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小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故

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今天重温一个低级错误,造成的重大安全事故。上个世纪,美国密苏里州的堪萨斯城的凯悦酒店,吊着的空中走廊突然坍塌,共造成 114 人死亡 216 人受伤。 1981 年 7 月 17 日,美国堪萨斯城凯悦酒店天桥坍塌事故共造成 114 人死亡、216 人受伤,是为当时全美死亡人数最多的工程事故,直至被 2001 年 911 事件所超越。其影响之深,在 27 年后的 7 月 27 日,堪萨斯日报仍以‘for many, a memorial long over due”为标题悼念该事件中的受害者。而由堪萨斯城市星报主导的对事故原因的调查更获得了美国新闻界最高荣誉奖项——普利策新闻奖。 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △堪萨斯城凯悦酒店坍塌事故现场 犹如蜜蜂选择复杂的六角形结构建造蜂巢,鸟类会被颜色鲜艳的异性吸引,经济发达的社会下,人们更喜欢挑战更大、更高、更复杂的东西。与昆虫相比,所有这些超出工程学范围的考虑因素也许会使工程师的任务更令人兴奋,但同时也一定没有那么多的经验可供借鉴。 开业于 1980 年 7 月 1 日的堪萨斯城凯悦酒店由三部分组成:1 个 40 层高的塔楼部分,一个功能区,还有一个中庭。中庭是一个大型的开放空间,长 44m,宽 36m,高 15m。3 条悬空的人行天桥分别位于中庭的二,三,四层用于连接功能区和塔楼部分。这一精巧的布局使得中庭享有开阔的空间,而人们又能够自如地穿梭于酒店各区域之中。 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △中庭截面图 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △中庭示意图 二层人行天桥和四层天桥通过吊杆相连,三层走道在另一边与之相望。当中庭聚集了大多数来客欢快地跳舞庆祝, 无缘参入其中的客人仍可以在人行天桥上驻足观看,分享这热闹的气氛。这正是 1981 年 7 月 17 日事故当天的场景。当地时间 7 点零 5 分,大约 1600 名民众正聚集在一层中庭兴高采烈地享受一场茶舞舞会,另有约 20 人在二楼,21 人在三楼观看。突然,连接四楼天桥的钢质吊杆爆裂,整个四楼走道失去支撑,连同在上面观看舞会的 16 人一齐坠落至二层走道,并与二楼走道一起跌到一楼中庭。整个坠落过程不过几秒,却导致百人罹难,以及更多的人被埋在重达 60 吨的碎玻璃,废铁和混凝土中。更严重的是,人行天桥的坍塌导致酒店水管的损毁,大量的水涌入一楼大厅,进一步威胁着幸存者。 搜救行动持续了 14 个小时,多支团队参与救援行动,多种工具和医疗设备被想方设法运进酒店。Waeckerle 教授作为搜救负责人在短时间内做出了决定:轻伤者送出酒店,部分重伤者在酒店内得到治疗,受伤最严重者则只得到了止疼用的吗啡–囿于人手紧迫药物有限时间紧急,对他们的拯救被排在了最末。主要力量用于排除接下来会发生的坍塌和解围被困的人们。最终,29 人幸运地获救。 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △二层和四层人行天桥坍塌 事故调查 凯悦酒店集团作为世界顶级的跨国酒店集团,素以豪华、舒适及人性化服务驰名。这座位于堪萨斯城的酒店在发生事故时不过刚刚运营了一年,却出现了如此严重的事故,公众强烈要求对事故展开调查。包括美国国家标准局(National Bureau of Standards,是一家属于美国商务部的非监管机构)在内的多个团队对此次事故开展了调查。其中,身为职业建筑师的 Lischka 先生接受了堪萨斯城星报的邀请,以记者的名义进入事故现场进行隐秘地勘察。 Lischka 先生在事故现场看到连接四楼天桥的吊杆完好无损,因此四楼吊竿本身的失效可以暂时被排除。而仔细排查现场保留的其他吊竿,一个惊人的事实浮出水面。 美国工程设计公司G.C.E 公司,是凯悦酒店项目设计团队,他们负责完成钢结构的设计和图纸。G.C.E 公司设计的人行天桥是这样的,沿整个天桥长边方向,两组工字钢(W16x26)分别支撑在天桥的混凝土走道底板下方;沿天桥的短边方向, 箱梁则横向支撑在混凝土走到底版的下方,并用于固定吊杆。箱梁由两根 MC8x8.5 的 C 型钢焊接而成。 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △人行天桥结构示意图 G.C.E 的原设计中,第二层和第四层走道是被一根吊杆连接的,这根吊杆固定在房顶上。而现场找到的吊杆长度则远小于连接两层走道所需要的长度。Lischka 先生于是重新审核了该项目施工图纸。他发现,在施工图纸上,第四层天桥变成了由两根吊杆共同连接。两个螺母一上一下分别固定连接四层天桥的两根吊杆,向下的吊杆连接着二层天桥,向上的吊杆仍连接着屋顶。 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △走道连接处的设计变更 原来,为了便于施工,吊杆的制造商和施工方,美国 Havens Steel Company Professional Fabricator(以下简称 Havens 公司)要求变更设计为用两根吊杆分别连接四楼和二楼。这样施工方可以免除把一根长吊杆穿过两层走道的麻烦。于是设计被改变了。最终的施工图纸也被改变了。 在 G.C.E 的原始设计,也就是一根吊杆贯穿二层和四层走道的设计中,假设每一层走道的自重和该走道上行人的重量之和为 P,那么四层螺栓处的受力为 P,即四层螺栓处只承受该层的重量。同理,二层连接处螺栓也只承受二层走道德自重和行人重量 P。而更改的设计中,新增了一根吊杆连接二层走道,也因此,这跟吊杆把二层走道及其行人的重量 P 传递到了四层走道上,四层走道的螺栓处承受的重量变成了四层走道及行人的重量 P+二层走道及行人的重量 P,也就是说变成了 2P,是原设计中承受重量的两倍。 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △受力示意图 1979 年 2 月 16 日,G.C.E 收到了 42 张施工图,包括变更之后的连接处的图纸。1979 年 2 月 16 日这些图纸被盖章确认并交给现场用于施工。 1980 年 7 月 1 日酒店正式开业。1981 年 7 月 17 日,天桥坍塌事故发生,四楼天桥最中间的箱梁因为其靠近东面的一端的连接处上的螺栓失效而迅速下滑坍塌,该处箱梁的损坏使得该处原本承担的重量转移到相邻各处连接处,其他几处连接处也纷纷失效,最终,失去了支撑的四楼天桥笔直地坠落,砸在正下方的二楼天桥上,巨大的冲击力远远超过了二楼天桥能够承担的重量,二楼连接处也断裂失效,整个四楼天桥,二楼天桥连同它们上面的人们一起坠落至一楼中庭。悲剧就是这么发生的。 现场观察到的箱梁的严重扭曲变形说明了这一切都是从四楼天桥的箱梁上的连接处开始。 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △箱梁失去支撑,下滑扭曲变形 小错误,大事故!重温凯悦酒店坍塌事故 △箱梁连接处的失效是整个悲剧的开始 据美国国家标准局的估算,事故发生时,四楼天桥连接处承受的荷载为 93kN, 而美国国家标准局对天桥进行复制并进行的实验表明,该连接处最多只能承受 83kN 的力,这一数值,不仅小于事故发生时实际施加在该连接处的荷载(93kN),也远远达不到美国堪萨斯城当地建筑规范对该连接处的设计要求。根据美国堪萨斯城当地的建筑规范,该连接处必须承担 302kN 的荷载而不出现任何结构问题。即使是 G.C.E 的原始设计,这个数值也无法被满足。这个设计缺陷,出现在了所有三条人行天桥上。诚如国家标准局的调查报告所说,人行天桥只能够承受自身的重量和一点点其他荷载。 责任判定: 基于本次事故,由美国土木工程师协会ACSE 出版的用于指导调查结构结果事故的工程师手册中对连接处失效做出了如下定义: “由连接处失效导致的整体结构的坍塌发生在完全没有或者仅有少量的额外承载强度的结构上。当出现多个强度很低的连接处时,其中一个连接处的失效会导致箱邻的连接处纷纷失效,最终致使结构坍塌。” 而连接处失效的主要原因包括: ? 对于施加的载荷计算失误导致的不足够(insufficient)的设计 ? 由于结构截面发生突然变化导致的应力集中 ? 对于旋转和位移计算的错误 ? 连接处材料的退化 ? 没有考虑到材料在生产过程中产生的大量残余应力 显然, 凯悦酒店坍塌事故的事故原因包括第一点——对连接处的设计不足。但同时,G.C.E 和连接处的供应商兼施工方 Havens 公司谁应该对连接处的设计变更负责,以及谁应该对整体设计负责,也是本次事故责任判定的关键点。 在调查和法庭听证过程中,有两个重要的事实被公之于众: 1、吊杆的制造商和施工方 Havens 在法庭证词中声称, 他们就吊杆的设计变更问题与设计公司 G.C.E.通过电话并得到了了 G.C.E 的同意。而在长达 26 周的庭审中,G.C.E 始终否认他们收到过类似电话。尽管改动的图纸上被印上了 G.C.E 的印章。 2、1979 年 10 月 14 号,在坍塌事故发生一年之前,仍在建设中的中庭屋顶发生过一次坍塌,坍塌面积超过 250 平方米。G.C.E 表示,他们曾经要求在现场安排设计代表多达三次,但由于经费限制都没有得到业主(皇冠中心重建公司)的同意。 最终,法庭判定 G.C.E 公司的人行天桥的设计不能满足建筑规范要求。这个结论基于已经暴露的天桥部分的设计及图纸中的错误,误差,疏忽。而对于 G.C.E 公司所宣称的,是对设计含义的沟通失误造成了变更设计的通过乃至最终被建造,法庭认为,G.C.E.公司既没有在设计阶段承担应尽的责任,也没有在中庭屋顶发生坍塌事故时进行应有的详尽的调查。尽管供应商兼 Havens 公司没有尽责审核和检验施工图纸,也没有向 G.C.E 公司特别标注出吊杆和箱梁的连接处的设计变化,G.C.E 公司的工程师们应该对图纸进行最终检查。G.C.E 公司并没有发现连接处的变更,也没有详尽调查中庭屋顶坍塌的原因,显然,他们错误地对 havens 信任过度。最终,G.C.E 公司被判定对吊杆的设计变更负责。 1984 年 11 月 1 日,GCE 公司被判决为严重疏忽罪(gross neligence,比一般疏忽罪更严重一级,被定义对应有责任全部的疏忽),并被剥夺了设计资质。美国土木工程师协会(ASCE)也更改了相关规定为: 结构工程师对设计项目负全部责任!

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