木結構景觀橋倒塌原因分析

郝天琪 張雨果

西藏大學 西藏 拉薩 850000

中國是世界四大文明古國之一，有著悠久的文明積淀，四大發(fā)明是我國寶貴的財富，給我們帶來了諸多的成就，而一個國家文明的具體表現則是建筑，她是一切文明的載體，又是科技水平的代表，中國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，木結構建筑就是中國式建筑的杰出代表。木結構建筑在中國具有悠久的歷史，近些年越來越多的木結構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，因此結構在超負荷作用極端惡劣天氣現象下發(fā)生損壞倒塌，由于木結構大部分采用榫卯節(jié)點的下使用時，局部構件發(fā)生破壞，導致結構整體發(fā)生倒塌。本文在研究木結構在風荷載作用以及柱腳滑移導致木結構廊亭倒塌，對木結構保護具有重要意義，還為以后木結構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，該橋對于星將河東西兩岸的交通具有重要意義，對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致連廊發(fā)生部分坍塌。詳情見圖1。

圖1 橋位布置圖

1.2 橋梁結構

婺源縣景觀大橋上部結構為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。詳情見圖2。

圖2 總體布置圖

橋面凈寬：5m人行道+15m行車道+5m人行道，詳情見圖3。

圖3 橫斷面圖

2 廊亭風災倒塌原因分析

2.1 總體分析

2022年7月29日下午7時15分左右，婺源縣城發(fā)生強對流天氣，星江河區(qū)域突發(fā)短時十級以上雷暴大風，造成婺源縣景觀橋橋面兩側連廊中間部分約80m倒塌，造成多人受傷，并使人民群眾的財產安全受到損傷[1]。因出于對安全的考慮，對剩余廊亭進行整體拆除。詳情見圖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

根據現場分析易得，廊亭木柱子嵌入下方的石墩子內部，木柱子通過釘子與彎起鋼板相連接，彎曲的鋼板連接與底鋼板通過焊接連接，底鋼板又通過周邊植入混凝土人行道板的φ6鋼筋和砂漿抹面連接[2]。通過現場分析易得鋼板的銹蝕非常嚴重，且木柱子嵌入底座部分糜爛嚴重。詳情見圖6。

圖6 廊亭底座構造圖

由于該廊亭是木結構廊亭，根據現場勘測及資料研究可以發(fā)現該結構的倒塌同時其原廊亭柱腳與人行道板連接不合理，可靠性非常差，其柱子底部是濕潤腐爛的，發(fā)生風災時其鋼板同柱腳連接處已經發(fā)生腐爛，且腐蝕相當嚴重。其與廊橋結構連接不緊密，主體結構無法為其提供支撐作用，在雷暴大風等自然災害作用下，無法抵抗風荷載作用，導致倒塌事故的發(fā)生。

2.2 風荷載對廊亭結構穩(wěn)定性分析

根據《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）確定風荷載[3]，同時根據7·29風災的風力等級確定驗算風荷載的值。根據計算結果確定廊亭結構的倒塌是否同風荷載有直接關系。

風荷載由《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）可知：垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，計算主要受力結構時，按下式計算

通過查閱《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）可知重現期為50年的基本風壓取值0.3、重現期為100年的基本風壓取值0.35。

通過查找資料得知10級大風對應風速為24.5～28.4m/s，取上限28.4m/s，根據貝努利公式進行計算。

2.2.1 各階段風荷載標準值計算

通過《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）可計算各階段風荷載標準值。

（1）重現期R為50年：

（2）重現期R為100年:

（3）10級大風：

2.2.2 支柱反力計算

（1）木材料結構支柱反力計算

由表1易得整個木結構廊亭的重度信息

表1 木結構廊亭重度信息表

表2 考慮結構自重和風荷載作用下柱子的反力和抗傾覆驗算

在得到廊亭的基本信息之后，通過廊亭整體結構判斷基本情況，詳情見圖7，圖8。

圖7 廊亭總體布置圖

圖8 柱子反力計算圖式

圖9 柱子反力計算圖式

根據上述計算結果，我們判斷在設計時，廊亭可以抵抗重現期50年、重現期100年和10級大風作用下，廊亭柱子底部都受到地面向上支承力，即柱子未發(fā)生脫空現象，結構不會出現傾覆。

（2）混凝土材料結構支柱反力計算

由表3易得整個混凝土結構廊亭的重度信息

表3 混凝土結構廊亭重度信息表

表4 考慮結構自重和風荷載作用下柱子的反力和抗傾覆驗算

將廊亭的材料結構，即木結構同混凝土結構進行對比，我們可以發(fā)現在理論上，無論時木結構還是混凝土結構，在重現期50年、重現期100年、10級大風的情況下經過測評廊亭結構均未發(fā)生傾覆現象。

2.3 柱腳在風荷載作用下對結構的影響

由于該結構的柱腳是一個木質結構同石墩子鑲嵌方式連接的，這種連接可以使結構承擔較大程度的變形，但是，結構整體在極限荷載的作用下進入非線性工作狀態(tài)，局部構件將會破壞失效，進而導致結構整體發(fā)生倒塌[4]。

2.3.1 柱腳節(jié)點的受力特點

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

由于該結構屋蓋部分自身荷載較重，柱腳會產生較大的摩擦力，在正常條件下是不會輕易滑落的。在荷載的作用下，對柱腳進行抬升與歸位使其產生搖擺現象。這種變換會使柱腳與礎石的接觸面變小，使得柱子產生變形，同時在水平荷載的作用下，木柱會產生水平側移，使得柱腳一側抬升，而柱子的另一側受壓，形成一種彈簧狀態(tài)。詳情見圖10。

圖10 柱搖擺

經過反復的實驗研究對結構進行判斷，最終確定在經歷風荷載威脅較大時，這種震動頻率會非常明顯，隨著木柱的晃動轉角增加，木柱子在風荷載的作用下由全截面受壓轉變成部分截面受壓受壓面是逐漸變小的[6]。并且在柱子沒有在一次震動回彈完成后第二次震動回彈已經開始，由于柱子會發(fā)生一定的彈性形變，在每一次運動時都會殘留一部分應力殘留致使柱腳受壓變形，對結構產生一定的影響，使結構產生一定的形變。在這種情況下反力作用點，將會不斷的由柱腳中心向柱腳邊緣移動，此時結構的恢復力矩增加，在加載的過程中幅度是不規(guī)律的，隨著加載到達一定的程度，最終所有的應力都會集中在柱腳邊緣，使得柱腳承受的荷載較大，很容易發(fā)生斷裂。

2.3.2 在風荷載的作用下柱腳滑移對結構的影響

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

由于整個柱基礎在水平荷載的作用下柱子與底部基礎間存在剪力，其中滑移臨界剪力為(為靜摩擦因數)若此時的水平荷載小于臨界剪力柱子將不會滑移，若水平荷載大于臨界剪力此時柱子將會測滑。在廊亭的建筑過程中柱腳預留了一部分的滑移區(qū)，在正常使用狀態(tài)下，這種滑移是不會導致結構發(fā)生倒塌現象。判斷是否由于水平加速度較大導致結構滑移超出臨界區(qū)域柱就會從礎石上滑落 , 整個柱架發(fā)生落架而造成結構的倒塌破壞。木結構水平分力，及柱腳的抗滑移力見表5。

表5 木結構廊亭風荷載水平分力及抗滑力計算表

經過實驗計算，我們發(fā)現在十級大風的作用下，在風荷載系數為負時，其柱腳的抗滑力小于風荷載水平力，所以在風荷載持續(xù)時間很長的情況下，可以判斷最終柱腳會滑移導致結構倒塌。

3 結論

經過對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致的：

經過數據分析對比，在屋蓋部分重量較大的條件下，無論結構材料采用木材料還是鋼筋混凝土材料在風荷載的作用下結構都是牢靠的，廊亭結構都不會傾覆，但時在觀察實驗數據時會發(fā)現在十級大風的作用下，其木結構廊亭的支柱反力是非常小的，在經過長時間的風吹日曬，木結構發(fā)生了一定的腐蝕，這種腐蝕大大降低其承載力，因此可以考慮結構由于腐蝕作用其底部的支柱反力降低，結構在風荷載的持續(xù)摧毀下，結構傾覆倒塌。

在水平荷載的作用下，柱腳的受壓面隨著水平轉角的增加而減小，最終集中在柱腳邊緣。這種加載在一定時間內會處于正常狀態(tài)，隨著加載時間過長，柱子的回彈殘余應力的影響，會導致柱子喪失承載力，導致脆斷。

經過數據計算，我們判斷出在十級大風的作用下，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，導致廊亭結構倒塌。

對柱腳由于在與礎石連接過程中防腐問題沒有處理，導致柱腳發(fā)生了腐蝕，這種情況導致柱子同人行道板與礎石的連接分離，受到上部結構給予的支撐力無法達到正常使用，會導致結構出現坍塌，在后續(xù)的設計中，我們應該對柱腳節(jié)點處進行防腐的設計處理可以在柱腳節(jié)點處刷防腐油漆等措施。