倒塌結構的檢測鑒定方法研究及實例分析

郭俊平， 魯巧稚， 左勇志

(1 北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039； 2 中國建筑標準設計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

倒塌結構的檢測鑒定較普通工程結構具有現場情況復雜，不易或不能進入倒塌結構內部，倒塌結構的變形和損傷復雜不易分清是原有缺陷還是倒塌所致，現場取樣困難，有時關鍵性試樣有限，所需的信息需由表及里、抽絲剝繭解剖式獲取等特點，常規的結構檢測鑒定方法難以有效地解決倒塌結構檢測鑒定中所遇到的問題。因此，研究適用于倒塌結構的檢測鑒定方法和流程，有效應對倒塌結構的復雜情況，具有方法論意義和工程實踐應用價值。

本文針對倒塌結構的特點，以故障樹分析理論為基礎，結合事故分析理論，針對倒塌結構檢測鑒定工程的特點，提出了倒塌結構的檢測鑒定方法和相應工作流程，并應用于某實際倒塌結構的檢測鑒定項目，以供同行參考。

1 倒塌結構檢測鑒定的研究現狀

目前有關文獻對倒塌結構的檢測鑒定大多采用常規的檢測鑒定方法，鮮有結構倒塌較為嚴重、情況復雜的檢測鑒定。

史彩英[1]通過現場調查、取樣與檢測，從材料、設計、施工等方面對某倒塌水泥儲罐進行了檢測鑒定。

江克勤[2]對某鋼結構門球場的倒塌原因進行檢測鑒定和有限元分析，通過現場檢測和調查，得知該結構存在明顯的設計和施工缺陷，通過有限元軟件LS-DYNA再現倒塌過程，表明該結構因未進行正規的設計、節點構造等施工質量缺陷造成結構倒塌。

裴興旺等[3]對某意外倒塌的儲煤倉進行了現場調查、結構檢測和鑒定，發現倉壁鋼筋裸露、斷點鋼筋發生縮頸延性斷裂，并通過調查使用荷載、檢查結構缺陷、檢測強度及鋼筋配置、驗算結構承載力，得出偷工減料是造成倒塌的主要原因的結論。

Keary H，Lebeau等[4]采用故障樹對美國肖哈里河大橋倒塌原因進行了分析研究。

目前，國內外故障樹分析大多應用在深基坑、隧道坍塌事故原因分析中[5-8]，在倒塌結構的檢測鑒定中應用很少。

2 故障樹分析方法及其分析程序

故障樹分析(Fault Tree Analysis，FTA)是1961年由美國貝爾實驗室華特生博士為研究系統的可靠性及安全情況首創的，首次用于分析“民兵”導彈發射控制系統，后來推廣到航天部門及核能、化工等許多領域，成為復雜系統可靠性和安全性分析的一種有力工具。

我國從20世紀80年代初引進了FTA方法，在研究和應用方面已取得許多進展，建立了系列FTA的國家標準，如現行標準《故障樹分析程序》(GB 7829-1987)、《故障樹名詞術語和符號》(GB/T 4888-2009)和《核電廠故障樹分析導則》(NB/T 20558-2019)。

FTA是一種系統化的演繹方法，是以不希望發生的頂事件作為分析的目標，第一步去尋找所有的引起頂事件的直接原因，第二步再去尋找引起上述每一個直接原因的所有直接原因……，一層一層地找下去，直到找到不需要再進一步分析的底事件為止。頂事件、中間事件和底事件之間用邏輯門符號連成一個倒立的樹狀圖形，這就是故障樹，是一種為研究系統某功能故障而建立的一種倒樹狀的邏輯因果關系圖。

故障樹分析方法既可以定性分析又可以定量分析，在系統可靠性分析、安全性分析中具有重要的作用和地位。故障樹分析的一般基本程序為：

(1)熟悉系統。收集和熟悉系統的說明書、設計圖、工藝流程、運行維修等資料，詳細了解系統狀態及各種參數，繪出工藝流程圖或布置圖。

(2)調查事件。收集事件案例，進行事件統計，設想給定系統可能發生的事件，需要考慮硬件、軟件的失效、人的失誤和外部事件等所有因素。

(3)確定頂事件。對所調查的事件進行全面分析，從中找出后果嚴重且較易發生的事件作為頂事件。頂事件位于故障樹的頂端，屬于不希望事件。

(4)畫出故障樹。從頂事件起，逐級找出直接原因事件，直至所要分析的深度，按其邏輯關系，畫出故障樹。

(5)定性分析。按故障樹結構進行簡化，確定各基本事件(底事件)及其重要度。

(6)定量分析。確定所有事件發生的概率，標在故障樹上，逐步求出頂事件發生的概率。

(7)綜合性分析。在上述幾個方面工作的基礎上，對故障樹進行系統性分析和解釋。

在應用故障樹具體分析時視問題的繁簡，對程序進行增減和循環反復分析。

3 倒塌結構檢測鑒定的故障樹分析和流程

因故障樹分析主要應用于系統的可靠性分析和安全性分析，而倒塌結構是因為結構系統不可靠和安全性出現問題，因此倒塌結構的檢測鑒定中可以應用故障樹分析方法。

在倒塌結構的檢測鑒定故障樹模型中，結構倒塌是頂事件，底事件為可由現場檢測的結構或構件的不同檢測內容，對于混凝土結構，底事件為構件截面尺寸、構件長度、混凝土強度等級、鋼筋等級、直徑、數量、間距等； 對于鋼結構，底事件為構件截面尺寸、長度、鋼材牌號、對應的具體連接等。中間事件可根據結構的類型、部位、不同的時間階段進行演繹劃分，如地基、基礎、梁、板、柱、節點等，或設計階段、施工階段、運營階段等進行劃分。

倒塌結構的故障樹模型根據具體情況采用不同的中間事件，以便于進行檢測鑒定工作的實施和展開為基本原則。

倒塌結構的檢測鑒定流程除了遵循和滿足一般結構的檢測鑒定流程和要求外，還要考慮其特殊性，因為當系統復雜到一定程度后，沒有良好的頂層設計，很容易出現局部的崩潰，具體表現在倒塌結構的檢測鑒定活動中，就是進行了大量的檢測鑒定活動卻不能獲得或找到結構倒塌的有效信息或原因，需要重復或重新進行相關檢測鑒定工作，事倍而功半。

根據一般結構的檢測鑒定流程，結合在倒塌結構檢測鑒定實踐中的經驗和教訓，制定的倒塌結構的檢測鑒定的流程為：

(1)接受委托。

(2)現場調查。在現場調查前，盡可能多地獲得結構的相關信息。收集結構、工藝流程的設計圖紙、文件，施工記錄、施工驗收和工程地質勘察報告等資料。調查倒塌結構的現狀，倒塌前、后的環境條件，結構的維修加固情況以及使用功能與荷載等的變更情況，并向有關人員詢問調查。

(3)建立倒塌結構故障樹分析模型。根據前面收集到的信息，以結構倒塌為頂事件，結合所獲得的信息進行判斷，采用哪種方式確定中間事件，如結構由明顯不同的部分組成就按照不同部分劃分，若能明確倒塌的時間段就按設計階段、施工階段和使用階段劃分，也可以按照結構的施工：順序地基、基礎、上部結構等進行劃分。無論中間事件有多少個層級，故障樹的底事件應對應于具體的檢測內容。

倒塌結構故障樹分析模型是決定檢測鑒定工作繁簡、成敗的重要環節。實際應用時盡可能收集更多的信息，以便于抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，采用演繹法以頂事件為出發點化繁為簡，去掉一些不可能的事件。當從倒塌結構可能獲得的信息非常有限時，若采用包括盡可能多的致因的潛在失效模式及分析(Failure Mode and Effect Analysis，FMEA)[9]，建立故障樹模型的難度和復雜程度是非常大的，對應的檢測項目及相應的檢測設備、人力和時間等成本高昂，委托方難以承受。因此通常采用演繹法建立故障樹模型。

(4)確定檢測方案、簽訂檢測合同。根據故障樹分析模型，結合所搜集和收集的信息和資料，判斷導致結構倒塌的可能因素，確定檢測方案、簽訂檢測合同。

(5)確認儀器、設備狀態。

(6)現場檢測。倒塌結構的現場檢測不同于一般結構，由于導致結構倒塌的損傷和變形與倒塌過程中可能造成的結構損傷和變形不易區分，要找出起始破壞的部位或構件，結構破壞的時序性判斷就非常重要。因此，現場檢測時要對結構的部位或構件編號、記錄、拍照，盡可能多地獲得結構倒塌信息。

(7)計算結果分析和評價。根據截面尺寸、強度、荷載等數據，建立計算模型鑒定分析，對鑒定結果進行評判，對倒塌事件通過縝密的、完整的邏輯思考推斷出結果。

(8)出具檢測報告。報告除了包括一般檢測鑒定的內容外，還需要對倒塌結構的倒塌過程進行推演或復現。

4 實例分析

4.1 工程概況

某窯尾(SP)余熱鍋爐結構為獨立基礎，下部為鋼筋混凝土框架結構，上部為鋼架結構。其中鋼架所在的鋼筋混凝土平臺頂部高度為16m，鋼架結構頂部高度為48.8m，鍋爐煙道頂部高度為62m。基礎及下部混凝土結構完成一年后完成上部鋼結構安裝，見圖1。在成功完成水壓試驗后卸載，一年兩個月后SP鍋爐完成與生產線的對接，在對接后接近一個月的2016年6月6日上午，工人進行最后的涂刷油漆等掃尾工作時，突然發生巨響，當晚10點左右，SP鍋爐結構向西倒塌，見圖2。

圖1 SP鍋爐結構完工時實況

圖2 SP鍋爐結構倒塌后實況

4.2 現場調查

接受委托后，首先到現場踏勘，現場一片狼藉，上部扭曲的鋼結構樓梯、梁、柱與下部破碎的混凝土結構、露出的鋼筋交雜在一起，分不出原有結構對應的部位和構件，見圖3。從倒塌結構的南側和北側可以看到很多積灰，上部結構相對下部結構有位移，見圖4。

圖3 倒塌SP鍋爐結構現場

圖4 倒塌SP鍋爐結構的南側和北側情況

現場調查進行了三方面的工作：拍照，詢問、記錄和列出了需委托方提供的資料清單。對于倒塌結構拍照時要注意，先拍方位、全貌和關注區域主要特征的照片，隨著后續工作的開展，再拍中心照片和細節照片。詢問時包括了人、物、環境這三方面的情況，即詢問倒塌發生前后現場施工人員、SP鍋爐結構和當時天氣、周圍有無較大振動等情況。

4.3 建立故障樹分析模型

現場調查之后，對所收集到的照片、SP鍋爐的組成、參數、結構布置、地勘資料、工藝資料等進行查閱和分析。在現場調查中，通過詢問和查詢歷史天氣情況得知，結構倒塌前、后的天氣、環境沒有異常。倒塌結構位于山腳下，地質條件較好。通過對破壞區域主要特征的照片分析可知，鋼柱腳屈曲破壞，混凝土柱節點處的鋼筋呈燈籠狀，見圖5。由此可推斷，混凝土柱受到了巨大的壓力作用[10]，鋼結構柱腳是屈曲破壞。

圖5 倒塌后的鋼柱腳和混凝土梁柱節點

根據上述已獲知和推斷信息，建立倒塌結構故障樹分析模型，確定鍋爐結構倒塌為頂事件，中間事件根據前面的分析按上部鋼結構、混凝土結構和地基基礎劃分，也就是中間事件分別為鋼架屈曲、混凝土框架倒塌、地基不均勻沉降。基礎根據現場和倒塌特征分析，可不作為中間事件，但檢測時也進行檢測，以驗證推斷的正確與否。底事件根據中間事件進行演繹，考慮到鋼柱腳屈曲的特征和現場存在的大量積灰，根據引致倒塌的因素可能存在于設計、施工和使用階段，鋼架柱腳屈曲因而較混凝土框架倒塌增加了過載這一底事件。根據已有信息，簡化的鍋爐結構倒塌故障樹分析模型見圖6。

圖6 倒塌鍋爐結構故障樹分析模型

根據故障樹分析模型，確定相應的檢測內容，制定相應的檢測方案。在簽訂檢測合同后，到倒塌結構現場進行檢測。

4.4 現場檢測

由于結構倒塌后破壞嚴重，需要拆除才能取樣、確定結構構件的位置、強度和截面尺寸等參數以及觀測結構的破壞特征。依據現場情況，確定拆除順序為由上到下，由表及里，也就是按倒塌結構的現狀由西向東，先拆除表面的維護結構再拆解里面的部分。

檢測按照先易后難、由表及里解剖式的順序進行，邊拆除邊檢測。首先對有條件檢測的混凝土梁柱截面尺寸進行測量、回彈和鉆芯取樣確定混凝土強度，檢測梁、柱鋼筋數量和直徑，并取樣確定鋼筋的強度，見圖7。

圖7 檢測現場

倒塌結構的現場檢測不同于一般結構，由于倒塌過程中可能導致結構損傷和變形，確定結構破壞的時序性就顯得非常重要，因此在拆除過程中通過拍照、編號、記錄來收集和確定信息，見圖8。

圖8 倒塌結構構件

根據現場所取的15個混凝土芯樣，其抗壓強度實測值最低為31.2MPa、最高為50.7MPa，推定強度大于設計C30混凝土的抗壓強度要求。根據取樣檢測結果，鋼筋和鋼材的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均滿足設計要求。

通過現場對基礎開挖勘驗，基巖較淺，未見基礎發生不均勻沉降。地基強風化巖地基土承載力值為350kPa，滿足承載要求。

4.5 鑒定計算及分析

由檢測結果可知，結構的截面尺寸、強度、配筋等均滿足設計要求。根據結構受力特點，在PKPM軟件中，建立結構檢測鑒定計算模型，見圖9。其中，鋼架所在的16m鋼筋混凝土平臺南面為7.5m鋼筋混凝土平臺。

圖9 SP鍋爐結構計算模型

對于荷載，工藝中是不允許有大量積灰的，而在拆除中發現，積灰充滿了鍋爐內部的空隙，見圖10。為確定積灰荷載，采用地面三維激光掃描測量了積灰的體積，依據其重度計算出積灰荷載，施加在計算模型上。

圖10 SP鍋爐內部充滿積灰

通過對基礎、鋼筋混凝土框架結構和鋼架設計校核計算，原設計滿足承載要求。

在考慮實際積灰重量情況下，計算結果表明，鋼筋混凝土框架結構及柱下獨立基礎仍可滿足承載要求。因此倒塌首先發生在鋼架上。

本例結構的地基土工程性質好，基巖較淺，因此地基的不均勻沉降經核算很小，可不予考慮。SP鍋爐結構屬于高聳結構，對P-Δ效應較為敏感[11]，經計算分析，混凝土框架的設計冗余度大，在安裝鋼架時也進行了找平工作，這部分P-Δ效應可不計； 對于鋼架，這部分結構已經倒塌無法確定P-Δ效應，但由鑒定計算，在積灰逐步累積超載過程中，最終因超過了鋼架的實測屈服強度而壓潰，找到了致因，在這種情況下不作分析。

4.6 倒塌過程復現分析

根據計算結果和收集的現場信息，對結構倒塌的過程進行了復現，結果如下：

隨著鍋爐內積灰的增加，鋼架柱首先達到設計屈服強度，當鍋爐內積灰充滿時，鋼架柱理論驗算應力達到鋼材實際屈服強度，考慮到煙道對承載力提供部分有利作用，延遲了鋼架柱的屈曲失穩，隨著煙道積灰荷載的繼續增加，煙道逐漸發生變形直至斷裂，最終鋼柱發生受壓屈曲失穩破壞，整體結構發生倒塌。

因西南角柱內力較其他柱稍大，西南角柱最先達到受壓屈曲失穩，其次是西北角柱屈曲失穩，最后東南角柱、東北角柱屈曲失穩，SP鍋爐及鋼結構部分整體砸落到16m鋼筋混凝土平臺上，平臺被瞬間沖切分割破壞。

鋼筋混凝土柱在巨大沖擊壓力下混凝土被壓碎、鋼筋被壓屈外凸呈燈籠狀，16m鋼筋混凝土平臺部分被壓碎在鍋爐下面。南側2根截面為800mm×800mm的鋼筋混凝土柱被南向外擠、折斷，7.5m平臺和其下2根截面為400mm×400mm的鋼筋混凝土柱受到推力，進而倒塌，倒塌的同時被向西倒塌的鍋爐及鋼結構部分帶向西側，平臺及柱倒塌方向為西南方向。西南角截面為800mm×800mm的鋼筋混凝土柱在上部通過2道鋼筋混凝土梁與西北角柱相連，在西北角柱和SP鍋爐及鋼架向西倒塌過程拉扯折斷，掉落在緊鄰倒塌主體南側。

東北角鋼筋混凝土柱被鍋爐及鋼結構部分向北推，同時被西北角柱通過上部鋼筋混凝土梁向西帶，最終甩落在鍋爐及鋼結構部分北側。西北角柱隨倒塌的鍋爐及鋼結構部分推壓向西倒塌。

鋼架4根柱中，在積灰重力作用下，西側2根先發生屈曲失穩破壞，SP鍋爐及鋼結構部分有向西傾覆的趨勢，當其沖擊砸壞16m平臺板后，迅速砸到地面，底部東側鍋爐出口煙道部分剛度大、體積大，SP鍋爐及鋼結構部分必然向西倒塌。

這些破壞特征與現場倒塌結構的分布特征和破壞特征相符。

結構倒塌的原因是煙道與生產線對接后，未關閉閥門，導致積灰充滿鍋爐內部空隙最終壓塌鋼架，見圖11、圖12。

圖11 SP鍋爐上部的煙道

圖12 SP鍋爐上部煙道開啟的閥門

5 結語

對倒塌結構進行故障樹分析，采用演繹法建立故障樹模型，可以化繁為簡，系統、有效、簡捷地確定結構倒塌的底事件和檢測鑒定內容。通過在實例中的實踐表明，文中提出和制定的倒塌結構的檢測鑒定方法和流程是適用的和有效的，可取得事半功倍的效果，值得推廣和應用。