郝天琪 張雨果

西藏大學(xué) 西藏 拉薩 850000

中國(guó)是世界四大文明古國(guó)之一，有著悠久的文明積淀，四大發(fā)明是我國(guó)寶貴的財(cái)富，給我們帶來(lái)了諸多的成就，而一個(gè)國(guó)家文明的具體表現(xiàn)則是建筑，她是一切文明的載體，又是科技水平的代表，中國(guó)式建筑不同于西方建筑它的發(fā)展歷史悠久并且有著濃厚的民族文化，木結(jié)構(gòu)建筑就是中國(guó)式建筑的杰出代表。木結(jié)構(gòu)建筑在中國(guó)具有悠久的歷史，近些年越來(lái)越多的木結(jié)構(gòu)建筑采用半剛性連接方式，這種連接提高了整體的抗變形能力，因此結(jié)構(gòu)在超負(fù)荷作用極端惡劣天氣現(xiàn)象下發(fā)生損壞倒塌，由于木結(jié)構(gòu)大部分采用榫卯節(jié)點(diǎn)的下使用時(shí)，局部構(gòu)件發(fā)生破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體發(fā)生倒塌。本文在研究木結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用以及柱腳滑移導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)廊亭倒塌，對(duì)木結(jié)構(gòu)保護(hù)具有重要意義，還為以后木結(jié)構(gòu)建筑的加固和修繕具有重要意義。

1 工程概況

1.1 地理位置

婺源縣景觀橋廊亭位于江西省婺源縣，大橋跨越星江河，該橋?qū)τ谛菍⒑訓(xùn)|西兩岸的交通具有重要意義，對(duì)提高城市文化與旅游事業(yè)的發(fā)展具有重要意義，由于受到雷暴天氣的影響導(dǎo)致連廊發(fā)生部分坍塌。詳情見(jiàn)圖1。

圖1 橋位布置圖

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)

婺源縣景觀大橋上部結(jié)構(gòu)為4跨45m+55+m+55m+45m空腹式等截面懸鏈線鋼筋混凝土拱橋，矢高均為8.5m，45m主拱圈矢跨比為1/5.29，拱軸系數(shù)m=2.514，55m主拱圈矢跨比為1/6.47。45m腹拱圈為等截面圓弧拱，凈跨3.5m，凈矢高1.16m，矢跨比為1/3.02，55m腹拱圈為等截面圓弧拱，凈跨4.5m，凈矢高1.496m，矢跨比為1/3.01。詳情見(jiàn)圖2。

圖2 總體布置圖

橋面凈寬：5m人行道+15m行車(chē)道+5m人行道，詳情見(jiàn)圖3。

圖3 橫斷面圖

2 廊亭風(fēng)災(zāi)倒塌原因分析

2.1 總體分析

2022年7月29日下午7時(shí)15分左右，婺源縣城發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，星江河區(qū)域突發(fā)短時(shí)十級(jí)以上雷暴大風(fēng)，造成婺源縣景觀橋橋面兩側(cè)連廊中間部分約80m倒塌，造成多人受傷，并使人民群眾的財(cái)產(chǎn)安全受到損傷[1]。因出于對(duì)安全的考慮，對(duì)剩余廊亭進(jìn)行整體拆除。詳情見(jiàn)圖4，圖5。

圖4 景觀橋倒塌前照片

圖5 景觀橋廊亭倒塌后的照片

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析易得，廊亭木柱子嵌入下方的石墩子內(nèi)部，木柱子通過(guò)釘子與彎起鋼板相連接，彎曲的鋼板連接與底鋼板通過(guò)焊接連接，底鋼板又通過(guò)周邊植入混凝土人行道板的φ6鋼筋和砂漿抹面連接[2]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析易得鋼板的銹蝕非常嚴(yán)重，且木柱子嵌入底座部分糜爛嚴(yán)重。詳情見(jiàn)圖6。

圖6 廊亭底座構(gòu)造圖

由于該廊亭是木結(jié)構(gòu)廊亭，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及資料研究可以發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的倒塌同時(shí)其原廊亭柱腳與人行道板連接不合理，可靠性非常差，其柱子底部是濕潤(rùn)腐爛的，發(fā)生風(fēng)災(zāi)時(shí)其鋼板同柱腳連接處已經(jīng)發(fā)生腐爛，且腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。其與廊橋結(jié)構(gòu)連接不緊密，主體結(jié)構(gòu)無(wú)法為其提供支撐作用，在雷暴大風(fēng)等自然災(zāi)害作用下，無(wú)法抵抗風(fēng)荷載作用，導(dǎo)致倒塌事故的發(fā)生。

2.2 風(fēng)荷載對(duì)廊亭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）確定風(fēng)荷載[3]，同時(shí)根據(jù)7·29風(fēng)災(zāi)的風(fēng)力等級(jí)確定驗(yàn)算風(fēng)荷載的值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定廊亭結(jié)構(gòu)的倒塌是否同風(fēng)荷載有直接關(guān)系。

風(fēng)荷載由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）可知：垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算主要受力結(jié)構(gòu)時(shí)，按下式計(jì)算

通過(guò)查閱《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）可知重現(xiàn)期為50年的基本風(fēng)壓取值0.3、重現(xiàn)期為100年的基本風(fēng)壓取值0.35。

通過(guò)查找資料得知10級(jí)大風(fēng)對(duì)應(yīng)風(fēng)速為24.5～28.4m/s，取上限28.4m/s，根據(jù)貝努利公式進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 各階段風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

通過(guò)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）可計(jì)算各階段風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

（1）重現(xiàn)期R為50年：

（2）重現(xiàn)期R為100年:

（3）10級(jí)大風(fēng)：

2.2.2 支柱反力計(jì)算

（1）木材料結(jié)構(gòu)支柱反力計(jì)算

由表1易得整個(gè)木結(jié)構(gòu)廊亭的重度信息

表1 木結(jié)構(gòu)廊亭重度信息表

表2 考慮結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載作用下柱子的反力和抗傾覆驗(yàn)算

在得到廊亭的基本信息之后，通過(guò)廊亭整體結(jié)構(gòu)判斷基本情況，詳情見(jiàn)圖7，圖8。

圖7 廊亭總體布置圖

圖8 柱子反力計(jì)算圖式

圖9 柱子反力計(jì)算圖式

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，我們判斷在設(shè)計(jì)時(shí)，廊亭可以抵抗重現(xiàn)期50年、重現(xiàn)期100年和10級(jí)大風(fēng)作用下，廊亭柱子底部都受到地面向上支承力，即柱子未發(fā)生脫空現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)傾覆。

（2）混凝土材料結(jié)構(gòu)支柱反力計(jì)算

由表3易得整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)廊亭的重度信息

表3 混凝土結(jié)構(gòu)廊亭重度信息表

表4 考慮結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載作用下柱子的反力和抗傾覆驗(yàn)算

將廊亭的材料結(jié)構(gòu)，即木結(jié)構(gòu)同混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)在理論上，無(wú)論時(shí)木結(jié)構(gòu)還是混凝土結(jié)構(gòu)，在重現(xiàn)期50年、重現(xiàn)期100年、10級(jí)大風(fēng)的情況下經(jīng)過(guò)測(cè)評(píng)廊亭結(jié)構(gòu)均未發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

2.3 柱腳在風(fēng)荷載作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

由于該結(jié)構(gòu)的柱腳是一個(gè)木質(zhì)結(jié)構(gòu)同石墩子鑲嵌方式連接的，這種連接可以使結(jié)構(gòu)承擔(dān)較大程度的變形，但是，結(jié)構(gòu)整體在極限荷載的作用下進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，局部構(gòu)件將會(huì)破壞失效，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體發(fā)生倒塌[4]。

2.3.1 柱腳節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)

在古建筑建筑中，柱子同基礎(chǔ)連接存在柱礎(chǔ)石。柱礎(chǔ)石的作用是防止柱腳滑移掉落，有給了柱腳一定的自由度。當(dāng)柱子同時(shí)受到水平與豎向荷載作用時(shí)，柱礎(chǔ)石可以為柱腳提供豎向反力和一定的水平摩擦力。同時(shí)柱子能夠承受的水平剪力存在一定界限，這種界限同柱礎(chǔ)石的材料有關(guān)[5]。同時(shí)上部結(jié)構(gòu)的重力荷載作用保證古建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此豎向荷載對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)受力性能的影響是不可忽視的。

由于該結(jié)構(gòu)屋蓋部分自身荷載較重，柱腳會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，在正常條件下是不會(huì)輕易滑落的。在荷載的作用下，對(duì)柱腳進(jìn)行抬升與歸位使其產(chǎn)生搖擺現(xiàn)象。這種變換會(huì)使柱腳與礎(chǔ)石的接觸面變小，使得柱子產(chǎn)生變形，同時(shí)在水平荷載的作用下，木柱會(huì)產(chǎn)生水平側(cè)移，使得柱腳一側(cè)抬升，而柱子的另一側(cè)受壓，形成一種彈簧狀態(tài)。詳情見(jiàn)圖10。

圖10 柱搖擺

經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷，最終確定在經(jīng)歷風(fēng)荷載威脅較大時(shí)，這種震動(dòng)頻率會(huì)非常明顯，隨著木柱的晃動(dòng)轉(zhuǎn)角增加，木柱子在風(fēng)荷載的作用下由全截面受壓轉(zhuǎn)變成部分截面受壓受壓面是逐漸變小的[6]。并且在柱子沒(méi)有在一次震動(dòng)回彈完成后第二次震動(dòng)回彈已經(jīng)開(kāi)始，由于柱子會(huì)發(fā)生一定的彈性形變，在每一次運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)殘留一部分應(yīng)力殘留致使柱腳受壓變形，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的形變。在這種情況下反力作用點(diǎn)，將會(huì)不斷的由柱腳中心向柱腳邊緣移動(dòng)，此時(shí)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力矩增加，在加載的過(guò)程中幅度是不規(guī)律的，隨著加載到達(dá)一定的程度，最終所有的應(yīng)力都會(huì)集中在柱腳邊緣，使得柱腳承受的荷載較大，很容易發(fā)生斷裂。

2.3.2 在風(fēng)荷載的作用下柱腳滑移對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

與此廊亭結(jié)構(gòu)屋蓋部分的自身重度較大，這使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性得到了提升。由上述分析我們判斷出結(jié)構(gòu)的抗傾覆性較為良好，作用在結(jié)構(gòu)上的水平剪力不會(huì)超過(guò)柱底所受到摩擦力的總和。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況我們看到將木柱與礎(chǔ)石進(jìn)行連接礎(chǔ)石可以為柱腳提供豎向支持力和一定的水平摩擦力[7]。

由于整個(gè)柱基礎(chǔ)在水平荷載的作用下柱子與底部基礎(chǔ)間存在剪力，其中滑移臨界剪力為(為靜摩擦因數(shù))若此時(shí)的水平荷載小于臨界剪力柱子將不會(huì)滑移，若水平荷載大于臨界剪力此時(shí)柱子將會(huì)測(cè)滑。在廊亭的建筑過(guò)程中柱腳預(yù)留了一部分的滑移區(qū)，在正常使用狀態(tài)下，這種滑移是不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌現(xiàn)象。判斷是否由于水平加速度較大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滑移超出臨界區(qū)域柱就會(huì)從礎(chǔ)石上滑落 , 整個(gè)柱架發(fā)生落架而造成結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。木結(jié)構(gòu)水平分力，及柱腳的抗滑移力見(jiàn)表5。

表5 木結(jié)構(gòu)廊亭風(fēng)荷載水平分力及抗滑力計(jì)算表

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)在十級(jí)大風(fēng)的作用下，在風(fēng)荷載系數(shù)為負(fù)時(shí)，其柱腳的抗滑力小于風(fēng)荷載水平力，所以在風(fēng)荷載持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的情況下，可以判斷最終柱腳會(huì)滑移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)婺源縣景觀廊橋的一系列分析我們得出廊亭倒塌是由以下幾種情況導(dǎo)致的：

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)比，在屋蓋部分重量較大的條件下，無(wú)論結(jié)構(gòu)材料采用木材料還是鋼筋混凝土材料在風(fēng)荷載的作用下結(jié)構(gòu)都是牢靠的，廊亭結(jié)構(gòu)都不會(huì)傾覆，但時(shí)在觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在十級(jí)大風(fēng)的作用下，其木結(jié)構(gòu)廊亭的支柱反力是非常小的，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹日曬，木結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的腐蝕，這種腐蝕大大降低其承載力，因此可以考慮結(jié)構(gòu)由于腐蝕作用其底部的支柱反力降低，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載的持續(xù)摧毀下，結(jié)構(gòu)傾覆倒塌。

在水平荷載的作用下，柱腳的受壓面隨著水平轉(zhuǎn)角的增加而減小，最終集中在柱腳邊緣。這種加載在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)處于正常狀態(tài)，隨著加載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，柱子的回彈殘余應(yīng)力的影響，會(huì)導(dǎo)致柱子喪失承載力，導(dǎo)致脆斷。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，我們判斷出在十級(jí)大風(fēng)的作用下，廊亭的水平分力，大于柱腳的抗滑力，因此廊亭柱腳發(fā)生滑移，在風(fēng)荷載的持續(xù)作用才，柱腳的滑移距離逐漸增加，最終超出了滑移極限，導(dǎo)致廊亭結(jié)構(gòu)倒塌。

對(duì)柱腳由于在與礎(chǔ)石連接過(guò)程中防腐問(wèn)題沒(méi)有處理，導(dǎo)致柱腳發(fā)生了腐蝕，這種情況導(dǎo)致柱子同人行道板與礎(chǔ)石的連接分離，受到上部結(jié)構(gòu)給予的支撐力無(wú)法達(dá)到正常使用，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行防腐的設(shè)計(jì)處理可以在柱腳節(jié)點(diǎn)處刷防腐油漆等措施。