本帖最后由 eason是我粉丝 于 2017-12-22 15:08 编辑
本文来源：iStructure （获授权转载）
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。
小编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。 [注：此贝尔正是发明电话的Alexander Graham Bell。]
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
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。
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(当时计算机刚刚被用于结构计算，是最先进的分析技术)。
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）。
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(Ponding)”。
水平屋顶的水池化(Ponding)：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
"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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