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本文作者：楊曉明時丹作者單位：遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院

土木工程結(jié)構(gòu)安全事故原因分析

從上述土木工程結(jié)構(gòu)事故中可以看到，引起土木工程結(jié)構(gòu)倒塌事故的原因有很多種，歸納起來主要有兩大類:1)不可抗力因素，包括地震、洪水、颶風(fēng)、火災(zāi)等等。由不可抗力引起的土木工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害非本文所討論內(nèi)容，因此不作更多介紹。2)非不可抗力因素，主要包括設(shè)計方面因素、施工方面因素、運營管理方面因素等。由于設(shè)計而導(dǎo)致土木工程結(jié)構(gòu)倒塌的原因包括:結(jié)構(gòu)特性認(rèn)識不深入，設(shè)計理論不成熟;設(shè)計中對結(jié)構(gòu)在荷載作用下空間受力特性和應(yīng)力分布規(guī)律分析不夠;設(shè)計中支撐整體穩(wěn)定性不足。由于施工而導(dǎo)致土木工程結(jié)構(gòu)倒塌的原因包括:輔助支撐強度、穩(wěn)定性不足，腳手架支撐體系搭設(shè)重大隱患;施工技術(shù)差和焊接存在嚴(yán)重缺陷;施工中偷工減料，工程質(zhì)量低劣;不按工藝要求施工，施工方法不當(dāng)。由于運營管理而導(dǎo)致土木工程結(jié)構(gòu)倒塌的原因包括:車輛超限超載常禁不止致使橋梁常年超負(fù)荷運行;在結(jié)構(gòu)的改造、加建或拆除過程中，由于對結(jié)構(gòu)剩余強度鑒定不準(zhǔn)確，采用的維修加固、加建或拆除方案不符合實際要求導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌;由于人為破壞、使用不當(dāng)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕老化，造成部分承重構(gòu)件失效，阻礙傳力途徑導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌;結(jié)構(gòu)耐久性不足及檢測維修養(yǎng)護(hù)不當(dāng)。各類土木工程結(jié)構(gòu)倒塌的機理可以分為以下幾類［7］:1)豎向受力構(gòu)件失效。結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件起著向基礎(chǔ)傳遞上部荷載，支撐結(jié)構(gòu)體系的作用。當(dāng)豎向受力構(gòu)件失效后改變結(jié)構(gòu)體系和傳力路經(jīng)，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布。2)結(jié)構(gòu)強度儲備不足。當(dāng)可變荷載超過設(shè)計值較多，或溫度應(yīng)力變化較大時等，結(jié)構(gòu)由于強度儲備不足將發(fā)生倒塌。3)節(jié)點強度不足，結(jié)構(gòu)整體性差。節(jié)點不僅起著荷載傳遞路徑、支撐結(jié)構(gòu)體系的作用，還起著增強結(jié)構(gòu)整體性的作用。當(dāng)節(jié)點先于構(gòu)件破壞后，結(jié)構(gòu)整體性被破壞，支撐于節(jié)點上的構(gòu)件脫離結(jié)構(gòu)主體，造成結(jié)構(gòu)整體性塌陷。上述導(dǎo)致土木工程結(jié)構(gòu)倒塌的各種原因中及倒塌機理分析中，設(shè)計原因和施工原因均發(fā)生在橋梁運營以前，可以通過橋梁設(shè)計理論的不斷成熟及施工技術(shù)和施工方案的不斷完善逐步克服。而對于廣大正在運營中的在役土木工程結(jié)構(gòu)來說，管理中的檢測維修養(yǎng)護(hù)不當(dāng)才是土木工程管理及科研工作者要面對的重要問題。要想在結(jié)構(gòu)管理中能夠有效地避免重大安全事故，必須及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)安全問題的地方。以下從結(jié)構(gòu)損傷演化的角度討論如何及時發(fā)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)安全問題的地方。

在役土木工程結(jié)構(gòu)薄弱處概念的提出

對于廣大運營中的在役土木工程結(jié)構(gòu)，在其長期使用過程中，不可避免地受到環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)等災(zāi)害因素的作用［8］，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會出現(xiàn)不同程度的損傷，從而造成結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件承載力下降，當(dāng)環(huán)境條件或外荷載發(fā)生變化時，結(jié)構(gòu)中承載力下降最多的構(gòu)件最有可能首先發(fā)生失效現(xiàn)象，繼而由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部內(nèi)力重分布而導(dǎo)致其他構(gòu)件接連失效，最后結(jié)構(gòu)整體倒塌。四川宜賓市南門大橋長384m，寬13m，為單孔跨徑240m的鋼筋混凝土中承式公路拱橋，橋面由17對鋼纜吊桿凌空懸掛，于1990年6月竣工通車。在建成10年后，于2001年11月7日凌晨4時30分左右，該橋兩端4對共8根短吊桿在與橫梁連接部位突然發(fā)生斷裂，導(dǎo)致兩端橋面坍落。事故發(fā)生時一邊垮塌后，因受力不均使橋面的支撐發(fā)生波浪形擺動，造成另一邊也垮塌。此事故原因是該橋的交通量早已成倍增長，超載十分嚴(yán)重致使橋梁所受外荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計荷載;另一方面，中承拱短吊桿受力較大振動沖擊強，并且腐蝕嚴(yán)重，致使吊桿承載力下降過多，最終導(dǎo)致短吊桿脆斷，橋面垮塌。從上述橋梁安全事故中可以發(fā)現(xiàn)，在整個橋梁倒塌過程中，最為關(guān)鍵的是承載力下降最多的首先發(fā)生失效的那個構(gòu)件(即宜賓南門橋上的吊桿)，在本文研究中稱為結(jié)構(gòu)中的薄弱處，即受環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載變化等因素的影響，土木工程結(jié)構(gòu)中最先發(fā)生破壞的構(gòu)件或構(gòu)件中的某一位置。本文中所定義的結(jié)構(gòu)薄弱處與理論上根據(jù)設(shè)計方案計算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大處是有所區(qū)別的。隨著結(jié)構(gòu)使用年限的增加，結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件或同一構(gòu)件的各部分所受到的環(huán)境影響并不一致，各部分材料退化程度也有所不同，而且外荷載變化導(dǎo)致各部分內(nèi)力變化也并不相同，因而結(jié)構(gòu)中抗力與實際內(nèi)力最接近的地方，即結(jié)構(gòu)薄弱處往往不是結(jié)構(gòu)中內(nèi)力最大的位置。圖1以一座橋梁為例說明隨著運營時間的增長，各部件薄弱程度變化情況。從圖中可以看到，橋梁建成之初橋梁內(nèi)各構(gòu)件的荷載效應(yīng)與其承載力相比有較大距離，而經(jīng)過5年的運營，橋梁所受到荷載效應(yīng)不斷加大而各部件承載力卻不斷下降，二者之間差距不斷接近，但荷載效應(yīng)與承載力最為接近的部件與橋梁建成之初已經(jīng)有所變化;經(jīng)過10年的運營，橋梁所受到荷載效應(yīng)進(jìn)一步加大而各部件承載力繼續(xù)下降，此時二者之間差距最小的即為橋梁中的薄弱處(構(gòu)件7)，該薄弱處并非橋梁建成之初荷載效應(yīng)與承載力最為接近的部件(構(gòu)件3和6)。

在役土木工程結(jié)構(gòu)薄弱處分析方法

土木工程結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)薄弱處的首要原因是結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)損傷。本文主要關(guān)注引發(fā)累積損傷的各種原因。隨著土木工程結(jié)構(gòu)的長期運營，不可避免的暴露在各種環(huán)境中，日曬、雨淋、有害氣體、凍融循環(huán)等環(huán)境因素不斷地侵蝕建筑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中最基本的建筑材料性能不斷下降，出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂、脫落等現(xiàn)象，同時受建筑材料自身老化的影響，材料的各項技術(shù)指標(biāo)(彈性模量、強度)也隨時間不斷下降，即累積損傷越來越嚴(yán)重。累積損傷會導(dǎo)致土木工程結(jié)構(gòu)承載力下降，其主要原因為:1)鋼筋銹蝕導(dǎo)致受力鋼筋截面變小、鋼筋與混凝土間粘結(jié)力下降;2)混凝土裂縫導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件的有效截面變小;3)材料老化導(dǎo)致與結(jié)構(gòu)承載力直接相關(guān)的彈性模量和極限強度下降。由此可見，尋找結(jié)構(gòu)薄弱處的第一步，即確定結(jié)構(gòu)中各處承載力下降程度的首要問題是準(zhǔn)確識別出結(jié)構(gòu)各位置的損傷情況。損傷識別問題分為兩大類，一方面稱之為正問題，即通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測及微破損檢測獲得結(jié)構(gòu)各處受環(huán)境侵蝕和材料老化因素影響產(chǎn)生的損傷問題［9－10］，這種方法是從正面直接尋找結(jié)構(gòu)中的損傷，需要依靠大量的測試儀器與有經(jīng)驗的現(xiàn)場工程師，而且對于一座大型結(jié)構(gòu)來說全部檢測完整體結(jié)構(gòu)需要耗費相當(dāng)長的時間和人力物力，更重要的是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷是難以檢測到的;另一方面稱之為反問題［11］，即通過測量結(jié)構(gòu)整體動力響應(yīng)來分析結(jié)構(gòu)內(nèi)的損傷發(fā)生、損傷位置及程度，這種方法屬于傳統(tǒng)的系統(tǒng)識別范疇，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)反演出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)，對于損傷來說通常以剛度下降來表示。但是由于結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試難以完備且受到噪聲干擾較大，這類方法在實際應(yīng)用上還受到限制。準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)各處損傷情況需將兩種方法結(jié)合使用，一方面通過現(xiàn)場檢測獲得材料參數(shù)來計算結(jié)構(gòu)承載力，另一方面通過損傷識別算法獲得結(jié)構(gòu)損傷位置及程度，二者相互比較，通過結(jié)構(gòu)承載力下降較多與損傷程度較大的位置相互印證，最終確定結(jié)構(gòu)中的損傷情況。確定結(jié)構(gòu)中薄弱處的另一個考慮因素是結(jié)構(gòu)上荷載效應(yīng)的變化。結(jié)構(gòu)上荷載效應(yīng)的變化包括以下三個方面:1)結(jié)構(gòu)整體荷載的增加［12］。結(jié)構(gòu)隨著服役年限的增加，使用功能與最初的設(shè)計要求會有所改變，因而整體荷載會變大。例如，工業(yè)廠房由于生產(chǎn)線變更、重型設(shè)備的安裝造成整個廠房結(jié)構(gòu)荷載的增加;橋梁結(jié)構(gòu)中，由于經(jīng)濟、技術(shù)的發(fā)展，車流量越來越大，而且重型汽車越來越多，早期未設(shè)計承受超重車能力的橋梁不得不承受更大的車輛荷載。2)內(nèi)力重分布。一方面，內(nèi)力重分布是因為結(jié)構(gòu)上荷載的增加并不是均勻的，尤其是活荷載。例如雪荷載，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面和背風(fēng)面的積雪程度相距甚遠(yuǎn)，其荷載值會相差數(shù)倍，因而會造成結(jié)構(gòu)中內(nèi)力分布發(fā)生變化。另一方面，內(nèi)力重分布是因為結(jié)構(gòu)損傷引起的剛度變化。絕大部分土木工程結(jié)構(gòu)均為超靜定結(jié)構(gòu)，而超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布是同各構(gòu)件的剛度有關(guān)，某一構(gòu)件剛度的下降必然會導(dǎo)致其他構(gòu)件內(nèi)力有所增加，因此造成整個結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力重分布。3)動力荷載引起構(gòu)件疲勞性能的退化［13－14］。長期承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，特別是橋梁結(jié)構(gòu)，在長期的服役過程中，動力荷載循環(huán)次數(shù)的增加會造成結(jié)構(gòu)疲勞壽命的降低，盡管動力荷載的幅值沒有增加，但對結(jié)構(gòu)來說同樣會使其接近破壞。因此，動力荷載的循環(huán)次數(shù)同樣也是確定結(jié)構(gòu)薄弱處的考慮因素。從上述討論中可以看出，要想準(zhǔn)確地找出土木工程結(jié)構(gòu)中的薄弱處需要從兩個方面入手，一方面是確定土木工程結(jié)構(gòu)中各處的承載力下降程度，根據(jù)現(xiàn)場實測得到的材料參數(shù)修正理論的材料性能下降曲線，由其計算結(jié)構(gòu)中各處的材料性能下降程度，進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)中各處的實際承載力，并根據(jù)損傷識別結(jié)果相互驗證;另一方面是確定結(jié)構(gòu)中各處荷載效應(yīng)的增加，通過分析結(jié)構(gòu)外荷載變化、材料性能變化引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布以及動力荷載引起的結(jié)構(gòu)疲勞壽命降低的程度，以此來確定結(jié)構(gòu)所受到的真實荷載效應(yīng)。之后通過比較結(jié)構(gòu)各處的實際承載力與荷載效應(yīng)，二者最接近的位置即為土木工程結(jié)構(gòu)在當(dāng)前狀態(tài)下的薄弱處。找到土木工程結(jié)構(gòu)中薄弱處即對其進(jìn)行重點監(jiān)控，并采取有效措施進(jìn)行加固補強，從而保證土木工程整體結(jié)構(gòu)安全。圖2所示為在役土木工程結(jié)構(gòu)薄弱處分析方法流程圖。

待解決關(guān)鍵技術(shù)問題

目前對于土木工程結(jié)構(gòu)安全性的研究并沒有將結(jié)構(gòu)損傷引起的承載力下降與荷載變化引起的荷載效應(yīng)增加結(jié)合起來考慮，而是分別單獨考慮，即研究材料性能退化、損傷識別、內(nèi)力重分布、疲勞荷載等。本文研究是將二者結(jié)合起來，綜合考慮各種因素共同作用下結(jié)構(gòu)安全性問題，即尋找結(jié)構(gòu)薄弱處。在土木工程結(jié)構(gòu)薄弱處研究中尚有一些亟待解決的關(guān)鍵問題:1)受環(huán)境侵蝕、材料老化等長期因素影響，在役土木工程結(jié)構(gòu)中基本建筑材料實際技術(shù)指標(biāo)的確定，包括鋼材與混凝土的彈性模量、強度以及鋼筋銹蝕程度與混凝土耐久性下降程度等;2)根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)中建筑材料的實際技術(shù)指標(biāo)以及由于鋼筋銹蝕引起鋼筋與混凝土粘結(jié)力的下降與裂縫引起混凝土構(gòu)件截面的減小，計算結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的實際承載力;3)根據(jù)外荷載的變化以及由于材料性能下降引起的剛度變化而導(dǎo)致的內(nèi)力重分布來計算結(jié)構(gòu)實際的荷載效應(yīng)，根據(jù)動力荷載引起的疲勞效應(yīng)計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。