山西饭店坍塌事故的警示—为什么LOFT夹层要防止脆性破坏?

    2020/09/18 | 官方博客, 最新资讯

    8月29日9时40分左右,山西省临汾市襄汾县陶寺乡陈庄村聚仙饭店发生坍塌事故。这是一座已开业运营十几年的乡村饭店,据当地人回忆,整个坍塌过程突然而迅速,“最多不超过5秒”。抢险救援结束后,事故现场抢险救援组表示,目前基本可以确定涉事的聚仙饭店房子为1982年左右村民自建房,并分几次建设。有邻居说,聚仙饭店院子前后的两座小楼盖起的时间比较早,但是院子中间加盖预制板房顶形成“宴会厅”是近几年的事,随后又在院子最上部架设了一层简易彩钢板顶棚。29日9时40分左右,“宴会厅”上面的预制板房顶突然坍塌。

    这是一起典型的建筑结构脆性破坏的实例,结构的设计需要从各方面避免脆性破坏的发生,而部分乡村自建房缺乏系统的结构设计、评定与检测。这起事故不仅暴露出部分乡村自建房所存在的结构安全问题,同时也残酷地展示出结构脆性破坏的毫无征兆与迅速无情。但只要严格遵循我国的各项设计规范,是可以避免此类脆性破坏的发生的。

    延性破坏VS脆性破坏

    首先明确两个概念:延性破坏与脆性破坏。

    延性破坏是指材料、构件或结构具有在破坏前发生较大变形并保持其承载力的能力,宏观表现上为挠度、倾斜、裂缝等明显破坏先兆的破坏模式,更为重要的是,尽管出现明显的破坏征兆,但延性材料或结构仍然能够保持其承载力。简单说来,建筑结构受到外力作用,大到一定程度,整体失去稳定或者局部构件发生破坏前,应有时间提醒人们逃生或者补救。这个时间哪里来?一方面来自结构选材,一方面来自结构选型。选材需要选择具有良好延性性能的材料,比如钢材、钢筋混凝土、劲性混凝土、钢管混凝土等,在大部分情况下避免使用水泥、素混凝土等脆性材料,尽量避免选择细长杆件、薄壁构件;选型需要整体分析,做到结构整体满足强节点弱构件、强柱弱梁、强剪弱弯等概念设计的要求。

    脆性破坏是指材料或者结构受力后无显著变形而突然发生的破坏。脆性破坏的过程很迅速,人们往往没有逃生的时间。如何避免脆性破坏,同样是两方面:结构选材与选型。在严格执行设计施工规范的结构中,都可以避免脆性破坏的发生。

    结构选材

    从材料性能方面,素混凝土、水泥等材料在受拉时会发生脆性破坏,但由于其拥有抗压强度高、耐久性能好等优点,因此在受拉区配置钢筋,将钢筋与混凝土两种材料的优势结合起来,成为我们普遍采用的钢筋混凝土材料,可以从材料层面确保结构的延性性能。

    图1. 混凝土与钢筋本构关系

    上图即为我国规范里混凝土与钢筋的本构关系,钢材具有优良的延性性能,在受拉屈服之后仍可继续变形,不会发生突然的脆性破坏。而单纯混凝土或者事故中使用的水泥预制板在达到受拉承载力后会突然断裂,造成脆性破坏。

    规范已有规定

    其实在我国JGJ209-2010《轻型钢结构住宅技术规程》中,对此类楼板、墙板已有明确规定:

    下图即为传统的水泥纤维板,它架设在钢梁上,具有技术简单取材便利的优势。但由于水泥的材料特性,水泥纤维板做楼板是不安全的,即使使用强度足够,却没有足够的延性,会发生如事故中突然的脆性破坏,这也是《轻型钢结构住宅技术规程》中对其明确禁止的原因。但部分工程从业人员不熟悉规范,仍会在夹层楼板或临时结构中使用水泥纤维板做楼板。

    图2. 水泥纤维板(已被规范禁止使用于楼板以及楼梯间)

    那么,对于需要使用此类楼板的场合,如夹层楼板等,是否有保证安全的前提下合适的替代品呢?从结构安全角度考虑,下图的两种楼板形式,既可满足使用要求,又不会发生脆性破坏。因选材方面,他们均选择了延性性能更好的钢材进行受力,尤其是图4,TD-LOFT楼板是用高延性镀锌钢板制成,具有显著的延性破坏特征,不会发生突然的脆性破坏。

    图3 钢梁+花纹钢板(左)                   图4  TD-LOFT楼板(右)

    在同时满足结构安全的前提下,图4的TD-LOFT楼板的经济性与施工便捷性也更具有优势,已广泛应用于各类工程项目中。

    预防结构脆性破坏

    我国抗震设计规范遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则,在这样的指导思路下,正规的设计成果从结构选型角度是安全可靠的。而在没有地震作用时,突发的结构脆性破坏如何预防?一些事故的发生,是由于缺乏系统的设计、监管。严格遵循国家的各类设计施工规范,是结构设计的基本要求,从设计之初的结构选材即不可大意,熟悉规范强制性条文所明令禁止的内容,是工程从业人员的基本素养。