考虑人为灾害的重点结构设施安全控制

张秀刚 方召欣

灾害是经济、社会可持续发展的严重障碍。在过去一段时间里,人为灾害引起的结构设施破坏时有发生,且呈现上升态势,不仅造成严重人员伤亡和财产损失,也产生了恶劣的社会影响。例如,1995年,Alfred P.Murrah联邦大楼北侧遭汽车炸弹袭击,支承第三层转换梁的G20柱损坏,触发连续坍塌;2003年衡阳衡州大厦的“特大火灾坍塌事故”。重点结构设施系指灾害情况下容易造成严重的物质和非物质损失、人员伤亡或其他损害(公众恐慌、环境破坏)的工程设施,对安全有更高的要求。这里,“严重”是相对于社会对某种后果的接受程度或承受能力而言。然而,在传统和常规结构分析和设计中,灾害被划归为概率小而后果严重的事件,缺少明确、有效的方法,对结构安全的影响常常被忽略。鉴于上述背景,本文探讨人为灾害情况下控制结构体系破坏范围的主要策略、措施。

1 人为灾害及对结构安全的影响

1.1 人为灾害的特征与分类

人为灾害在结构设计基准期内不一定发生,一旦发生其作用量值很大且持续时间很短。与常规结构设计中所考虑的永久作用和可变作用(下文统称为常规作用)相比,在时间、空间上是高度离散和不确定的。当前,危及结构安全的人为灾害主要集中在两方面:1)由社会群体或个体在观念、文化、利益等方面的矛盾、冲突引发的人为蓄意破坏活动,如炸弹袭击;2)伴随经济建设飞速发展出现的其他灾害事件(包括人为失误事件),如燃气爆炸、火灾、施工不当引发的超载、基坑塌陷。人为灾害(不论是蓄意破坏还是失误所致)的发生无明显规律可循,但某些情况下也会表现出一定的针对性。

1.2 人为灾害对结构体系的影响

各种人为灾害对结构的致损机理有很大差异,以炸弹爆炸和火灾为例。炸弹爆炸是以光、热、声、冲击波等形式迅速释放能量,针对性的抗爆设计需要考虑结构及其材料在快速加载下的惯性或应变率效应。爆炸产生的空气冲击波有如下特征[2]:1)在建筑物局部产生的超压力量级很大,可高出常规作用数个量级,持续时间极短,常以毫秒计;2)空气冲击波压力随到爆炸中心距离的增加迅速衰减;3)冲击波遇到障碍物会形成反射波;4)随着冲击波扩散,入射波和反射波压力衰减,后期会出现局部真空形成负压。

火灾对结构的破坏效应主要是造成受火区域性能退化,具体取决于实际火场升温情况、结构所用材料以及受火方式等因素。而一旦受火部位性能明显退化、抗力降低,在没有额外增加荷载的情况下,对原有荷载作用相对降低后的抗力而言等于又间接造成了新的“超载”。

人为灾害对结构体系的影响可以归结为,造成偶然局部损伤,即人为灾害引起结构局部性能退化或劣化(如燃气爆炸使大板结构局部承重墙受损、受火后柱抗力剧减),是与长期累积效应或与耐久性有关的损伤相区别的[3]。

2 人为灾害的设防措施

2.1 控制人为灾害的总体策略

人为灾害的性质以及它们对结构的影响机制之间千差万别,即便如此,结构安全和防灾减灾仍然可以从两个角度来考虑:1)避免人为灾害或减轻其破坏效应;2)改善结构整体牢固性,限制和减轻结构体系在人为灾害导致偶然局部损伤情况下的破坏程度,防止不相称破坏。对于前者,可以借助非结构措施来实现,比如设置隔离墩来防止车辆撞击建筑物,布置自动喷淋灭火装置来减轻火灾效应,采用防爆墙(按工作机理分为刚性、柔性和惯性三类)来减轻外部爆炸冲击波对结构的影响;此外,还可以从概念设计阶段进行考虑,如限制结构层高、强化外围柱。角度2)是要从偶然损伤的一般特征出发改善结构整体性能,与鲁棒性有关。

2.2 鲁棒性与人为灾害

确切地讲,结构全寿命期安全分为两个层面的要求[4-6]:1)结构可靠地承受正常设计、施工和使用中(一般或正常状况)出现的永久和可变作用;2)偶然状况下,结构主体能够保持必需的稳定性而不发生和起因程度不相称的破坏,如连续坍塌。二者的联系和区别见图1。

层面一对应常规可靠性理论中所包含的结构安全性要求,强调理想状态和一般状况;层面二属于结构鲁棒性(Robustness,也有译作整体牢固性或稳固性)的范畴,关注偶然状况。应当指出:在可靠性层面,常规结构理论以及现有规程是卓有成效的;但在第二层面,在应对偶然局部损伤方面存在明显缺陷[7]。对于重点结构设施,要求它们在灾害情况下保持完整无损在当前并不现实,至少是不经济的;只能期望结构不致发生和初始损伤程度不相称的破坏,即结构应当是鲁棒的,避免出现过于严重的损失(包括次生灾害)。因此,在结构工程领域内,重点结构设施防范人为灾害可以从改善结构的鲁棒性入手。

考虑一般情况,将结构在遭受人为灾害 A后发生不相称破坏Dr的概率P(·)和后果 Cr用风险的形式表达,图2给出了防范不相称破坏风险(即改善结构鲁棒性)的设计策略[5]。直接设计包括增强局部抗力法和替代承载路径法,前者用于结构无法承受特定局部损伤的情况;后者注重偶然损伤后结构的分载功能,强调依靠结构连续性和延性进行荷载或内力重分配。从风险控制角度看,替代承载路径法作用与间接设计类似,即控制结构在人为灾害造成局部损伤情况下发生不相称破坏的概率P(Dr|D1∩A)及其后果Cr;而增强局部抗力的作用在于降低人为灾害造成局部损伤的概率P(D1|A)。在这里,事故控制立足于人为灾害 A(尤其是可预见的人为灾害)的控制,采取有针对性的防范措施,降低人为灾害的概率;更确切地说,事故控制还应实现另外一个功能,即限制人为灾害对结构的直接影响效应。

2.3 改善鲁棒性的措施

概念设计阶段,改善结构鲁棒性可从四个方面来考虑:

1)结构体型、空间布置。减缓灾害对结构主体的损坏。爆炸冲击波对扩散空间的状况十分敏感,抗爆设计对外形、立面要求高,狭长、内折角和凹进构造过多以及上部悬挑(平面或竖向不规则)对抗爆不利[2,8];相对而言,体型规则、简单对抗爆有利,也有益于抵抗强风、地震等自然灾害作用。此外,限制结构质量和刚度之间的偏心,避免在主要受力方向上出现承载力和刚度突变。空间布置方面,可以考虑将安全防护等级或受威胁程度不同的区域分开布置,如针对汽车炸弹袭击或撞击场景,条件允许时,将停车场置于建筑结构主体之外。2)材料。结构构件选材,在满足强度、承载力要求的基础上宜选择具有较好耗散性能(如高阻尼)的材料,如具备优异抗爆、抗冲击性能的纤维增强混凝土材料,在同等条件下改善消能能力。3)结构体系构造形式。对构件、传力路径有“清醒”的认识,分清先后主次、轻重缓急。结构方面,首先寻找局部损伤状态。对竖向承重体系,典型做法是移除一个或多个承重构件来模拟局部损伤。若结构存在转换梁,可以移除支撑关键构件——转换梁的一根或几根柱子来模拟偶然状况,Murrah大楼的局部损伤状态是柱G20被炸坏。其次,分析和降低结构体系对局部损伤的敏感性。Murrah大楼北侧第3层的转换梁在柱G16和G24之间丧失支撑[9],无力承担其上方的荷载,向下挠曲,导致重力势能大量释放,超出下部结构承受能力进而引起坍塌。因此,为降低体系对局部损伤的敏感性,受力方面应确保结构传力路径的连续性和完整性,使局部损伤后具有替代或备用传力路径(Alternate Load Path),为此,考虑让不同的分体系抵抗不同类型的荷载或针对不同的工况,参考抗弯框架—剪力墙结构,抗弯框架主要承担竖向荷载,剪力墙抵抗侧向力。从消能角度看,应确保结构体系的消能能力,同时避免外界能量过度释放。最后,控制结构失效范围的扩展,宜采取两种策略:局部增强或局部削弱。对具有串联特点的结构体系,如输电塔线、连续桥,每隔一定数量的单元进行局部加强设计,阻止损伤扩展。4)施工方案。结构体系设计必须与施工方法相协调、配合。强柱弱梁设计时,应慎重考虑柱子施工缝的留设位置;升板法施工中妥善处理结构整体性所要求的梁或楼板底部钢筋在柱子中连续布置的问题。再者,施工阶段结构受力状态与使用阶段可能存在较大出入,而堆料超载、支撑稳定性问题也应给予全面估计,确保现场时变施工结构体系安全。

3 结语

1)重点结构设施对结构安全和防灾减灾有更高要求,一旦发生人为灾害,必须避免出现不相称破坏。2)针对人为灾害的结构安全控制可以从两个角度来考虑:a.避免人为灾害或减轻其破坏效应;b.改善结构整体牢固性(鲁棒性),防止不相称破坏。在结构工程领域,重点结构设施防范人为灾害可以从改善结构的鲁棒性入手。3)概念设计阶段,改善结构鲁棒性可从结构体型与空间布置、选材、结构体系构造形式和施工方案四个方面来考虑。

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