木结构景观桥倒塌原因分析

郝天琪 张雨果

西藏大学 西藏 拉萨 850000

中国是世界四大文明古国之一，有着悠久的文明积淀，四大发明是我国宝贵的财富，给我们带来了诸多的成就，而一个国家文明的具体表现则是建筑，她是一切文明的载体，又是科技水平的代表，中国式建筑不同于西方建筑它的发展历史悠久并且有着浓厚的民族文化，木结构建筑就是中国式建筑的杰出代表。木结构建筑在中国具有悠久的历史，近些年越来越多的木结构建筑采用半刚性连接方式，这种连接提高了整体的抗变形能力，因此结构在超负荷作用极端恶劣天气现象下发生损坏倒塌，由于木结构大部分采用榫卯节点的下使用时，局部构件发生破坏，导致结构整体发生倒塌。本文在研究木结构在风荷载作用以及柱脚滑移导致木结构廊亭倒塌，对木结构保护具有重要意义，还为以后木结构建筑的加固和修缮具有重要意义。

1 工程概况

1.1 地理位置

婺源县景观桥廊亭位于江西省婺源县，大桥跨越星江河，该桥对于星将河东西两岸的交通具有重要意义，对提高城市文化与旅游事业的发展具有重要意义，由于受到雷暴天气的影响导致连廊发生部分坍塌。详情见图1。

图1 桥位布置图

1.2 桥梁结构

婺源县景观大桥上部结构为4跨45m+55+m+55m+45m空腹式等截面悬链线钢筋混凝土拱桥，矢高均为8.5m，45m主拱圈矢跨比为1/5.29，拱轴系数m=2.514，55m主拱圈矢跨比为1/6.47。45m腹拱圈为等截面圆弧拱，净跨3.5m，净矢高1.16m，矢跨比为1/3.02，55m腹拱圈为等截面圆弧拱，净跨4.5m，净矢高1.496m，矢跨比为1/3.01。详情见图2。

图2 总体布置图

桥面净宽：5m人行道+15m行车道+5m人行道，详情见图3。

图3 横断面图

2 廊亭风灾倒塌原因分析

2.1 总体分析

2022年7月29日下午7时15分左右，婺源县城发生强对流天气，星江河区域突发短时十级以上雷暴大风，造成婺源县景观桥桥面两侧连廊中间部分约80m倒塌，造成多人受伤，并使人民群众的财产安全受到损伤[1]。因出于对安全的考虑，对剩余廊亭进行整体拆除。详情见图4，图5。

图4 景观桥倒塌前照片

图5 景观桥廊亭倒塌后的照片

根据现场分析易得，廊亭木柱子嵌入下方的石墩子内部，木柱子通过钉子与弯起钢板相连接，弯曲的钢板连接与底钢板通过焊接连接，底钢板又通过周边植入混凝土人行道板的φ6钢筋和砂浆抹面连接[2]。通过现场分析易得钢板的锈蚀非常严重，且木柱子嵌入底座部分糜烂严重。详情见图6。

图6 廊亭底座构造图

由于该廊亭是木结构廊亭，根据现场勘测及资料研究可以发现该结构的倒塌同时其原廊亭柱脚与人行道板连接不合理，可靠性非常差，其柱子底部是湿润腐烂的，发生风灾时其钢板同柱脚连接处已经发生腐烂，且腐蚀相当严重。其与廊桥结构连接不紧密，主体结构无法为其提供支撑作用，在雷暴大风等自然灾害作用下，无法抵抗风荷载作用，导致倒塌事故的发生。

2.2 风荷载对廊亭结构稳定性分析

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）确定风荷载[3]，同时根据7·29风灾的风力等级确定验算风荷载的值。根据计算结果确定廊亭结构的倒塌是否同风荷载有直接关系。

风荷载由《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）可知：垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，计算主要受力结构时，按下式计算

通过查阅《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）可知重现期为50年的基本风压取值0.3、重现期为100年的基本风压取值0.35。

通过查找资料得知10级大风对应风速为24.5～28.4m/s，取上限28.4m/s，根据贝努利公式进行计算。

2.2.1 各阶段风荷载标准值计算

通过《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）可计算各阶段风荷载标准值。

（1）重现期R为50年：

（2）重现期R为100年:

（3）10级大风：

2.2.2 支柱反力计算

（1）木材料结构支柱反力计算

由表1易得整个木结构廊亭的重度信息

表1 木结构廊亭重度信息表

表2 考虑结构自重和风荷载作用下柱子的反力和抗倾覆验算

在得到廊亭的基本信息之后，通过廊亭整体结构判断基本情况，详情见图7，图8。

图7 廊亭总体布置图

图8 柱子反力计算图式

图9 柱子反力计算图式

根据上述计算结果，我们判断在设计时，廊亭可以抵抗重现期50年、重现期100年和10级大风作用下，廊亭柱子底部都受到地面向上支承力，即柱子未发生脱空现象，结构不会出现倾覆。

（2）混凝土材料结构支柱反力计算

由表3易得整个混凝土结构廊亭的重度信息

表3 混凝土结构廊亭重度信息表

表4 考虑结构自重和风荷载作用下柱子的反力和抗倾覆验算

将廊亭的材料结构，即木结构同混凝土结构进行对比，我们可以发现在理论上，无论时木结构还是混凝土结构，在重现期50年、重现期100年、10级大风的情况下经过测评廊亭结构均未发生倾覆现象。

2.3 柱脚在风荷载作用下对结构的影响

由于该结构的柱脚是一个木质结构同石墩子镶嵌方式连接的，这种连接可以使结构承担较大程度的变形，但是，结构整体在极限荷载的作用下进入非线性工作状态，局部构件将会破坏失效，进而导致结构整体发生倒塌[4]。

2.3.1 柱脚节点的受力特点

在古建筑建筑中，柱子同基础连接存在柱础石。柱础石的作用是防止柱脚滑移掉落，有给了柱脚一定的自由度。当柱子同时受到水平与竖向荷载作用时，柱础石可以为柱脚提供竖向反力和一定的水平摩擦力。同时柱子能够承受的水平剪力存在一定界限，这种界限同柱础石的材料有关[5]。同时上部结构的重力荷载作用保证古建筑结构整体稳定性的关键因素，因此竖向荷载对柱脚节点受力性能的影响是不可忽视的。

由于该结构屋盖部分自身荷载较重，柱脚会产生较大的摩擦力，在正常条件下是不会轻易滑落的。在荷载的作用下，对柱脚进行抬升与归位使其产生摇摆现象。这种变换会使柱脚与础石的接触面变小，使得柱子产生变形，同时在水平荷载的作用下，木柱会产生水平侧移，使得柱脚一侧抬升，而柱子的另一侧受压，形成一种弹簧状态。详情见图10。

图10 柱摇摆

经过反复的实验研究对结构进行判断，最终确定在经历风荷载威胁较大时，这种震动频率会非常明显，随着木柱的晃动转角增加，木柱子在风荷载的作用下由全截面受压转变成部分截面受压受压面是逐渐变小的[6]。并且在柱子没有在一次震动回弹完成后第二次震动回弹已经开始，由于柱子会发生一定的弹性形变，在每一次运动时都会残留一部分应力残留致使柱脚受压变形，对结构产生一定的影响，使结构产生一定的形变。在这种情况下反力作用点，将会不断的由柱脚中心向柱脚边缘移动，此时结构的恢复力矩增加，在加载的过程中幅度是不规律的，随着加载到达一定的程度，最终所有的应力都会集中在柱脚边缘，使得柱脚承受的荷载较大，很容易发生断裂。

2.3.2 在风荷载的作用下柱脚滑移对结构的影响

与此廊亭结构屋盖部分的自身重度较大，这使得整个结构的整体性和稳定性得到了提升。由上述分析我们判断出结构的抗倾覆性较为良好，作用在结构上的水平剪力不会超过柱底所受到摩擦力的总和。根据现场情况我们看到将木柱与础石进行连接础石可以为柱脚提供竖向支持力和一定的水平摩擦力[7]。

由于整个柱基础在水平荷载的作用下柱子与底部基础间存在剪力，其中滑移临界剪力为(为静摩擦因数)若此时的水平荷载小于临界剪力柱子将不会滑移，若水平荷载大于临界剪力此时柱子将会测滑。在廊亭的建筑过程中柱脚预留了一部分的滑移区，在正常使用状态下，这种滑移是不会导致结构发生倒塌现象。判断是否由于水平加速度较大导致结构滑移超出临界区域柱就会从础石上滑落 , 整个柱架发生落架而造成结构的倒塌破坏。木结构水平分力，及柱脚的抗滑移力见表5。

表5 木结构廊亭风荷载水平分力及抗滑力计算表

经过实验计算，我们发现在十级大风的作用下，在风荷载系数为负时，其柱脚的抗滑力小于风荷载水平力，所以在风荷载持续时间很长的情况下，可以判断最终柱脚会滑移导致结构倒塌。

3 结论

经过对婺源县景观廊桥的一系列分析我们得出廊亭倒塌是由以下几种情况导致的：

经过数据分析对比，在屋盖部分重量较大的条件下，无论结构材料采用木材料还是钢筋混凝土材料在风荷载的作用下结构都是牢靠的，廊亭结构都不会倾覆，但时在观察实验数据时会发现在十级大风的作用下，其木结构廊亭的支柱反力是非常小的，在经过长时间的风吹日晒，木结构发生了一定的腐蚀，这种腐蚀大大降低其承载力，因此可以考虑结构由于腐蚀作用其底部的支柱反力降低，结构在风荷载的持续摧毁下，结构倾覆倒塌。

在水平荷载的作用下，柱脚的受压面随着水平转角的增加而减小，最终集中在柱脚边缘。这种加载在一定时间内会处于正常状态，随着加载时间过长，柱子的回弹残余应力的影响，会导致柱子丧失承载力，导致脆断。

经过数据计算，我们判断出在十级大风的作用下，廊亭的水平分力，大于柱脚的抗滑力，因此廊亭柱脚发生滑移，在风荷载的持续作用才，柱脚的滑移距离逐渐增加，最终超出了滑移极限，导致廊亭结构倒塌。

对柱脚由于在与础石连接过程中防腐问题没有处理，导致柱脚发生了腐蚀，这种情况导致柱子同人行道板与础石的连接分离，受到上部结构给予的支撑力无法达到正常使用，会导致结构出现坍塌，在后续的设计中，我们应该对柱脚节点处进行防腐的设计处理可以在柱脚节点处刷防腐油漆等措施。