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建筑结构丨大规模塌楼事故高峰期?再谈既有民用建筑的安全性

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近期,塌楼事故频繁发生,造成巨大生命财产损失和恶劣社会影响。既有建筑的安全性再次被推到风口浪尖。

7月12日,江苏吴江四季开源酒店三层辅房坍塌,17人遇难,5人受伤,20多人获救

6月24日,美国佛州公寓坍塌;截至7月16日,死亡人数升至97人,尚有10人下落不明

6月19日 ,湖南汝城某民房整体垮塌,致5人死亡,7人受伤

在这些沉痛的数字背后,是广泛的讨论和思考。为什么总会发生这么大范围的破坏?到底是什么原因引发了事故?什么情况下还会再次发生?就这些问题,研究室进行了思考和讨论。

为什么都是大范围破坏

如同下面的骨牌一样,一栋大楼的倒塌,最初可能只是因为某一很小的环节出现了问题。而这种最初破坏影响被逐步放大,最终形成大规模破坏情况,被称为连续倒塌

目前公认最早的连续倒塌事故,是1968年英国Ronan Point公寓倒塌事件。随后,1972年版美国ANSI标准中首次引入防结构连续倒塌的规定;1982年版ANSI标准推出具体实施办法;自“9·11”事件发生后,美国GSA2003指南和DoD2005规范纳入了可操作性较高的抗连续倒塌设计方法。

我国自汶川地震后,也开始重视结构的抗连续倒塌设计,并在2010年版的抗规、混规中给出明确规定;2014年推出《转自:建筑结构-公众号抗倒塌设计规范》(CECS 392: 2014)。
Ronan Point公寓倒塌事件
回到近期事故本身,美国佛州公寓1981年完工,江苏吴江的酒店建于1984年左右,而湖南汝城的民房为自建房屋,以时代背景和设计能力而言,推测建筑抗连续倒塌的能力较弱,因此发生大规模倒塌破坏的概率也较高。

事故原因是什么

在剖析事故原因前,首先梳理下各个建筑在事故发生前存在的问题。

美国佛州公寓坍塌事故:

① 1981年完工
② 1990年后以每年2mm速度下沉
③ 泳池边路面有裂缝,附近曾有施工
④ 底部防水材料失效,混凝土恶化程度提升
⑤ 2018年勘察报告指出,存在“重大结构性损坏,柱子、横梁、墙壁有大量开裂

江苏吴江塌楼事故:

① 1984年左右建造,结构老旧

② 经历多次装修

③ 坍塌时里面正在装修,可能正在挖地下室,承重墙疑似被拆改

湖南汝城民房垮塌事故:

① 为居民自建房

② 大约建于3年前

③ 坍塌时,旁边有工地在打地基

不难看出,这几个事故均为既有的民用建筑,负重大使用频繁,且存在不同程度的结构损伤装修改造承载能力不足以及周边施工扰动问题。虽然,在设计安全系数的保护下,结构尚能勉力维持,但不断积累的损伤、增加的载荷、周边的扰动,任何一项因素,都可能成为压死骆驼的最后一根稻草。
由此可见,影响结构安全的因素并不单一,多重因素削弱影响,才是引发事故的根本原因。

类似事故的分析与反演

此类多重因素共同影响下的倒塌事故,不禁让人联想到去年疫情期间发生的泉州欣佳酒店坍塌事故。事故结构存在的问题有:1)违规加层:2018年由原来的四层改造为七层;2)违规改造:原整层大厅加砌多道隔墙,改为酒店客房;3)违规施工:事发时,正对底层钢柱进行违规加固作业。

从结构安全分析的角度,上述影响因素,可被转化为结构变化荷载增大材料老化(材性折减)、截面损伤以及边界条件(局部柱底发生偏移)的变化。

2020 年3月7日 ,泉州欣佳酒店发生整体坍塌,造成29人死亡、42人受伤

为了分析这些多重因素对结构安全性的影响,研究室展开一系列数值模拟研究。根据结构达到安全极限状态时(即将发生倒塌)各因素的数值情况,绘制形成结构安全临界面。其中,当综合影响点位于曲面上方时,将会有塌楼危险。
结构安全临界面

由图可见,随着各因素影响程度的不断提升,结构的安全空间也会急剧减小。而在材料老化严重、结构负载较大的情况下,构件损伤的加剧柱底轻微的偏移,都有可能使结构达到安全极限,加剧倒塌风险

研究室还对不同因素影响下的结构破坏形态进行了模拟。分析发现,考虑柱底偏移后的破坏形态与实际更接近,由此可以推测出实际事故中权重较高的影响因素。

材性折减+荷载增大

支座偏移+荷载增大
监控下的倒塌情况

结论

随着既有民用建筑房龄的增加,结构的安全余量不断减小,对承重构件损伤、边界约束变化敏感性也在增加。对于此类建筑,要尤其关注建材的老化表面的开裂以及周边环境的变化情况,提前预警,从而减少生命财产损失。

地基挖太深导致邻居家房子倒塌

同时,近年来违规设计违规改建违规施工的现象愈加严重,施工中的违规改建更是会对结构安全造成毁灭性的影响。对于此类工程,要密切关注施工中承重构件的损伤、基础状态的变化,及时止损,避免大规模破坏事故的发生。

上海昭化路厂房“5.16”坍塌重大事故,改造施工过程致使承重构件破坏失稳,引发连续倒塌
来源:结构技术研究室

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