倒塌结构的检测鉴定较普通工程结构具有现场情况复杂,不易或不能进入倒塌结构内部,倒塌结构的变形和损伤复杂不易分清是原有缺陷还是倒塌所致,现场取样困难,有时关键性试样有限,所需的信息需由表及里、抽丝剥茧解剖式获取等特点,常规的结构检测鉴定方法难以有效地解决倒塌结构检测鉴定中所遇到的问题。因此,研究适用于倒塌结构的检测鉴定方法和流程,有效应对倒塌结构的复杂情况,具有方法论意义和工程实践应用价值。

　　 本文针对倒塌结构的特点,以故障树分析理论为基础,结合事故分析理论,针对倒塌结构检测鉴定工程的特点,提出了倒塌结构的检测鉴定方法和相应工作流程,并应用于某实际倒塌结构的检测鉴定项目,以供同行参考。

　　 目前有关文献对倒塌结构的检测鉴定大多采用常规的检测鉴定方法,鲜有结构倒塌较为严重、情况复杂的检测鉴定。

　　 史彩英 ^[1]通过现场调查、取样与检测,从材料、设计、施工等方面对某倒塌水泥储罐进行了检测鉴定。

　　 江克勤 ^[2]对某钢结构门球场的倒塌原因进行检测鉴定和有限元分析,通过现场检测和调查,得知该结构存在明显的设计和施工缺陷,通过有限元软件LS-DYNA再现倒塌过程,表明该结构因未进行正规的设计、节点构造等施工质量缺陷造成结构倒塌。

　　 裴兴旺等 ^[3]对某意外倒塌的储煤仓进行了现场调查、结构检测和鉴定,发现仓壁钢筋裸露、断点钢筋发生缩颈延性断裂,并通过调查使用荷载、检查结构缺陷、检测强度及钢筋配置、验算结构承载力,得出偷工减料是造成倒塌的主要原因的结论。

　　 Keary H, Lebeau等 ^[4]采用故障树对美国肖哈里河大桥倒塌原因进行了分析研究。

　　 目前,国内外故障树分析大多应用在深基坑、隧道坍塌事故原因分析中 ^[5,6,7,8],在倒塌结构的检测鉴定中应用很少。

　　 故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)是1961年由美国贝尔实验室华特生博士为研究系统的可靠性及安全情况首创的,首次用于分析“民兵”导弹发射控制系统,后来推广到航天部门及核能、化工等许多领域,成为复杂系统可靠性和安全性分析的一种有力工具。

　　 我国从20世纪80年代初引进了FTA方法,在研究和应用方面已取得许多进展,建立了系列FTA的国家标准,如现行标准《故障树分析程序》(GB 7829-1987)、《故障树名词术语和符号》(GB/T 4888-2009)和《核电厂故障树分析导则》(NB/T 20558-2019)。

　　 FTA是一种系统化的演绎方法,是以不希望发生的顶事件作为分析的目标,第一步去寻找所有的引起顶事件的直接原因,第二步再去寻找引起上述每一个直接原因的所有直接原因……,一层一层地找下去,直到找到不需要再进一步分析的底事件为止。顶事件、中间事件和底事件之间用逻辑门符号连成一个倒立的树状图形,这就是故障树,是一种为研究系统某功能故障而建立的一种倒树状的逻辑因果关系图。

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

　　 (1)熟悉系统。收集和熟悉系统的说明书、设计图、工艺流程、运行维修等资料,详细了解系统状态及各种参数,绘出工艺流程图或布置图。

　　 (2)调查事件。收集事件案例,进行事件统计,设想给定系统可能发生的事件,需要考虑硬件、软件的失效、人的失误和外部事件等所有因素。

　　 (3)确定顶事件。对所调查的事件进行全面分析,从中找出后果严重且较易发生的事件作为顶事件。顶事件位于故障树的顶端,属于不希望事件。

　　 (4)画出故障树。从顶事件起,逐级找出直接原因事件,直至所要分析的深度,按其逻辑关系,画出故障树。

　　 (5)定性分析。按故障树结构进行简化,确定各基本事件(底事件)及其重要度。

　　 (6)定量分析。确定所有事件发生的概率,标在故障树上,逐步求出顶事件发生的概率。

　　 (7)综合性分析。在上述几个方面工作的基础上,对故障树进行系统性分析和解释。

　　 在应用故障树具体分析时视问题的繁简,对程序进行增减和循环反复分析。

　　 因故障树分析主要应用于系统的可靠性分析和安全性分析,而倒塌结构是因为结构系统不可靠和安全性出现问题,因此倒塌结构的检测鉴定中可以应用故障树分析方法。

　　 在倒塌结构的检测鉴定故障树模型中,结构倒塌是顶事件,底事件为可由现场检测的结构或构件的不同检测内容,对于混凝土结构,底事件为构件截面尺寸、构件长度、混凝土强度等级、钢筋等级、直径、数量、间距等; 对于钢结构,底事件为构件截面尺寸、长度、钢材牌号、对应的具体连接等。中间事件可根据结构的类型、部位、不同的时间阶段进行演绎划分,如地基、基础、梁、板、柱、节点等,或设计阶段、施工阶段、运营阶段等进行划分。

　　 倒塌结构的故障树模型根据具体情况采用不同的中间事件,以便于进行检测鉴定工作的实施和展开为基本原则。

　　 倒塌结构的检测鉴定流程除了遵循和满足一般结构的检测鉴定流程和要求外,还要考虑其特殊性,因为当系统复杂到一定程度后,没有良好的顶层设计,很容易出现局部的崩溃,具体表现在倒塌结构的检测鉴定活动中,就是进行了大量的检测鉴定活动却不能获得或找到结构倒塌的有效信息或原因,需要重复或重新进行相关检测鉴定工作,事倍而功半。

　　 根据一般结构的检测鉴定流程,结合在倒塌结构检测鉴定实践中的经验和教训,制定的倒塌结构的检测鉴定的流程为:

　　 (1)接受委托。

　　 (2)现场调查。在现场调查前,尽可能多地获得结构的相关信息。收集结构、工艺流程的设计图纸、文件,施工记录、施工验收和工程地质勘察报告等资料。调查倒塌结构的现状,倒塌前、后的环境条件,结构的维修加固情况以及使用功能与荷载等的变更情况,并向有关人员询问调查。

　　 (3)建立倒塌结构故障树分析模型。根据前面收集到的信息,以结构倒塌为顶事件,结合所获得的信息进行判断,采用哪种方式确定中间事件,如结构由明显不同的部分组成就按照不同部分划分,若能明确倒塌的时间段就按设计阶段、施工阶段和使用阶段划分,也可以按照结构的施工:顺序地基、基础、上部结构等进行划分。无论中间事件有多少个层级,故障树的底事件应对应于具体的检测内容。

　　 倒塌结构故障树分析模型是决定检测鉴定工作繁简、成败的重要环节。实际应用时尽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,采用演绎法以顶事件为出发点化繁为简,去掉一些不可能的事件。当从倒塌结构可能获得的信息非常有限时,若采用包括尽可能多的致因的潜在失效模式及分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA) ^[9],建立故障树模型的难度和复杂程度是非常大的,对应的检测项目及相应的检测设备、人力和时间等成本高昂,委托方难以承受。因此通常采用演绎法建立故障树模型。

　　 (4)确定检测方案、签订检测合同。根据故障树分析模型,结合所搜集和收集的信息和资料,判断导致结构倒塌的可能因素,确定检测方案、签订检测合同。

　　 (5)确认仪器、设备状态。

　　 (6)现场检测。倒塌结构的现场检测不同于一般结构,由于导致结构倒塌的损伤和变形与倒塌过程中可能造成的结构损伤和变形不易区分,要找出起始破坏的部位或构件,结构破坏的时序性判断就非常重要。因此,现场检测时要对结构的部位或构件编号、记录、拍照,尽可能多地获得结构倒塌信息。

　　 (7)计算结果分析和评价。根据截面尺寸、强度、荷载等数据,建立计算模型鉴定分析,对鉴定结果进行评判,对倒塌事件通过缜密的、完整的逻辑思考推断出结果。

　　 (8)出具检测报告。报告除了包括一般检测鉴定的内容外,还需要对倒塌结构的倒塌过程进行推演或复现。

　　 某窑尾(SP)余热锅炉结构为独立基础,下部为钢筋混凝土框架结构,上部为钢架结构。其中钢架所在的钢筋混凝土平台顶部高度为16m,钢架结构顶部高度为48.8m,锅炉烟道顶部高度为62m。基础及下部混凝土结构完成一年后完成上部钢结构安装,见图1。在成功完成水压试验后卸载,一年两个月后SP锅炉完成与生产线的对接,在对接后接近一个月的2016年6月6日上午,工人进行最后的涂刷油漆等扫尾工作时,突然发生巨响,当晚10点左右,SP锅炉结构向西倒塌,见图2。

　　 接受委托后,首先到现场踏勘,现场一片狼藉,上部扭曲的钢结构楼梯、梁、柱与下部破碎的混凝土结构、露出的钢筋交杂在一起,分不出原有结构对应的部位和构件,见图3。从倒塌结构的南侧和北侧可以看到很多积灰,上部结构相对下部结构有位移,见图4。

　　 现场调查进行了三方面的工作:拍照,询问、记录和列出了需委托方提供的资料清单。对于倒塌结构拍照时要注意,先拍方位、全貌和关注区域主要特征的照片,随着后续工作的开展,再拍中心照片和细节照片。询问时包括了人、物、环境这三方面的情况,即询问倒塌发生前后现场施工人员、SP锅炉结构和当时天气、周围有无较大振动等情况。

　　 现场调查之后,对所收集到的照片、SP锅炉的组成、参数、结构布置、地勘资料、工艺资料等进行查阅和分析。在现场调查中,通过询问和查询历史天气情况得知,结构倒塌前、后的天气、环境没有异常。倒塌结构位于山脚下,地质条件较好。通过对破坏区域主要特征的照片分析可知,钢柱脚屈曲破坏,混凝土柱节点处的钢筋呈灯笼状,见图5。由此可推断,混凝土柱受到了巨大的压力作用 ^[10],钢结构柱脚是屈曲破坏。

　　 根据上述已获知和推断信息,建立倒塌结构故障树分析模型,确定锅炉结构倒塌为顶事件,中间事件根据前面的分析按上部钢结构、混凝土结构和地基基础划分,也就是中间事件分别为钢架屈曲、混凝土框架倒塌、地基不均匀沉降。基础根据现场和倒塌特征分析,可不作为中间事件,但检测时也进行检测,以验证推断的正确与否。底事件根据中间事件进行演绎,考虑到钢柱脚屈曲的特征和现场存在的大量积灰,根据引致倒塌的因素可能存在于设计、施工和使用阶段,钢架柱脚屈曲因而较混凝土框架倒塌增加了过载这一底事件。根据已有信息,简化的锅炉结构倒塌故障树分析模型见图6。

　　 根据故障树分析模型,确定相应的检测内容,制定相应的检测方案。在签订检测合同后,到倒塌结构现场进行检测。

　　 由于结构倒塌后破坏严重,需要拆除才能取样、确定结构构件的位置、强度和截面尺寸等参数以及观测结构的破坏特征。依据现场情况,确定拆除顺序为由上到下,由表及里,也就是按倒塌结构的现状由西向东,先拆除表面的维护结构再拆解里面的部分。

　　 检测按照先易后难、由表及里解剖式的顺序进行,边拆除边检测。首先对有条件检测的混凝土梁柱截面尺寸进行测量、回弹和钻芯取样确定混凝土强度,检测梁、柱钢筋数量和直径,并取样确定钢筋的强度,见图7。

　　 倒塌结构的现场检测不同于一般结构,由于倒塌过程中可能导致结构损伤和变形,确定结构破坏的时序性就显得非常重要,因此在拆除过程中通过拍照、编号、记录来收集和确定信息,见图8。

　　 根据现场所取的15个混凝土芯样,其抗压强度实测值最低为31.2MPa、最高为50.7MPa,推定强度大于设计C30混凝土的抗压强度要求。根据取样检测结果,钢筋和钢材的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率均满足设计要求。

　　 通过现场对基础开挖勘验,基岩较浅,未见基础发生不均匀沉降。地基强风化岩地基土承载力值为350kPa,满足承载要求。

　　 由检测结果可知,结构的截面尺寸、强度、配筋等均满足设计要求。根据结构受力特点,在PKPM软件中,建立结构检测鉴定计算模型,见图9。其中,钢架所在的16m钢筋混凝土平台南面为7.5m钢筋混凝土平台。

　　 对于荷载,工艺中是不允许有大量积灰的,而在拆除中发现,积灰充满了锅炉内部的空隙,见图10。为确定积灰荷载,采用地面三维激光扫描测量了积灰的体积,依据其重度计算出积灰荷载,施加在计算模型上。

　　 通过对基础、钢筋混凝土框架结构和钢架设计校核计算,原设计满足承载要求。

　　 在考虑实际积灰重量情况下,计算结果表明,钢筋混凝土框架结构及柱下独立基础仍可满足承载要求。因此倒塌首先发生在钢架上。

　　 本例结构的地基土工程性质好,基岩较浅,因此地基的不均匀沉降经核算很小,可不予考虑。SP锅炉结构属于高耸结构,对P-Δ效应较为敏感 ^[11],经计算分析,混凝土框架的设计冗余度大,在安装钢架时也进行了找平工作,这部分P-Δ效应可不计; 对于钢架,这部分结构已经倒塌无法确定P-Δ效应,但由鉴定计算,在积灰逐步累积超载过程中,最终因超过了钢架的实测屈服强度而压溃,找到了致因,在这种情况下不作分析。

　　 根据计算结果和收集的现场信息,对结构倒塌的过程进行了复现,结果如下:

　　 随着锅炉内积灰的增加,钢架柱首先达到设计屈服强度,当锅炉内积灰充满时,钢架柱理论验算应力达到钢材实际屈服强度,考虑到烟道对承载力提供部分有利作用,延迟了钢架柱的屈曲失稳,随着烟道积灰荷载的继续增加,烟道逐渐发生变形直至断裂,最终钢柱发生受压屈曲失稳破坏,整体结构发生倒塌。

　　 因西南角柱内力较其他柱稍大,西南角柱最先达到受压屈曲失稳,其次是西北角柱屈曲失稳,最后东南角柱、东北角柱屈曲失稳,SP锅炉及钢结构部分整体砸落到16m钢筋混凝土平台上,平台被瞬间冲切分割破坏。

　　 钢筋混凝土柱在巨大冲击压力下混凝土被压碎、钢筋被压屈外凸呈灯笼状,16m钢筋混凝土平台部分被压碎在锅炉下面。南侧2根截面为800mm×800mm的钢筋混凝土柱被南向外挤、折断,7.5m平台和其下2根截面为400mm×400mm的钢筋混凝土柱受到推力,进而倒塌,倒塌的同时被向西倒塌的锅炉及钢结构部分带向西侧,平台及柱倒塌方向为西南方向。西南角截面为800mm×800mm的钢筋混凝土柱在上部通过2道钢筋混凝土梁与西北角柱相连,在西北角柱和SP锅炉及钢架向西倒塌过程拉扯折断,掉落在紧邻倒塌主体南侧。

　　 东北角钢筋混凝土柱被锅炉及钢结构部分向北推,同时被西北角柱通过上部钢筋混凝土梁向西带,最终甩落在锅炉及钢结构部分北侧。西北角柱随倒塌的锅炉及钢结构部分推压向西倒塌。

　　 钢架4根柱中,在积灰重力作用下,西侧2根先发生屈曲失稳破坏,SP锅炉及钢结构部分有向西倾覆的趋势,当其冲击砸坏16m平台板后,迅速砸到地面,底部东侧锅炉出口烟道部分刚度大、体积大,SP锅炉及钢结构部分必然向西倒塌。

　　 这些破坏特征与现场倒塌结构的分布特征和破坏特征相符。

　　 结构倒塌的原因是烟道与生产线对接后,未关闭阀门,导致积灰充满锅炉内部空隙最终压塌钢架,见图11、图12。

　　 对倒塌结构进行故障树分析,采用演绎法建立故障树模型,可以化繁为简,系统、有效、简捷地确定结构倒塌的底事件和检测鉴定内容。通过在实例中的实践表明,文中提出和制定的倒塌结构的检测鉴定方法和流程是适用的和有效的,可取得事半功倍的效果,值得推广和应用。