泉州的一個房子倒了，引起了大家議論紛紛。從結(jié)構(gòu)工程師的角度看，在大老k平均值接近2、失效概率1/1000的情況下，一個真實的結(jié)構(gòu)居然倒了，足尺結(jié)構(gòu)試驗也做不到啊。所以，本文的目的不在于得出樓倒塌的真正原因，因為資料有限，涉及的一些問題要后續(xù)由有關(guān)部門綜合確定。但這并不妨礙出于結(jié)構(gòu)工程師的本能對該事件進(jìn)行分析研究。與對事件分析的準(zhǔn)確性相比，本文側(cè)重點在于分析結(jié)構(gòu)受力過程的邏輯性及解釋的合理性，正所謂只有知道“房子是怎樣倒下的”，才能知道“房子如何站起來”。
鋼結(jié)構(gòu)的破壞一般源于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。失穩(wěn)的意思是材料沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度而破壞，彈性失穩(wěn)和彈塑性失穩(wěn)都叫失穩(wěn)。
這個樓的倒塌也是源于失穩(wěn)。有一個視頻，記錄了樓的倒塌過程——樓是瞬間自前向后往“一側(cè)”倒掉的，典型的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，圖1為樓倒塌后的狀態(tài)。為什么是穩(wěn)定破壞而不是強(qiáng)度破壞呢？關(guān)鍵是這個“瞬間”。古人云：失穩(wěn)如失戀，發(fā)生在瞬間。那強(qiáng)度破壞是什么呢？強(qiáng)度破壞如戀愛，時間有長有短，但需要火候?？?，古人就是智慧！
那房子為什么會失穩(wěn)呢？這就要匯集一下目前的背景材料，雖然不完全準(zhǔn)確。該建筑原為四層鋼結(jié)構(gòu)，雙向鋼框架。縱向（長方向）六跨，橫向（短方向）2跨。后來經(jīng)過18年的改造，加了3層，增加了酒店功能，砌了隔墻，上部14米跨加了柱子改為兩跨。一個重要的信息：房子是在當(dāng)期的一次新改造過程中倒塌的。改什么呢？一層有人退租，改造準(zhǔn)備重新裝修出租。還有一個信息是承重墻破壞了?？蚣芙Y(jié)構(gòu)有承重墻嗎？沒有！那是什么墻呢？隔墻。因為以前底層有六家單位，之間一定有隔墻分隔，而且是橫隔墻。改造，如果兩家并一家，打掉一排橫隔墻。三家并兩家，打掉兩排橫隔墻…，沒必要往下推，因為不可能并成一家。
綜合起來分析，結(jié)果是一句話，橫隔墻打掉，房子失穩(wěn)。那你說橫隔墻不是承重墻，打掉它有什么關(guān)系？它的確不承重，打掉它與直接承重沒關(guān)系。但它目前對柱起到支承的作用，相當(dāng)于“擋土墻”。打掉它，柱子失去了側(cè)限，無側(cè)移框架變成有側(cè)移框架，引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。
為說明兩種失穩(wěn)的差別，以一個最簡單的單層排架為例，見圖2。無側(cè)移（圖2b）時，柱子計算長度，臨界力為
有側(cè)移（圖2c）, 柱子計算長度，臨界力為
可見，無側(cè)移和有側(cè)移承載力相差6倍。
當(dāng)然這是圖2的情況。倒塌的樓要復(fù)雜一些，因為上面的隔墻還在，柱子整體抗彎剛度不會變化這么大，但也一定有不小的變化，有資料時可以算清楚。
你會說，隔墻是后砌的，非承重，當(dāng)初不是為柱提供支承用的。的確是這樣。但無心插柳的隔墻的確起到了對柱子形成側(cè)限的作用，將有側(cè)移框架變成無側(cè)移框架。據(jù)此，我們首先分析了失穩(wěn)原因。
那18年改造前原結(jié)構(gòu)沒有隔墻，為什么沒倒呢？
這是個好問題，牽扯面很多，包括設(shè)計是否合理或正確等問題，我們暫且不談，因為這不是我們這篇文章所關(guān)注的。這個設(shè)計缺陷固然很多，如窄翼緣hn形工字鋼柱截面，縱向（長方形）剛度弱得很，縱向框架梁與柱弱軸鉸接，樓面砼板與鋼梁無栓釘，這些都是設(shè)計不足，但不是倒塌直接原因，因為每一條的不足都不足以使結(jié)構(gòu)倒塌失穩(wěn)。比如最后面這個栓釘，沒地震時栓釘不起作用，當(dāng)然你會說有栓釘結(jié)構(gòu)倒塌時會拉一下樓板，但這是果不是因。
原四層鋼框架的確是一個有側(cè)移框架。從使用功能看，起先只是蓋了一個空曠的樓用于出租，荷載不大。以前面講的結(jié)構(gòu)安全度可以勉強(qiáng)度日。18年四層改7層，荷載加了近一倍，首先把安全度吃掉了。但幸運(yùn)的是，歪打正著，隔墻雖然不是承重墻，但變成了“擋土墻”，擋住了結(jié)構(gòu)橫向的側(cè)移，將有側(cè)移失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)變成無側(cè)移失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)，大大提高了穩(wěn)定承載力。再后來，就是現(xiàn)在，一裝修，老板借專家的一句“非承重墻，可砸”（肖大師語），將結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原始的有側(cè)移狀態(tài)，這時的翻倍荷載，結(jié)構(gòu)終于倒下了。
再次聲明，以上只為演習(xí)結(jié)構(gòu)之用，與事故結(jié)果無關(guān)，如有雷同，純屬巧合，如若不同，純屬虛構(gòu)。
如果你要說，為什么縱軸這么弱，為什么不沿縱軸失穩(wěn)？其實看了前面的推演，回答這個問題并不難，篇幅問題，就留給大家琢磨了。
以下輕松時刻，介紹一下中國的古建筑如何抗失穩(wěn)。
這里說的中國古建為木框架、磚填充墻，就是所謂地震時“墻倒屋不塌”的那種。木結(jié)構(gòu)梁柱為榫卯連接，榫卯失效前為半剛接，失效后為鉸接。木柱放在柱腳石上，靠摩擦力鉸接，滑動后鉸接變成滑動連接。所以單純的木結(jié)構(gòu)大變形時是一個機(jī)構(gòu)，那它靠什么保持穩(wěn)定呢，關(guān)鍵是墻體。
平時墻是木柱的側(cè)向支承，使之為無側(cè)移框架，榫卯半剛接抗彎，柱底不滑動鉸接，這就是一個無側(cè)移的門式構(gòu)架呀。加上木多為一層結(jié)構(gòu)，自重輕，所以這種結(jié)構(gòu)形式能延續(xù)千年而不衰，不信，你看看北京的老四合院建筑。地震時，墻體作為第一道防線承載并耗能。地震不大，墻在房子在；地震大，兩種情況，一種是墻倒強(qiáng)震過，木框架可以承受后面減弱的地震力而不倒，剛架木結(jié)構(gòu)仍成立。另一種是墻倒后，后續(xù)地震仍大，木結(jié)構(gòu)不堪重負(fù)，剛架變機(jī)構(gòu)，倒了。所以古代木結(jié)構(gòu)雖然能抗震，但也并非完全不倒，這是由這種體系決定的，所以為什么要發(fā)展，為什么要科學(xué)，為什么要科學(xué)發(fā)展，就是這個道理。
最后，給大家看幾張照片，是我去年參觀重慶的一個古寺看到的（圖3-5）。當(dāng)木結(jié)構(gòu)屋蓋較重時，將柱子稍微傾斜一個角度，利用其水平分力抵抗類似地震力等較大的水平力。古人不喜歡斜柱，所以中國古建筑沒有支撐，應(yīng)縣木塔是個特例，因為它太高了，不打撐呆不住，但也是打的暗撐，外面看不到。我仔細(xì)看了下，圖3-5照片中柱的傾斜不是后天形成的，而是建造時有意為之。大家如果不信，以后看古建時，也可以留意一下古人的這一點睛之筆。