張秀剛 方召欣

災(zāi)害是經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的嚴重障礙。在過去一段時間里,人為災(zāi)害引起的結(jié)構(gòu)設(shè)施破壞時有發(fā)生,且呈現(xiàn)上升態(tài)勢,不僅造成嚴重人員傷亡和財產(chǎn)損失,也產(chǎn)生了惡劣的社會影響。例如,1995年,Alfred P.Murrah聯(lián)邦大樓北側(cè)遭汽車炸彈襲擊,支承第三層轉(zhuǎn)換梁的G20柱損壞,觸發(fā)連續(xù)坍塌;2003年衡陽衡州大廈的“特大火災(zāi)坍塌事故”。重點結(jié)構(gòu)設(shè)施系指災(zāi)害情況下容易造成嚴重的物質(zhì)和非物質(zhì)損失、人員傷亡或其他損害(公眾恐慌、環(huán)境破壞)的工程設(shè)施,對安全有更高的要求。這里,“嚴重”是相對于社會對某種后果的接受程度或承受能力而言。然而,在傳統(tǒng)和常規(guī)結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中,災(zāi)害被劃歸為概率小而后果嚴重的事件,缺少明確、有效的方法,對結(jié)構(gòu)安全的影響常常被忽略。鑒于上述背景,本文探討人為災(zāi)害情況下控制結(jié)構(gòu)體系破壞范圍的主要策略、措施。

1 人為災(zāi)害及對結(jié)構(gòu)安全的影響

1.1 人為災(zāi)害的特征與分類

人為災(zāi)害在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期內(nèi)不一定發(fā)生,一旦發(fā)生其作用量值很大且持續(xù)時間很短。與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中所考慮的永久作用和可變作用(下文統(tǒng)稱為常規(guī)作用)相比,在時間、空間上是高度離散和不確定的。當前,危及結(jié)構(gòu)安全的人為災(zāi)害主要集中在兩方面:1)由社會群體或個體在觀念、文化、利益等方面的矛盾、沖突引發(fā)的人為蓄意破壞活動,如炸彈襲擊;2)伴隨經(jīng)濟建設(shè)飛速發(fā)展出現(xiàn)的其他災(zāi)害事件(包括人為失誤事件),如燃氣爆炸、火災(zāi)、施工不當引發(fā)的超載、基坑塌陷。人為災(zāi)害(不論是蓄意破壞還是失誤所致)的發(fā)生無明顯規(guī)律可循,但某些情況下也會表現(xiàn)出一定的針對性。

1.2 人為災(zāi)害對結(jié)構(gòu)體系的影響

各種人為災(zāi)害對結(jié)構(gòu)的致?lián)p機理有很大差異,以炸彈爆炸和火災(zāi)為例。炸彈爆炸是以光、熱、聲、沖擊波等形式迅速釋放能量,針對性的抗爆設(shè)計需要考慮結(jié)構(gòu)及其材料在快速加載下的慣性或應(yīng)變率效應(yīng)。爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波有如下特征[2]:1)在建筑物局部產(chǎn)生的超壓力量級很大,可高出常規(guī)作用數(shù)個量級,持續(xù)時間極短,常以毫秒計;2)空氣沖擊波壓力隨到爆炸中心距離的增加迅速衰減;3)沖擊波遇到障礙物會形成反射波;4)隨著沖擊波擴散,入射波和反射波壓力衰減,后期會出現(xiàn)局部真空形成負壓。

火災(zāi)對結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)主要是造成受火區(qū)域性能退化,具體取決于實際火場升溫情況、結(jié)構(gòu)所用材料以及受火方式等因素。而一旦受火部位性能明顯退化、抗力降低,在沒有額外增加荷載的情況下,對原有荷載作用相對降低后的抗力而言等于又間接造成了新的“超載”。

人為災(zāi)害對結(jié)構(gòu)體系的影響可以歸結(jié)為,造成偶然局部損傷,即人為災(zāi)害引起結(jié)構(gòu)局部性能退化或劣化(如燃氣爆炸使大板結(jié)構(gòu)局部承重墻受損、受火后柱抗力劇減),是與長期累積效應(yīng)或與耐久性有關(guān)的損傷相區(qū)別的[3]。

2 人為災(zāi)害的設(shè)防措施

2.1 控制人為災(zāi)害的總體策略

人為災(zāi)害的性質(zhì)以及它們對結(jié)構(gòu)的影響機制之間千差萬別,即便如此,結(jié)構(gòu)安全和防災(zāi)減災(zāi)仍然可以從兩個角度來考慮:1)避免人為災(zāi)害或減輕其破壞效應(yīng);2)改善結(jié)構(gòu)整體牢固性,限制和減輕結(jié)構(gòu)體系在人為災(zāi)害導(dǎo)致偶然局部損傷情況下的破壞程度,防止不相稱破壞。對于前者,可以借助非結(jié)構(gòu)措施來實現(xiàn),比如設(shè)置隔離墩來防止車輛撞擊建筑物,布置自動噴淋滅火裝置來減輕火災(zāi)效應(yīng),采用防爆墻(按工作機理分為剛性、柔性和慣性三類)來減輕外部爆炸沖擊波對結(jié)構(gòu)的影響;此外,還可以從概念設(shè)計階段進行考慮,如限制結(jié)構(gòu)層高、強化外圍柱。角度2)是要從偶然損傷的一般特征出發(fā)改善結(jié)構(gòu)整體性能,與魯棒性有關(guān)。

2.2 魯棒性與人為災(zāi)害

確切地講,結(jié)構(gòu)全壽命期安全分為兩個層面的要求[4-6]:1)結(jié)構(gòu)可靠地承受正常設(shè)計、施工和使用中(一般或正常狀況)出現(xiàn)的永久和可變作用;2)偶然狀況下,結(jié)構(gòu)主體能夠保持必需的穩(wěn)定性而不發(fā)生和起因程度不相稱的破壞,如連續(xù)坍塌。二者的聯(lián)系和區(qū)別見圖1。

層面一對應(yīng)常規(guī)可靠性理論中所包含的結(jié)構(gòu)安全性要求,強調(diào)理想狀態(tài)和一般狀況;層面二屬于結(jié)構(gòu)魯棒性(Robustness,也有譯作整體牢固性或穩(wěn)固性)的范疇,關(guān)注偶然狀況。應(yīng)當指出:在可靠性層面,常規(guī)結(jié)構(gòu)理論以及現(xiàn)有規(guī)程是卓有成效的;但在第二層面,在應(yīng)對偶然局部損傷方面存在明顯缺陷[7]。對于重點結(jié)構(gòu)設(shè)施,要求它們在災(zāi)害情況下保持完整無損在當前并不現(xiàn)實,至少是不經(jīng)濟的;只能期望結(jié)構(gòu)不致發(fā)生和初始損傷程度不相稱的破壞,即結(jié)構(gòu)應(yīng)當是魯棒的,避免出現(xiàn)過于嚴重的損失(包括次生災(zāi)害)。因此,在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi),重點結(jié)構(gòu)設(shè)施防范人為災(zāi)害可以從改善結(jié)構(gòu)的魯棒性入手。

考慮一般情況,將結(jié)構(gòu)在遭受人為災(zāi)害 A后發(fā)生不相稱破壞Dr的概率P(·)和后果 Cr用風(fēng)險的形式表達,圖2給出了防范不相稱破壞風(fēng)險(即改善結(jié)構(gòu)魯棒性)的設(shè)計策略[5]。直接設(shè)計包括增強局部抗力法和替代承載路徑法,前者用于結(jié)構(gòu)無法承受特定局部損傷的情況;后者注重偶然損傷后結(jié)構(gòu)的分載功能,強調(diào)依靠結(jié)構(gòu)連續(xù)性和延性進行荷載或內(nèi)力重分配。從風(fēng)險控制角度看,替代承載路徑法作用與間接設(shè)計類似,即控制結(jié)構(gòu)在人為災(zāi)害造成局部損傷情況下發(fā)生不相稱破壞的概率P(Dr|D1∩A)及其后果Cr;而增強局部抗力的作用在于降低人為災(zāi)害造成局部損傷的概率P(D1|A)。在這里,事故控制立足于人為災(zāi)害 A(尤其是可預(yù)見的人為災(zāi)害)的控制,采取有針對性的防范措施,降低人為災(zāi)害的概率;更確切地說,事故控制還應(yīng)實現(xiàn)另外一個功能,即限制人為災(zāi)害對結(jié)構(gòu)的直接影響效應(yīng)。

2.3 改善魯棒性的措施

概念設(shè)計階段,改善結(jié)構(gòu)魯棒性可從四個方面來考慮:

1)結(jié)構(gòu)體型、空間布置。減緩災(zāi)害對結(jié)構(gòu)主體的損壞。爆炸沖擊波對擴散空間的狀況十分敏感,抗爆設(shè)計對外形、立面要求高,狹長、內(nèi)折角和凹進構(gòu)造過多以及上部懸挑(平面或豎向不規(guī)則)對抗爆不利[2,8];相對而言,體型規(guī)則、簡單對抗爆有利,也有益于抵抗強風(fēng)、地震等自然災(zāi)害作用。此外,限制結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度之間的偏心,避免在主要受力方向上出現(xiàn)承載力和剛度突變。空間布置方面,可以考慮將安全防護等級或受威脅程度不同的區(qū)域分開布置,如針對汽車炸彈襲擊或撞擊場景,條件允許時,將停車場置于建筑結(jié)構(gòu)主體之外。2)材料。結(jié)構(gòu)構(gòu)件選材,在滿足強度、承載力要求的基礎(chǔ)上宜選擇具有較好耗散性能(如高阻尼)的材料,如具備優(yōu)異抗爆、抗沖擊性能的纖維增強混凝土材料,在同等條件下改善消能能力。3)結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造形式。對構(gòu)件、傳力路徑有“清醒”的認識,分清先后主次、輕重緩急。結(jié)構(gòu)方面,首先尋找局部損傷狀態(tài)。對豎向承重體系,典型做法是移除一個或多個承重構(gòu)件來模擬局部損傷。若結(jié)構(gòu)存在轉(zhuǎn)換梁,可以移除支撐關(guān)鍵構(gòu)件——轉(zhuǎn)換梁的一根或幾根柱子來模擬偶然狀況,Murrah大樓的局部損傷狀態(tài)是柱G20被炸壞。其次,分析和降低結(jié)構(gòu)體系對局部損傷的敏感性。Murrah大樓北側(cè)第3層的轉(zhuǎn)換梁在柱G16和G24之間喪失支撐[9],無力承擔其上方的荷載,向下?lián)锨?導(dǎo)致重力勢能大量釋放,超出下部結(jié)構(gòu)承受能力進而引起坍塌。因此,為降低體系對局部損傷的敏感性,受力方面應(yīng)確保結(jié)構(gòu)傳力路徑的連續(xù)性和完整性,使局部損傷后具有替代或備用傳力路徑(Alternate Load Path),為此,考慮讓不同的分體系抵抗不同類型的荷載或針對不同的工況,參考抗彎框架—剪力墻結(jié)構(gòu),抗彎框架主要承擔豎向荷載,剪力墻抵抗側(cè)向力。從消能角度看,應(yīng)確保結(jié)構(gòu)體系的消能能力,同時避免外界能量過度釋放。最后,控制結(jié)構(gòu)失效范圍的擴展,宜采取兩種策略:局部增強或局部削弱。對具有串聯(lián)特點的結(jié)構(gòu)體系,如輸電塔線、連續(xù)橋,每隔一定數(shù)量的單元進行局部加強設(shè)計,阻止損傷擴展。4)施工方案。結(jié)構(gòu)體系設(shè)計必須與施工方法相協(xié)調(diào)、配合。強柱弱梁設(shè)計時,應(yīng)慎重考慮柱子施工縫的留設(shè)位置;升板法施工中妥善處理結(jié)構(gòu)整體性所要求的梁或樓板底部鋼筋在柱子中連續(xù)布置的問題。再者,施工階段結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與使用階段可能存在較大出入,而堆料超載、支撐穩(wěn)定性問題也應(yīng)給予全面估計,確?，F(xiàn)場時變施工結(jié)構(gòu)體系安全。

3 結(jié)語

1)重點結(jié)構(gòu)設(shè)施對結(jié)構(gòu)安全和防災(zāi)減災(zāi)有更高要求,一旦發(fā)生人為災(zāi)害,必須避免出現(xiàn)不相稱破壞。2)針對人為災(zāi)害的結(jié)構(gòu)安全控制可以從兩個角度來考慮:a.避免人為災(zāi)害或減輕其破壞效應(yīng);b.改善結(jié)構(gòu)整體牢固性(魯棒性),防止不相稱破壞。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域,重點結(jié)構(gòu)設(shè)施防范人為災(zāi)害可以從改善結(jié)構(gòu)的魯棒性入手。3)概念設(shè)計階段,改善結(jié)構(gòu)魯棒性可從結(jié)構(gòu)體型與空間布置、選材、結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造形式和施工方案四個方面來考慮。

[1]England J,Agarwal J,Blockley D.The vulnerability of structures to unforeseen events[J].Computers and Structures,2008,86(10):1042-1051.

[2]Federal Emergency Management Agency(FEMA).Primer for design of commercialbuildings to mitigate terrorist attacks,FEMA 427[M].Washington,DC:FEMA,2003.

[3]方召欣,李惠強.結(jié)構(gòu)魯棒性與風(fēng)險防控[J].工程力學(xué),2007,24(sup):79-82.

[4]The Standing Committee on Structural Safety(SCOSS).10TH Report of SCOSS[R].London:SETO Ltd,1994.

[5]Fang Zhao-Xin,Li Hui-Qiang.Robustnessof engineering structures and its role in risk mitigation[J].Civil Engineering and Environmental Systems,2009,26(3):223-230.

[6]Fang Zhao-xin.Problems and prospects of structural robustness analysis[A].Proceedings of the international symposium on innovation and sustainability of structures in civil engineering[C].Guangzhou:South China University of Technology Press,2009:1703-1707.

[7]Beeby A W.Safety of structures and a new approach to robustness[J].The structural engineer,1999,77(4):16-21.

[8]田志敏,張想柏,杜修力.防恐怖爆炸重要建筑物的概念設(shè)計[J].土木工程學(xué)報,2007,40(1):34-41.

[9]Hayes Jr J R,Woodson S C,Pekelnicky R G,et al.Can strengthening for earthquake improve blast and progressive collapse resistance[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2005,131(8):1157-1177.