊，提醒我们不要忘记历史的教训。
受加拿大工程师铁戒传统的影响，1970年美国建立的工程师职责协会(Order of the Engineer)，开始在工程学本科毕业生中授予铁戒。现在，美国各州的工程师协会，将举行工程师职责领受仪式(the obligation of the order)。【注：文末附有美国领受仪式的誓词。】
铁戒/Iron Ring
stainless steel version, issued circa，2013
美国凯悦酒店人行连廊坍塌事故
1987年落成的美国堪萨斯市凯悦酒店，在南北楼之间是一个长宽约36米x44米、挑高15米大厅。大厅上方是由钢结构桁架搭建的屋顶。为了联系南北楼之间的人行交通，在2~4层分别设置了3个连廊通道。连廊从大厅上空穿过，位于三层和四层的连廊分别通过钢拉杆吊挂在大厅屋顶的钢桁架上，而二层的连廊则用拉杆挂在四层的下方。连廊钢梁共4跨，每跨长度9米，两端分别通过固定和滑动支座搁置在南、北主楼结构上。
二层、四层连廊通道吊挂结构(纵向剖面)
连廊通道横向剖面
1981年7月17日，正厅聚集了1600多人参数舞会，连廊上观赏的人群也随着乐曲旋律起舞。人们先是听到一声巨响，随即二层和四层的通道整体从连接屋顶桁架的吊杆处脱落，一时间碎片飞散、烟尘弥漫。事故共造成114人死亡，200多人受伤，很多人因此终身残疾。 (注：在世贸中心911事件之前，这次事故是美国历史上最严重的结构性毁损灾难)。
已经坍塌的二层、四层连廊和仍完好的三层连廊
调查工作随即展开。事故发生时有63人在连廊上靠南一侧，人群活荷载相当于设计活荷载(5kN/m2)的15%左右。首先被想到的可能是，通道在人们跳舞的激励下产生共振。也有人怀疑是建筑材料的质量，或者螺栓安装、焊接质量的问题。在相当长的一段时间里，却没有人怀疑(或是不愿怀疑)是工程师设计的原因。然而，最终的调查结果证明，事故的根源正是钢拉杆与横向箱形梁的节点设计问题。
在四层连廊的吊挂节点处，直径约32mm的钢拉杆(连续式)贯穿横向箱形梁，并通过螺母在梁上紧固锁定。横向箱形横梁由203mm高的两根槽钢通长对焊而成。从受力分析来看，上段吊杆承受了两层连廊的荷载、下段吊杆仅承受了一层连廊的荷载，而横梁与吊杆的节点都只需传递一层的荷载。
原始设计和变形设计：变更后节点力增大至原设计的2倍
由于吊杆的长度超出了常规加工长度，现场施工的承包商将吊杆截为2段，在四层通道的楼面横梁处搭接。具体的作法见下图，箱形横梁(由槽钢对焊而成)的每个端部留2个孔洞，一个距梁端50mm，一个距梁端150mm，上下两根吊杆分离，并分别用螺帽紧固在横梁上，横梁内未设置加劲板。承包商提出以上设计变更，结构工程未经复核便草草地签盖了“同意”印章。
变更设计后的节点连接
事后稍加思考，不难发现：虽然设计变更前后的钢吊杆拉力不变，但四层通道楼面的箱形横梁节点处的剪力增大了一倍。事故现场调查和后续节点试验结果，表明结构破坏的起源正是此处，“由槽钢对焊而成的箱形梁翼缘板平面外承受力很弱，承受不了吊杆巨大的拉力，最终吊杆拉穿了横梁的翼缘板，形成了类似冲切的破坏形态”。事故当时听到的第一声巨响，正是吊杆拉穿钢梁下翼缘时发出的。
节点破坏形态
节点破坏形态 (事故现场照片)
坍塌后，四层以上的拉杆仍孤零零的吊在屋面下
如果采用了原始设计中的连续式拉杆节点，虽然也不符合设计规范，但至少能承受事故发生的活荷载。工程师没有尽到应有的职责，草率地同意承包商的设计变更，没有验算节点的承载能力。实际上，对于这个不合理的节点形式，没有成熟的公式计算其设计承载力。正是这样一个小小的疏漏，造成了数百人死伤的灾难。[注：小i认为，只要在箱形横梁内增加2块加劲板传递剪力，该节点即可能达到需求的承载力。]
调查结束后，直接责任设计师Jack D.Gillum被永久吊销了在密苏里州的执业执照。美国修订了法规，要求涉及到公众的建筑，必须经过政府指定的独立结构工程师审核结构的安全要求。美国土木工程师协会在协会规则中向结构工程师强调了“你要为自己盖章的设计负责！”。美国凯悦酒店人行连廊坍塌事故，值得每个结构工程反思、深省。
法国戴高乐机场2E候机厅坍塌
2004 年5 月23 日,巴黎戴高乐机场2E候机楼在投入使用2年多后，屋顶结构突然坍塌，造成4人遇难。该建筑由著名建筑设计师Paul Andreu安德鲁设计，引起了国际上的广泛关注。当时安德鲁也是国家大剧院的设计师，而且事故遇难的人中有2名中国人，安德鲁和他的设计饱受国人质疑。
巴黎戴高乐机场2E候机楼，红色为发生坍塌的部分
事故现场照片
2E候机楼的结构属于非常规结构形式，见下图结构模型。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。
候机楼横向剖面
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：
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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。
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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。【小i猜想：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。】
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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。希望以上几则事故案例能给工程师们警醒，保持严谨的态度、心怀敬畏地做转自：结构设计-公众号。
附：美国工程师职责领受仪式誓词
The Obligation of the Engineer
I am an Engineer.
In my profession I take deep pride. To it I owe solemn obligations.
Since the Stone Age, Human Progress has been spurred by the EngineeringGenius. Engineers have made usable Nature’s vast resources of Materialsand Energy for Humanity’s Benefit.
Engineers have vitalized and turned to practical usethe Principles of Science and the Means of Technology. Were it not for this heritage of accumulatedexperiences, my efforts would be feeble.
As an engineer, I, (full name), pledge to practiceIntegrity and Fair Dealing, Tolerance, and Respect, and to uphold devotion to the standards anddignity of my profession, conscious always that my skill carries with itthe obligation to serve humanity by making best use of the Earth’sprecious wealth.
As an engineer, I shall participate in none but honestenterprises. Whenneeded, my skill and knowledge shall be given without reservation for thepublic good. In the performance of duty, and in fidelity to myprofession, I shall give the utmost.
来源：iStructure微信公众号。
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