考慮人為災害的重點結構設施安全控制

張秀剛 方召欣

災害是經濟、社會可持續發展的嚴重障礙。在過去一段時間里,人為災害引起的結構設施破壞時有發生,且呈現上升態勢,不僅造成嚴重人員傷亡和財產損失,也產生了惡劣的社會影響。例如,1995年,Alfred P.Murrah聯邦大樓北側遭汽車炸彈襲擊,支承第三層轉換梁的G20柱損壞,觸發連續坍塌;2003年衡陽衡州大廈的“特大火災坍塌事故”。重點結構設施系指災害情況下容易造成嚴重的物質和非物質損失、人員傷亡或其他損害(公眾恐慌、環境破壞)的工程設施,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,在傳統和常規結構分析和設計中,災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,對結構安全的影響常常被忽略。鑒于上述背景,本文探討人為災害情況下控制結構體系破壞范圍的主要策略、措施。

1 人為災害及對結構安全的影響

1.1 人為災害的特征與分類

人為災害在結構設計基準期內不一定發生,一旦發生其作用量值很大且持續時間很短。與常規結構設計中所考慮的永久作用和可變作用(下文統稱為常規作用)相比,在時間、空間上是高度離散和不確定的。當前,危及結構安全的人為災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、沖突引發的人為蓄意破壞活動,如炸彈襲擊;2)伴隨經濟建設飛速發展出現的其他災害事件(包括人為失誤事件),如燃氣爆炸、火災、施工不當引發的超載、基坑塌陷。人為災害(不論是蓄意破壞還是失誤所致)的發生無明顯規律可循,但某些情況下也會表現出一定的針對性。

1.2 人為災害對結構體系的影響

各種人為災害對結構的致損機理有很大差異,以炸彈爆炸和火災為例。炸彈爆炸是以光、熱、聲、沖擊波等形式迅速釋放能量,針對性的抗爆設計需要考慮結構及其材料在快速加載下的慣性或應變率效應。爆炸產生的空氣沖擊波有如下特征[2]:1)在建筑物局部產生的超壓力量級很大,可高出常規作用數個量級,持續時間極短,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,后期會出現局部真空形成負壓。

火災對結構的破壞效應主要是造成受火區域性能退化,具體取決于實際火場升溫情況、結構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”。

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

2 人為災害的設防措施

2.1 控制人為災害的總體策略

人為災害的性質以及它們對結構的影響機制之間千差萬別,即便如此,結構安全和防災減災仍然可以從兩個角度來考慮:1)避免人為災害或減輕其破壞效應;2)改善結構整體牢固性,限制和減輕結構體系在人為災害導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,可以借助非結構措施來實現,比如設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效應,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構的影響;此外,還可以從概念設計階段進行考慮,如限制結構層高、強化外圍柱。角度2)是要從偶然損傷的一般特征出發改善結構整體性能,與魯棒性有關。

2.2 魯棒性與人為災害

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

層面一對應常規可靠性理論中所包含的結構安全性要求,強調理想狀態和一般狀況;層面二屬于結構魯棒性(Robustness,也有譯作整體牢固性或穩固性)的范疇,關注偶然狀況。應當指出:在可靠性層面,常規結構理論以及現有規程是卓有成效的;但在第二層面,在應對偶然局部損傷方面存在明顯缺陷[7]。對于重點結構設施,要求它們在災害情況下保持完整無損在當前并不現實,至少是不經濟的;只能期望結構不致發生和初始損傷程度不相稱的破壞,即結構應當是魯棒的,避免出現過于嚴重的損失(包括次生災害)。因此,在結構工程領域內,重點結構設施防范人為災害可以從改善結構的魯棒性入手。

考慮一般情況,將結構在遭受人為災害 A后發生不相稱破壞Dr的概率P(·)和后果 Cr用風險的形式表達,圖2給出了防范不相稱破壞風險(即改善結構魯棒性)的設計策略[5]。直接設計包括增強局部抗力法和替代承載路徑法,前者用于結構無法承受特定局部損傷的情況;后者注重偶然損傷后結構的分載功能,強調依靠結構連續性和延性進行荷載或內力重分配。從風險控制角度看,替代承載路徑法作用與間接設計類似,即控制結構在人為災害造成局部損傷情況下發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害 A(尤其是可預見的人為災害)的控制,采取有針對性的防范措施,降低人為災害的概率;更確切地說,事故控制還應實現另外一個功能,即限制人為災害對結構的直接影響效應。

2.3 改善魯棒性的措施

概念設計階段,改善結構魯棒性可從四個方面來考慮:

1)結構體型、空間布置。減緩災害對結構主體的損壞。爆炸沖擊波對擴散空間的狀況十分敏感,抗爆設計對外形、立面要求高,狹長、內折角和凹進構造過多以及上部懸挑(平面或豎向不規則)對抗爆不利[2,8];相對而言,體型規則、簡單對抗爆有利,也有益于抵抗強風、地震等自然災害作用。此外,限制結構質量和剛度之間的偏心,避免在主要受力方向上出現承載力和剛度突變。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構主體之外。2)材料。結構構件選材,在滿足強度、承載力要求的基礎上宜選擇具有較好耗散性能(如高阻尼)的材料,如具備優異抗爆、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)結構體系構造形式。對構件、傳力路徑有“清醒”的認識,分清先后主次、輕重緩急。結構方面,首先尋找局部損傷狀態。對豎向承重體系,典型做法是移除一個或多個承重構件來模擬局部損傷。若結構存在轉換梁,可以移除支撐關鍵構件——轉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是柱G20被炸壞。其次,分析和降低結構體系對局部損傷的敏感性。Murrah大樓北側第3層的轉換梁在柱G16和G24之間喪失支撐[9],無力承擔其上方的荷載,向下撓曲,導致重力勢能大量釋放,超出下部結構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,受力方面應確保結構傳力路徑的連續性和完整性,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—剪力墻結構,抗彎框架主要承擔豎向荷載,剪力墻抵抗側向力。從消能角度看,應確保結構體系的消能能力,同時避免外界能量過度釋放。最后,控制結構失效范圍的擴展,宜采取兩種策略:局部增強或局部削弱。對具有串聯特點的結構體系,如輸電塔線、連續橋,每隔一定數量的單元進行局部加強設計,阻止損傷擴展。4)施工方案。結構體系設計必須與施工方法相協調、配合。強柱弱梁設計時,應慎重考慮柱子施工縫的留設位置;升板法施工中妥善處理結構整體性所要求的梁或樓板底部鋼筋在柱子中連續布置的問題。再者,施工階段結構受力狀態與使用階段可能存在較大出入,而堆料超載、支撐穩定性問題也應給予全面估計,確保現場時變施工結構體系安全。

3 結語

1)重點結構設施對結構安全和防災減災有更高要求,一旦發生人為災害,必須避免出現不相稱破壞。2)針對人為災害的結構安全控制可以從兩個角度來考慮:a.避免人為災害或減輕其破壞效應;b.改善結構整體牢固性(魯棒性),防止不相稱破壞。在結構工程領域,重點結構設施防范人為災害可以從改善結構的魯棒性入手。3)概念設計階段,改善結構魯棒性可從結構體型與空間布置、選材、結構體系構造形式和施工方案四個方面來考慮。

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