導讀:泉州酒店坍塌給這個本就不太平靜的鼠年春天再次一擊,作爲定點隔離場所,坍塌事件造成70余人被困。建築結構發生類似泉州酒店完全坍塌的坍塌形式並不多見,究竟是什麽原因引起酒店整體結構的坍塌?
1、事件背景
據公開報道,發生坍塌的泉州酒店原始結構爲大平層的鋼架結構,每一層都是一個開闊的大廳。而且,根據報道,原先結構中,並沒有2-5層的地板。這樣的鋼架結構,更像一個挑高的廠房。後來,酒店入住,對房屋結構開始改造,增加了2-5層的地板,並增加隔間,做成賓館。鋼架結構高22m,單層面積1000m2,改造後共七層。報道來源:http://news.ifeng.com/c/7uersluLG3E
從材料性能上來說,鋼的屈服極限在200MPa左右,也就是說鋼材可以承受的極限拉壓應力200MPa左右,這要遠大于混凝土的抗壓強度(不含鋼筋的C80型號的混凝土才80MPa)。實際上,我們常見的混凝土材料耐壓不耐拉,其抗拉強度更小。雖然,鋼材力學性能好,但是鋼材也存在一些明顯的缺點——又貴又重。密度7800kg/m3的鋼材,遠重于密度3000kg/m3左右的混凝土。正因爲如此,鋼筋混凝土才應運而生,它利用了鋼筋的高抗拉強度,降低了結構自重和價格。
2、鋼材的力學特性
鋼材雖然擁有較好的力學性能,但是純鋼架建築卻並不常見,最主要的原因就是鋼材自身又貴又重。有專家說鋼材不耐壓,其實是誤區。建築結構的受力,主要是承壓,特別是柱體和牆體。裝修過程中經常能夠聽到的承重牆,就是受到壓力的作用。受壓的結構,會出現失穩,即:結構會突然失去了穩定性(平衡),如下圖。這種失穩情況的發生,是沒有預兆的突然發生的。並且,失穩時承受的應力還遠未到達其極限應力。
失穩時,臨界狀態的載荷可根據臨界應力計算。下圖爲臨界應力的計算式,對于細長的立柱,應采用右邊的表達式。臨界應力與彈性模量E、兩端連接方式、長度L、橫截面尺寸和形狀有關。對比混凝土和鋼,其他條件相同時,鋼(200GPa)的彈性模量要高于混凝土(3.8e4MPa),鋼的失穩承受能力要大一些。實際上,鋼材的力學性能處處吊打混凝土材料。
但是,正是由于鋼材優異的力學性能,同樣的外部載荷條件下,其尺寸就可以設計的更加細小一些。結構設計本身就是力學強度與材料成本之間的較量。之所以建築結構中純鋼架結構不常見的原因,有一部分就在此。除非特殊防護作用,一般的鋼結構都是空心的。因此,同樣的結構尺寸,鋼結構建築要比鋼筋混凝土結構更加結實牢固。實際情況做不到這一點,沒有人用厚重的實心鋼板做建築材料。鋼材一般都是工字型截面。而且,鋼材密度大,高層建築不劃算。
3、酒店坍塌的分析
根據媒體報道,建築原始結構其實就是一個沒有樓層的22m的高樓。從現場圖中,發現鋼結構爲工字形鋼結構,目測寬度(高度)約20cm左右(實際尺寸需要現場數據),大概是20號工字鋼。酒店改造之前,不存在樓層。那麽作爲立柱的鋼架承受的載荷要小很多。改造之後,上層所有載荷最後全部壓到立柱上。坍塌的發生,最開始的點肯定位于底層。
以下計算僅爲給大家一個直觀的數據感受,並非實際情況。
20號工字鋼橫截面積約36cm2,按照承壓性能來算,單根鋼架可以承受86噸的重物(以Q235計算)。顯然,建築結構並不是壓潰的,坍塌的過程其實是失穩破壞的過程。20號工字鋼有兩個方向的慣性矩Ix 和Iy,發生失穩時,是往小的那個方向彎曲,其值158cm4,由此估算出臨界壓力約40kN,約4噸的重物。計算中假設高度4m,一段固支一段鉸支。實際的承載能力應該是高于4噸的,因爲它不是單根立柱,而是一個整體結構。詳細的計算,需要依靠有限元軟件。這裏就以單根立柱爲例。
酒店改造後,上層結構幾乎全部都是額外增加的重量,包括改造的結構重量,如鋼筋、混凝土、板材等等,也包括酒店的設施重量,如床、家具、電視等等。建築的原始設計所采用的鋼架尺寸,並沒有考慮到之後的酒店結構。雖然,結構設計都會采用安全系數,實際承受載荷可以超過允許載荷。但是這個安全系數也不會太大,最多兩倍。改造後增加的重量,如果恰恰好到達了其極限載荷,那麽整個結構也就危險了。
改造前,原始設計並不包含2-5層的結構,假設設計方安全系數取2,那麽原始結構最多能夠承受2倍的載荷。原始結構實際上相當于3層(2-5,6和7),改造後,增加了3層(3-5),如果每層載荷都是平均分配,那麽恰恰就是原始載荷的2倍,底層未經加固處理的話,剛剛達到結構的最大極限載荷。實際上,根據公開的報道,酒店在改造之初,就已經初現端倪。外牆面玻璃改造時被壓碎,這就是鋼架結構開始變形的初兆。此時,雖然還沒有到達其極限載荷,但是已經産生了較大的變形了,鋼材局部部位甚至可能已經進入塑性階段。也就是說,改造完後,這個鋼架結構,特別是立柱已經接近臨界狀態了。這種狀態下,外界的一點點作用,就可以成爲坍塌的稻草。
4、坍塌的最後一根稻草
媒體公開報道,事發時,酒店一側正在修地基,而這很可能就是酒店坍塌的最後一根稻草。根據對面加油站的坍塌視頻,最先發生坍塌的是酒店的左側位置,維修的地基很可能就位于此側。
地基起到固定建築的作用,它把建築牢牢地鎖定在地面上,側向的如風載等都可以抗住,其實就是一個固定端約束。在地基的維修過程中,需要開挖,這就將地基暴露出來。正常情況下,修一側的地基是不會有太大影響的。然而,正如前面的分析,整個建築結構已經處于臨界的狀態,是即將發生失穩破壞的臨界狀態。此時,只需要一點點誘因,就足以讓結構發生失穩破壞。地基的維修,恰恰就是這個的誘因,是酒店坍塌的最後一根稻草。
如圖所示,左側維修地基,相當于這部分地基失去了地面的約束,圖中紅色約束消失,整個結構力不平衡,向左傾倒。一層的鋼架立柱由于發生了些許偏移,最先開始失穩,從而引起坍塌。
5、總結
鋼材的力學性能要由于混凝土材料,但是其又貴又重的特性限制了其在高層建築的應用。建築結構主要的受力特性就是受壓,容易發生失穩破壞。這種失穩破壞,不同于其他破壞形式,外觀上看不住任何端倪,但是失穩發生在一瞬間。泉州酒店的坍塌原因,綜合公開的媒體報道,在于酒店改造後讓鋼架結構的承載接近其臨界承載,地基維修則是坍塌的直接誘因。
PS:本文的分析僅基于公開的媒體報道,詳細的結果等待調查。