本帖最后由 eason是我粉丝 于 2017-9-28 14:06 编辑
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建筑物意外坍塌的原因通常与荷载作用、结构体系、节点构造等因素有关。建筑因荷载作用的误判而意外倒塌的案例从未间断过，工程师在失败中不断积累着结构设计的经验和对大自然的敬畏之心。
本文介绍了恒荷载、活荷载、风荷载、温度荷载、不均匀沉降等荷载作用导致建筑结构倒塌的一些案例，地震作用、碰撞荷载、爆炸荷载等将在后续文章进一步阐述。
圣索菲亚教堂的命运——恒荷载 恒荷载是结构竖向荷载的主要部分，也是结构要站立起来首先要承担的荷载。通常恒荷载包括了结构构件自重及所有一直存在的荷载，如建筑面层、隔墙、吊顶、通风管道系统等。现今结构因自重倒塌的例子鲜有发生，但中世纪的教堂穹顶多为石砌，倒塌常有发生，有些穹顶甚至曾经历过多次倒塌和重建。其中，最著名的是圣索菲亚大教堂（Hagia Sophia）。
圣索菲亚教堂实景
圣索菲亚大教堂建成于公元537年。在建成后仅二十年，东侧穹顶及相邻部分主穹顶就坍塌了。造成倒塌最直接的原因是穹顶较平且自重大，对边拱产生了巨大的推力，南北侧的边拱无法承担如此巨大的推力不断外斜，造使东边拱失去了支点而倒塌。
圣索菲亚教堂剖面
查士丁尼大帝决定立即重建穹顶，新任建筑师注意到浅穹顶产生的巨大推力，决定在重建时增加其矢高改成半球形，外推力因此减少了30%。但原有扶壁柱本质上薄弱的问题仍未解决。
公元989年，西边的拱和半穹顶因为穹顶推力再次倒塌了。
为了防止倒塌再次发生，老安德罗尼古斯皇帝决定在教堂北面和南面的转角处再次建造两座巨大的扶壁。
即使如此还是无法阻止东边的拱在1346年经历了一次地震后再次倒塌。 扶壁示意图
直到工程师充分认识穹顶的受力之后，在底部增设一圈铁链，倒塌重建的循环才得以终止。
铁链在穹顶底部形成拉力的闭合环以抵消穹顶巨大的推力，大幅减小了扶壁所受侧向力。即使后期拆除了某些影响建筑外观的扶壁，穹顶依然在经历了几次大地震后屹立至今。
查尔斯.威廉邮政学院穹顶倒塌——不均匀活载
长岛大学分校查尔斯.威廉邮政学院（Charles William Post College）于1970年建造了一个可以容纳3500名观众席的剧院中心。
屋面采用钢结构穹顶，穹顶直径约52米，由环绕于四周的钢柱支承，钢柱间沿经线均匀布置四十榀钢管桁架。
穹顶顶部设钢压力环，底部采用圆形的雨棚作为拉力环。纬向每隔一格布置连续十字交叉支撑。穹顶矢跨比只有１:７，而与之相较罗马万神殿是１:２。
在当时，该穹顶剧院被认为是极为优秀的设计案例，并经历了多次海岛台风的考验，获得了大量建筑奖项。 穹顶结构布置示意图 然而在1978年１月21日凌晨，剧院穹顶却因积雪和结冰导致中心突然凹陷，随即整体倒塌。
所幸学生恰好因圣诞假期离开学校，未造成人员伤亡，但造价200万美元的剧院中心却毁于一旦。
没有人敢肯定倒塌是由于自然不可抗力还是因为设计或施工的缺陷造成的。 经过专家组的数次调查查明，最主要的原因就是设计时不当得采用过于简化的计算方法——只计算了均布自重及活荷载，而未考虑活荷载不利布置。
当晚，大雪在风力作用下在穹顶上产生了飘移，雪堆积在背风面造成了不均匀荷载。虽然总体雪荷载只有设计总荷载的1/4，但却集中在屋顶表面的1/3区段，不均匀荷载分布造成了倒塌。 荷载不均匀分布示意图 倒塌的另一个原因是，结构工程师在设计时错误的将薄膜理论应用于网格穹顶。
薄膜理论假设穹顶具有连续性，但很明显，网格穹顶表面是各向异性的。因而在承受不均匀风力作用时造成网格扭曲。
同时大部分网格的杆件都承受压力，而设计中并未建立杆系模型来验算其整体稳定性。
现场调查结果也证明了这一点，扯开屋面材料检查内骨钢结构骨架，风吹方向所有受压斜撑杆件都已压屈退出工作，上部的压力环也发生局部扭转。 结构失稳示意图 摇曳中的塔库玛大桥——风荷载 自1940年７月１日第一天启用开始，连接西雅图与塔库马的塔库玛窄桥（Tacoma Narrows Bridge）就从未停止过振动。
由于该桥是由知名的吊桥专家里奥.莫昔夫（Leon Moisseiff）所设计，所以并没有什么人真的质疑桥的安全性。 原塔库玛窄桥照片 塔库马窄桥为悬索桥，桥塔高约128米，主跨距853米。其晃动与其它桥的不同，一般桥梁的摇摆会因为阻尼作用很快停下来，而塔库马窄桥却由于阻尼比普通桥梁低了很多而摇晃不停。
工程师曾采用了多项预防措施试图控制桥身的摇摆，遗憾的是都没能成功。 塔库玛窄桥防止晃动措施 1940年11月7日，风力自早晨7点半开始持续加大，十点时风速增加到每小时68公里（相当于8级风力），桥面开始剧烈扭动。
桥面板最大扭曲角度接近45°，估计当时从最高点到最低点的最大扭转振幅约有7.6米。随着一阵震耳欲聋的巨响，一段约180米长的桥身脱落掉入河里。
最终，两侧的引桥也塌陷下去，桥塔的顶部向两岸倾斜了约3.6米。这座曾经靓丽一时的吊桥最终被摧毁了。 塔库玛窄桥现场倒塌视频
设计师莫昔夫的能力是无可置疑的，他曾是金门大桥、布朗克斯白石大桥以及旧金山—奥克兰海湾大桥的工程顾问。
那么，为何塔库玛窄桥会在远小于设计风载的作用下发生扭曲，甚至断裂呢？答案是桥梁抗扭刚度不足，产生了空气动力学上的风力振频现象。
风力振频现象就如用吹风机平行吹动一张宽度不大的薄纸条，纸条会剧烈的抖动且幅度越来越大。
由于风吹的方向永远不会完全水平，它可能开始时从桥下往上吹袭桥身，轻微地把迎风面桥缘往上抬起，并把背风的一侧往下压，而后由于桥身回复力又回转到原状，并向反方向运动，开始另一轮循环。
如此不停地反复作用，使摆动的幅度逐渐增加，到最后造成桥身断裂。 塔库玛窄桥风力频振作用示意图
但这与共振现象不同，因为稳定作用的风荷载没有周期，因此不能与桥身的摆动产生共振，虽然它振幅随着时间增强的现象和共振十分相似。
那么，设计阶段我们是否可以防止塔库玛窄桥的扭转呢？答案是肯定的。
首先，可将实腹钢梁改为桁架减少迎风面积，从而减少作用于桥身的风荷载，同时增强了其抗扭能力；
其次，可增加桥身截面宽度以增强其抗扭能力；此外，可设置适当的阻尼装置，减少空气动力引起的振动无限增强现象。
不幸的是，在1940年，没有一个工程师注意到空气动力振频现象对吊桥产生的危险性，以致在塔库玛窄桥的设计上完全没有考虑预防措施。 1943年9月3日，也就是塔库玛窄桥倒塌后3年，原设计师里奥.莫昔夫死于心脏病，让后人唏嘘不已。
戴高乐机场2E候机厅坍塌——温度作用
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安德鲁（Paul Andreu）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，而且有2名中国人在事故中遇难，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。其结构形式、构造的适用性、混凝土蠕变，尤其是温度效应均超过了现行规范的范围。 候机楼主体结构模型 戴高乐机场2E候机楼是在没有明显外加荷载下突然坍塌，一个重要原因便是分析中没有计算整体的温度作用，在结构建成后的2年多时间里，超长的候机楼结构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。综合其他各种因素，屋面最终整体坍塌。
可见冰冻三尺非一日之寒，温度作用虽不可见，但确实在日积月累中对建筑结构产生着潜移默化的影响，如忽视了其作用亦会导致极为严重的后果。 比萨斜塔——不均匀沉降 怡人的意大利托斯卡尼（Tuscan）城镇比萨（Pisa），每位游客来到此地都会记得，伽利略关于物体落下速度与重量无关的实验正是在此完成。伽利略从比萨斜塔的顶上抛下木球与铁球进行实验，而当时塔身向南倾斜了约4.5米，正是做实验的好地方。
这座塔自1174年兴建之日起就从来没有竖直过。由萨诺（Bonanno Pisano）设计的这座塔塔身高约60米，由于不稳定的土质条件，在开始建造时即发生地基不均匀沉降而向北缓慢倾斜。
随着高度的逐渐加高，它又转而向南倾斜，而且直到今天仍在倾斜过程中。塔底下的三层土质分别为： 第一层约10米厚，由各种不同厚度混合的沉积土、可压缩的黏性土及沙土组成； 第二层为10~21米厚，包括可压缩的黏性土、硬黏土层、沙、黏土等组合物； 第三层约19米厚，为水饱和砂土层。 比萨斜塔土层剖面 由于比萨连年累月的战争，塔体施工到三层时被迫停工，并一直到94年后才复工。幸好有长时间停工，才使得黏土层得以在高塔压力作用下慢慢固结，否则这座塔可能会在刚建成后就因不均匀沉降倒塌。
下图显示了从1174年到1980年间该塔倾斜角度增加的趋势，可见一开始倾斜速度较为缓慢，到了13世纪初，倾斜角度大增，然后倾斜率又不断降低直到现在。 比萨斜塔的倾斜度变化 比萨人非常关心这座斜塔，曾采取各种方法试图控制其不断地倾斜。如在地基及四周喷入90吨水泥、实施基础防水工程、停止四周深井抽水等。
然而这些方法被证明均未能阻止塔身的继续倾斜，甚至有的方法还使塔身倾斜的速率加快。
面对脆弱的地基和古老的建筑，永远不知道会发生什么状况。当然比萨人并不希望斜塔挺直立起，谁会绕半个地球去参观一座直立的比萨塔呢？
以上这些结构倒塌案例有些是因为设计师的疏忽，有些是因为受限于当时理论水平和技术能力设计师没有采取相应的措施，但共同点是结构设计中最基本也是容易忽视的荷载作用造成的严重后果。
如今随着计算机技术的发展，我们对设计的不断创新比过去更有信心。
但我们仍须时刻保持谨慎的态度，来不断审视我们的设计作品是否考虑周全，这是几乎所有建筑结构屹立不倒的原因。
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