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建築物坍塌機理感測器基礎知識一．工程坍塌事故定義工程坍塌事故是指建築物或構築物，由於某種內在的或外來的原因遭到破壞，不僅完全喪失了結構的承載力功能和建(構)築物的使用功能，而且完全失去了自立功能，局部或整體塌倒在地上，成為建築垃圾，完全喪失了恢復功能的可能性。建築物坍塌事故概述二．坍塌事故不容多見人有衣、食、住、行等多方面的要求，但以滿足住的要求難度為最大。工農業經濟和生產技術發展到今天，解決衣、食等生活必需品問題已比較容易，付出的代價已不是很高。唯獨要解決住的問題，仍然有很大的難度。即使在發達的西方各國，自有房產的佔有率仍然不是很高，遠不能達到居家有其房的理想境界。人們要獲得住房，必須在生存競爭中付出更多的勞動代價。這說明住房仍然是人們畢生創業與奮鬥的重要目標，也是一般人終生獲得的最寶貴的財富。何況作為棲身之所的住房，人們在其上花費了畢生精力，這裏還集中了其他生活資料、畢生積蓄，甚至再加上其家庭成員的寶貴生命，即所謂全部身家性命統統集中在這裏。房屋倒塌可以說是人生最悲慘的遭遇了。因此倒塌事故是決不容許多見的。嚴防建築物倒塌應該是工程師們義不容辭的職責了。建築物坍塌事故概述三．倒塌事故不應多見既然倒塌事故要付出的代價這麼高，就要遵循建築結構抗震設計三準則：即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的嚴格要求。所謂“大震不倒”，是指即使遇到了抗震設防標準以上的特大地震建築物難免要受到損害，也決不容許建築物出現倒塌。其實，凡是經過正規設計，正規施工的新建築物，不論是磚混結構、鋼筋混凝土結構，還是鋼結構，都具有很好的延性，應該有很高的抗倒塌能力。在1994年前後的美國洛杉磯地震和日本阪神地震中，倒塌的就都只是那些年久失修的舊建築物。實踐證明要實現抗震設防三準則是完全有可能的。超過抗震設防標準以上的地震荷載應該算得上建築物可能遇到的最大荷載了。既然如此，也就表明，不論在任何時候任何情況下，都不容許、不應該有建築物倒塌的情況出現。只要出現，就完全可以認定在設計、施工與管理(使用)方面必然存在嚴重問題，必需追究人為過失。決不容許人們在自然災害的大帽子底下開小差，逃避責任。這一點不僅是每一位工程師，也是土木建築行業的每一位從業者都應該清醒地認識到的。建築物坍塌事故概述四．倒塌事故不會少見事實上，不論是從唐山地震的畫面，還是最近幾次伊朗地震的畫面所見，倒塌的建構築物都是成片成堆，觸目驚心。自然，這些倒塌的建構築物大都是未經抗震設防的歷史留下來的包袱；問題是，不論什麼國家，就是像日本那樣的經濟強國，仍然難免存在歷史包袱；問題是，即使是在今天大建設高潮中新建成的工程，對其安全性與耐久性問題仍然沒有得到應有的重視；問題是，正在施工中的大樓還時有倒塌事故的出現。從這一點看，前景確實不容樂觀，倒塌事故不會少出現。建築物坍塌事故概述五．小康社會與安居工程我國很快就將全面進入小康社會。顧名思義，所謂小康，必然要具備一個安居樂業的條件。所謂安居，起碼必須保證居住建築的絕對安全，不能讓人們在擔心住房倒塌、提心吊膽的情況下挨日子。可是仔細考察起來，對於13億人口來說，具備這一條件還真不容易。先把廣大農村的居住安全條件放在一邊，就拿城鎮來說，近一百億平方米的居住建築，究竟有多少是符合安全標準的，還說不清楚。要先進行一次全國性的安居工程普查鑒定，再進一步開展改造加固工作才行。其規模之大，所需投入量之大，可想而知。政府有關部門是否已把它列入實施計畫，應予關注。同時，這也是整個土木建築行業從業人員所必須面對的一個現實問題。建築物坍塌事故機理研究建(構)築物的坍塌機理極為複雜，也難以用理想化的力學模型進行表述，現分以下三種不同的坍塌機理進行一些初步探討。一．整體坍塌建築物的整體坍塌與建築物的上部結構，包括建築物基礎在內的建築物整體的設計標準承載能力、剛度特徵，均無必然關係。甚至相反，越是上部結構設計標準偏高，剛度偏大的建築物，出現整體坍塌的可能性就越大。整體坍塌後的建築物雖然已失去了使用功能，但其內在的結構構件，卻可能仍然完整無損。其坍塌機理分以下幾種情況。建築物坍塌事故機理研究1.樁基失穩坍塌樁基失穩，導致建築物傾斜並坍塌的事故是當前出現幾率最高的事故。關於樁基傾斜、失穩引起建築物傾斜、坍塌的機理研究工作，目前人們的關注還很不夠。樁基失穩的直接原因是擠土樁的擠土效應與超靜孔隙水壓力效應。比如武漢某18層大樓因為樁基失穩，導致大樓傾斜、擺幅達3354mm。雖然尚未形成倒塌事故，但是大樓擺幅如此之大，自然是人們所無法接受的，最後只得實行爆破拆毀。建築物坍塌事故機理研究2.地基剪切破壞坍塌根據巖土力學的彈塑性理論分析與大量剛性筏板基礎或箱形基礎下的壓力盒測試記錄證實，剛性基礎下的壓應力(地基反力)分佈曲線呈馬鞍型，壓力強度為邊緣大、中間小。因此，地基很可能在邊緣出現應力集中狀態，形成塑性體，引起剪切破壞，土體向旁擠出，導致建築物傾斜與坍塌。如圖2.1所示。著名的加拿大穀倉坍塌事故就是一例。建築物坍塌事故機理研究3.地基液化或流變坍塌飽和粉細砂土或飽和粉土在受到震動波作用下，會出現液化現象，土體顆粒處於懸浮狀態，不僅失去自重，失去相互約束的能力，也完全失去支承能力，就必然導致建築物坍塌。日本新瀉地震時出現的大量建築物整體坍塌、臥倒現象，就是地基液化的結果。同樣，飽和軟黏土尤其是淤泥質土在受到擾動時，會產生流變狀態，使地基土完全失去支承力，導致建築物傾斜與坍塌。4.地基整體失穩坍塌在工程地質構造異常的條件下，很可能出現滑坡、山崩、地動、地陷等現象。建造在這些滑動土體上的建築物就成了無本之木，必然遭到坍塌破壞。建築物坍塌事故機理研究如果把整體坍塌比擬成人的急性病，那麼裂損坍塌就是慢性病。急性病之所以可怕，在於如果搶救不及時，頃刻之間就可能要了命。慢性病的可怕之處則在於發病率高，根治困難。裂縫，只是坍塌的最初徵兆。就像人身患病，必然有體溫失常，脈情異樣的表現。建築物裂縫跡象如果任其發展下去，建築物的變形、失穩與坍塌現象就會最終出現。二．裂損坍塌建築物坍塌事故機理研究1.裂縫機理裂縫階段是建築物走上損毀坍塌之路的最初表徵。建築物裂縫機理最為複雜，也是工程事故分析課題的研究重點。我們將根據各種不同的結構類型和不同的致裂原因，在後面的有關章節分別深入地研究其不同的裂損機理。只有正確地掌握和理解了結構的裂損機理，才談得上對危險建築採取正確的加固與拯救措施，才談得上能在工程實踐過程中提高事故防範意識，杜絕重大事故的發生。建築物坍塌事故機理研究2.變形機理結構出現嚴重裂損以後，其整體性受損，剛度銳減，因而出現嚴重的結構變形。變形出現以後，由平面結構組成的空間結構體系就被破壞，結構的計算圖形或者說力學模型完全改變。穩定結構逐步變為不穩定結構，這就是坍塌的前兆。3.失穩機理建築物的變形發展到失穩階段，情況就如同人的病情進入了急性階段。失穩階段的平衡狀態是臨時性的極限平衡的臨界狀態。這一時刻只須有些許外力作用，建築物就可能急劇發展成坍塌狀態。同樣，只要施以適當的外力，也可能使結構暫時轉危為安，獲得加固與恢復的機會。建築物坍塌事故機理研究4.坍塌機理如果說因為地基問題引起的建築物整體傾斜與坍塌還可能保持上部結構的完整無損，並有可能獲得扶正複位與加固希望的話，那麼經過裂縫、變形、失穩最後進入坍塌狀態的建築物就只能是粉身碎骨，剩下的必然是一片廢墟。事後進行清理還必然花費很多人力物力。建築物坍塌事故機理研究三．局部坍塌局部坍塌事故多出現在整體性較差的預製構件體系。比如由於鋼屋架或鋼筋混凝土屋架的承載力不夠、變形太大引起的屋頂坍塌事故，就是曾經在國內外工業廠房中出現頻率最高的事故。一般情況下只形成幾榀屋架範圍內的連鎖反應，就會發生局部坍塌。只有在體系整體性極差的情況下，才構成廠房的整體坍毀。發生在英國倫敦的由於煤氣爆炸形成局部衝擊荷載引起預製大板結構的高層公寓局部坍塌事故，就是比較典型的案例。坍塌事故與自然災害什麼是坍塌事故，什麼是自然災害，在工程事故分析中，必須有個明確的界定。在前面坍塌事故的定義中已經談到了這一點，但似乎還不夠具體。問題在於人們往往願意把很多責任事故統統劃歸自然災害以逃脫責任，躲避懲罰。這不僅有失公正，而且對經驗的總結、技術的進步、事故的防範也極為不利。比如說唐山大地震，幾乎整個城市的建築物被摧毀，死傷人數達40餘萬，而地震烈度與之相近的美國洛杉磯地震與日本阪神地震造成的建築物坍塌和人員傷亡就寥寥無幾，損失極為有限。因此，決不能把人為過失統統算作自然災害。災害是可以依靠人們的積極努力去減免與消除的，也可能由於人們的過失而導致並加重的。抗震設計的安全設防三準則已規定得很清楚，建築物的抗震設防底線是“大震不倒”。滑坡、山崩、地動、地陷、水災、火災等所有能導致建築物坍塌的自然災害都應該有個設防底線。有了設防底線，自然災害都是可以防範的。既然可以防範而不加防範，那就是責任事故。當然，自然條件是在不斷發展變化中的，受時空的限制。很多現象，很多問題，過去無法發現，只有發展到今天才明朗化，這就必然有歷史留下來的包袱。很多問題今天仍然不可預料，只有留待以後才能澄清處理。在這樣的情況之下形成的事故，才能算得上自然災害。坍塌事故防範既然坍塌事故會給人們與社會造成如此大的損失，就必須把精力集中放在事故防範工作上。不論是慢性病還是急性病，其發生發展都有一個過程，都有一定的預兆。不管是建築物的整體坍塌，或是裂損坍塌，還是局部坍塌，都是可以防範的。除了像“9·11”事件中的紐約世貿大廈被毀之類的特殊情況外。有一位名醫說過一句話：“最好的藥是時間。”時效就是良藥，這很有哲理。再大的病，只要及時採取一點點小措施，也許只是一小片藥，就可見神效。如果貽誤了治病時機，則再好的、再珍貴的藥也難以見效。坍塌事故等到已經發生或即將發生時再救治，必然是徒勞無益的了。越是防範得早，就越省事，越能見效。既然坍塌事故的根源可能出現在工程實踐的全過程中，也就是從勘察、設計、施工到使用階段的任何一個時刻，那麼事故防範就不能單是依靠勘察設計和施工操作中的從業人員就能完全見效的。這是一件全社會都應該關注的大事，必須從科普、教育、宣傳下手，全體動員，全面防範。記得阪神大地震以後，日本社會在抗地震和防範坍塌事故方面的科普宣傳工作做得很普及，值得借鑒。坍塌事故搶救坍塌事故搶救應按事故到來之前和事故出現以後兩種情況來進行討論。在事故到來之前的緊要關頭——千鈞一髮之際，搶救工作組織和發揮得好，就可轉危為安，同樣，在事故出現以後，為了搶救埋在廢墟中的生存者，更需要緊張有序、快速見效的搶救工作。坍塌事故防範一．千鈞一髮之際的緊急搶救從力學觀點看，倒塌事故到來之前的一刻，結構體系正處於極限平衡的臨界狀態，正像天平上的兩力相持，難分上下。稍微一點外力，就能起到決定性作用。在這樣的緊急關頭，負責組織搶救的人不能光憑膽量和勇氣去取勝，必須把厚實的技術功底和良好的心理素養包括理論基礎和實踐經驗亮出來，展開搏鬥。既不能瞎指揮，幫倒忙，也不能猶豫不決，坐失良機。這是真正經受考驗的關鍵時刻。當然，其中也會存在很多偶然因素。有些突然出現的情況是很難預測的。因此，再多經驗的指揮人員和再有戰鬥力的搶險隊伍，也不可能百戰百勝。後面將在第16章中用廠房滑移、大廈失穩與樓房失火三個具體的工程搶險案例來進行論述。坍塌事故防範二．一片廢墟之下的生死搏鬥坍塌事故既然已經發生，展現在搶險隊員面前的是一片廢墟，所聽到的都是呼救聲。而要在新坍塌下來尚未穩定的廢墟中尋找生命，難度是極大的，技術條件極其複雜，不可預見的因素極多，危險性也極大。這就不能單純依靠愛心和毅力了。訓練有素的隊伍和搶救設施將起決定性作用。馬來西亞吉隆玻高層公寓倒塌後，該國的國家救援隊也束手無策，只得向新加坡、日本和法國等世界知名的強力救援隊伍求助。三國動用了世界上最先進的勘測救護設施和數以百計訓練有素的救援隊員，在廢墟下整整戰鬥了12個日日夜夜。結果是除了母女二人獲救之外，其餘70餘人遇難。韓國漢城三豐百貨大樓坍塌事故發生後，救援的隊伍規模就更大。整整二十幾個晝夜，持續進行著現場電視直播，牽動著全世界人民的心。最後仍有400餘人死難，這些充分說明了在廢墟下進行搶救任務的艱巨性。結構加固的可行性

不論是瀕臨整體坍塌危險的建築物，其傾斜已嚴重到什麼程度；或面臨裂損坍塌之險的建築物，其結構裂損已嚴重到什麼程度，只要是在建築物還沒有徹底倒下成為廢墟之前，對其進行結構加固的可能性始終是存在的。尤其是鋼筋混凝土結構和鋼結構，具有很好的延性和很強的結構整體性。只要對受損構件和節點進行逐一加固，或對整體傾斜面臨坍塌危險的建築物進行綜合糾傾扶正，再對其地基基礎實行全面加固處理，就有可能完全、有效地恢復建築物的承載力功能和使用功能。目前在建築物綜合糾傾、地基基礎加固處理和結構構件與節點加固的技術方面，已經有了成熟的經驗，關於這方面的問題，將在後面第13、17章進行專門討論。結構加固的經濟性建築物坍塌以後，居民生命和財產方面所遭受的損失以及國家和社會在環境方面和政治方面遭受的間接損失是巨大的。除此之外，建築物本身的造價再加上20％以上清理廢墟和基礎的直接損失也是驚人的。而對建築物實施綜合糾傾，地基處理和結構加固的全部費用，一般可以控制在新建造價及清理費用總金額的50％以內。因此認為，盡最大努力拯救瀕臨坍塌的危險建築物，並進行加固，在經濟上是完全合理的。坍塌事故案例

由於一些歷史原因，很多坍塌事故資訊被長期封鎖禁錮，一些寶貴的經驗教訓得不到吸取，殊為可惜。現僅就自1950年以來發生在國外與國內的有代表性的典型事故概述如下。

一.鞍鋼磚混結構廠房坍塌事故鞍鋼磚混結構廠房算得上“大躍進”時期的代表作，它的倒塌原因、倒塌機理、倒塌後果與當時的其他案例，比如杭州的半山鋼鐵廠廠房倒塌事故，邯鄲的煉鐵車間倒塌事故等大同小異。可以把它作為那一個時代的典型案例來研究，這其中有很多值得吸取的經驗與教訓。坍塌事故案例

二.北京礦業學院教學樓坍塌事故北京礦業學院教學樓坍塌事故有很多特點，事故發生以來一直得到國內外工程學術界的關注，值得作為典型案例來進行分析與研究。(1)該事故是建國以後規模很大、損失較大而且被較早公開報導的一次事故。(2)該事故出現的原因有些特殊，從表面上看，不論設計品質或施工品質，可以說在當時還是一流的。設計與施工均出自名家之手。坍塌之前，沒有任何能引起人們關注的不良表徵，連輕微裂縫也很難找得到。因此，事故原因曾引起過工程學術界的爭論。(3)事故發生在北京，而且死傷人數較多，得到了高層領導的關注。因而對當時的工程品質管理工作和後來的工程事故分析與研究工作都有很大的推動作用，國內第一次結構裂縫會議就是在這樣的背景下召開的。(4)在該事故發生後的相當長一段時間裏，國內又出現過不少教學樓坍塌事故，例如江西的井岡山教學樓坍塌事故，湖南、貴州等幾處教學樓坍塌事故……雖然其坍塌原因、坍塌機理與之截然不同，卻得到了同樣的重視與關注。坍塌事故案例

三.大跨度網架坍塌事故網架結構多用於工業廠房、會場或劇院等公共建築。這些建築出現坍塌事故，對人們的生命安全威脅最大，也最容易引起社會的關注，而偏偏這類事故出現的頻率很高。比如深圳展覽館網架坍塌事故、太原電訊樓網架坍塌事故、美國新奧爾良體育館網架坍塌事故、都有其共性與個性。據不完全統計，僅在幾年之內，國際上就曾出現過十幾起大跨度網架坍塌事故。其中發生在相對說來工程事故率最低的美國國內的就達四起。損失極大，對工程學術界的震動也很大。但也有人認為，這是作為一種新型結構在其發展過程中必然要付出的代價。不管怎樣，網架坍塌事故風暴還是引起了工程學術界的高度關注。1987年新加坡國際結構事故會議就是在這樣的背景下召開的。坍塌事故案例

四.橋樑坍塌事故近五十年來國內外出現橋樑事故的頻率也很高，像著名的重慶彩虹橋坍塌事故是現代化人行大橋坍塌的典型。類似情況，國內國外都不少見。出現在旅遊風景區的人行橋坍塌事故幾率很高，最近出現在浙江寧波的跨海大橋坍塌事故則是現代化預應力箱梁橋坍塌的典型，國內國外都有類似案例報導。美國俄亥俄大橋坍塌事故則是鋼樑橋坍塌的典型，出現在國外的類似案例更多，國內也時有出現。由於橋樑工程歷史悠久，一般服務年限已久，環境條件複雜，超載情況又難以有效控制，這是橋樑坍塌事故率高的主要原因。也成了工程學術界和政府有關管理部門面臨的一道難題。坍塌事故案例

五.江西某商住樓坍塌事故江西某商住樓倒塌事故雖然規模並不大，損失並不多，但其倒塌機理卻很特殊，值得關注。在設計與施工品質正常的情況下，僅僅幾條毫不起眼、微不足道的小裂縫——溫度應力引起的梁端牆面八字型裂縫和梁下集中應力引起的正常剪脹裂縫雜交以後，迅速發展。就在無風雨、無超載、無地基變形因素的情況下，導致一棟尚未封頂的新樓坍塌。應該作為典型案例進行研究。坍塌事故案例

六.武漢某18層大樓傾斜事故一棟嶄新的全剪力牆結構住宅樓，具有良好的結構整體性和空間剛度，卻因樁基失穩而傾斜，被迫拆毀。樁基失穩的主要原因是設計中追求樁基礎的安全可靠度偏高，而事故處理採取緊急控制爆破拆除的原因也是基於對區域環境安全的考慮。什麼是真正的“安全”？在工程實踐過程中應該如何去把握“安全”？很值得反思。坍塌事故案例

七.三亞物資大廈損毀事故三亞物資大廈事故原因是地基下沉，導致建築物嚴重裂縫。地基下沉是一種典型的慢性病。在病因早已確切查明的情況下，負責設計、施工的單位與業主卻在為事故責任爭訟不已，糾纏不清。而有關管理部門也沒採取相應措施值得反思。坍塌事故案例

八.衡陽火災塌樓傷亡慘案這是一次發生在2003年的已引起國內外工程學術界關注的情況特殊的工程事故。這次事故與韓國漢城百貨大樓坍塌事故相似。雖然從表面上看原因是業主行為不規範和工程沒有經過正規的設計、施工與監理程式。實際上應該是政府失職，對工程的建設管理和品質監督不力。所幸的是衡陽塌樓事故發生在火災搶救的過程中，居民已全部撤離現場。全國類似未經過正規設計、施工、監理程式而由業主憑關係、走後門私自建起來的違章建築究竟有多少？值得追究。坍塌事故案例

九.臺灣高淳豐源中學禮堂坍塌事故臺灣高淳豐源中學禮堂倒塌事故發生在1983年8月的開學典禮時，全校600餘名師生遇險，26人喪生。事故原因比較明顯，卻仍引起工程學術界和司法界近10年的爭論。說明工程事故分析、倒塌機理研究這一課題是個難題，很值得關注。坍塌事故案例

十.韓國漢城百貨大樓倒塌事故漢城百貨大樓倒塌事故發生在1995年的五一國際勞動節前夕，事故共造成501人死亡，937人受傷。從塌樓的瞬間開始到搶救工作結束、救援隊撤離，歷時整整20個日日夜夜，全世界都能看到那焦慮、沸騰的現場直播畫面，對工程學術界的震動很大。而進行反思的應該是政府有關管理部門。坍塌事故案例

十一.馬來西亞吉隆玻半山公寓坍毀事故馬來西亞高層公寓建於吉隆玻郊區的一個山坡上，為3幢12層建築，於19