結構完整性與失效

結構完整性與失效（structural integrity and failure）是工程學的一個方面，涉及結構承受預定結構荷重（重量、力等）而不破壞的能力，並包括對過去結構失效的研究，以防止未來設計中發生類似事故。

結構完整性是指一個構件——無論是結構部件還是由多個部件組成的結構——在包括自身重量在內的荷載下保持完整而不破壞或過度變形的能力。它確保建築物在其設計使用壽命內，在合理使用條件下發揮其設計功能。構件在建造時需滿足結構完整性要求，以防止Q5051574造成人員受傷、嚴重損壞、死亡或經濟損失。

結構失效則指結構完整性或結構構件承載能力的喪失。當材料所受應力超過其強度極限，導致斷裂或過度變形時，即發生結構失效；在設計時必須考慮的一種極限狀態即為最終破壞強度。在良好設計的系統中，局部失效不應導致整個結構的立即倒塌甚至漸進式倒塌。

## 引言

結構完整性是結構承受預定載荷而不因斷裂、變形或疲勞而失效的能力。它是工程中常用的概念，用於製造能夠實現設計目的並在預期Q1675349內保持功能的產品。

要製造具有結構完整性的構件，工程師必須首先考慮材料的機械性能，例如韌性、強度、重量、硬度和彈性，然後確定材料在長期承受預定載荷所需的尺寸和形狀。由於構件既不能斷裂也不能過度彎曲，它們必須既剛硬又堅韌。非常剛硬的材料可以抵抗彎曲，但除非具有足夠的韌性，否則可能需要非常大的尺寸才能承受載荷而不破壞。另一方面，高彈性材料在載荷下會彎曲，即使其高韌性防止了斷裂。

此外，每個構件的完整性必須符合其在承重結構中的具體應用。橋梁支座需要高屈服強度，而固定它們的螺栓需要良好的抗剪和抗拉強度。彈簧需要良好的彈性，而車床刀具則需要高剛性。此外，整個結構必須能夠承受載荷而不會使最薄弱的環節失效，否則會給其他結構構件帶來更大應力，導致Q5048226。

## 歷史

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對結構完整性的需求可追溯到信史時代。房屋需要能夠支撐自身重量加上居住者的重量；城堡需要加固以抵禦入侵者的攻擊；工具需要足夠堅固和堅韌來完成其工作。

在古代，沒有數學公式來預測結構的完整性。建造者、鐵匠、木匠和泥瓦匠依靠試錯法（從過去的失敗中學習）、經驗和師徒傳承來製造安全而堅固的結構。歷史上，通過過度設計來確保安全和耐久性是常見做法——例如使用20噸混凝土而10噸足矣。伽利略·伽利萊是1638年在其著作《關於兩門新科學的對話》中最早考慮材料強度的人之一。然而，計算材料特性的數學方法直到19世紀才開始發展。斷裂力學作為一門科學直到20世紀20年代才得以發展，當時艾倫·阿諾德·格里菲斯研究了玻璃的脆性斷裂。

自1940年代起，若干新技術的重大失效使得更科學的分析方法成為必要。第二次世界大戰期間，超過200艘焊接鋼船因脆性斷裂而斷成兩半，原因是焊接產生的應力、溫度變化以及艙壁方角處的應力集中。1950年代，多架德哈維蘭彗星型客機因方形舷窗角部的應力集中導致裂紋形成和增壓艙爆炸而在半空中解體。鍋爐爆炸——由加壓鍋爐罐體失效引起——也是那個時代的常見問題，造成了嚴重破壞。橋梁和建築物的規模不斷增大，導致了更大的災難和生命損失。這種對結構完整性的需求推動了材料科學和斷裂力學領域的巨大進步。

## 失效類型

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結構失效可能由多種問題引起，其中大部分因行業和結構類型而異。但大多數可歸因於以下五種主要原因之一：

- 強度不足：結構或其部件的尺寸、形狀或材料選擇不當，使其不足以承受載荷。當結構所受應力超過其臨界應力水平時，可能發生災難性失效。
- 疲勞或腐蝕：由結構幾何形狀、設計或材料特性的不穩定性引起。這類失效通常始於應力點（如方角或過於靠近材料邊緣的螺栓孔）處的裂紋形成。在循環加載和卸載下，裂紋不斷擴展，最終達到臨界長度，導致結構在正常工作條件下突然失效。
- 製造錯誤：包括材料選擇不當、尺寸不正確、熱處理不當、未按設計要求施工或工藝粗糙。這類失效可能隨時發生，通常不可預測。
- 材料缺陷：使用有缺陷的材料。這類失效同樣不可預測，因為材料可能在製造過程中存在缺陷，或在使用中已受損。
- 未考慮意外問題：如故意破壞、蓄意破壞或自然災害。也可能由於使用和維護人員未受適當培訓而使結構過載。

## 著名失效案例

### 橋梁

#### 迪橋

1847年5月24日，英國切斯特的迪橋在列車通過時倒塌，造成5人死亡。該橋由羅伯特·史蒂芬森設計，使用鑄鐵梁並以鍛鐵支撐加固。調查發現，鍛鐵並未有效加固鑄鐵，且鑄鐵因反覆彎曲而失效。

#### 第一泰河橋

1879年12月28日，蘇格蘭泰河上的第一座泰河橋在列車通過時倒塌，造成75人死亡。事故原因是使用了劣質鑄鐵，且工程師托馬斯·鮑奇未考慮風荷載。此次倒塌導致鑄鐵被鋼取代，並在1890年對福斯橋進行了徹底重新設計，使其成為世界上第一座全鋼橋。

#### 第一塔科馬海峽大橋

1940年美國華盛頓州原塔科馬海峽大橋的倒塌，常被物理教科書描述為共振的經典案例，但這一描述具有誤導性。摧毀大橋的災難性振動並非簡單的機械共振，而是風通過橋體時產生的複雜振盪——氣動彈性顫振。此次倒塌及隨後的研究加深了對風與結構相互作用的理解。

#### I-35W密西西比河大橋

2007年8月1日傍晚交通尖峰時段，明尼蘇達州明尼阿波利斯的I-35W密西西比河大橋災難性倒塌，造成13人死亡、145人受傷。調查發現設計缺陷——連接桁架構件的節點板尺寸不足。事件發生後，聯邦公路管理局要求各州檢查全美700座類似構造的橋梁。

### 建築

#### 孟加拉國薩瓦區大樓倒塌事故

2013年4月24日，孟加拉國達卡郊薩瓦爾的八層商業建築倒塌，造成1,134人死亡，約2,515人受傷。建築內有多家製衣廠、一家銀行、公寓和商鋪。前一天建築已出現裂縫，但工人仍被要求次日返回工作。這是現代人類歷史上最嚴重的意外結構失效事故。

#### 三豐百貨商店倒塌

1995年6月29日，韓國首爾瑞草區的五層三豐百貨商店倒塌，造成502人死亡、1,445人被困。1995年4月，屋頂的空調機組導致五樓天花板出現裂縫。倒塌當天，儘管裂縫急劇擴大，管理人員僅關閉頂層和空調，未疏散人員。下午5時57分，屋頂坍塌，空調機組砸穿已過載的五樓地板。

#### 羅南角公寓倒塌

1968年5月16日，英國紐漢姆區的22層住宅樓羅南角因18層一起小規模煤氣爆炸導致結構牆板飛脫。該樓採用預製混凝土建造，單一牆板的失效導致整個建築一角倒塌。原因是牆板間鋼筋連接不足，無法將荷載重新分配到相鄰牆板。此次倒塌促使建築規範進行全面修訂以防止不成比例倒塌。

#### 世界貿易中心

在九一一襲擊事件中，兩架客機被故意撞向紐約世界貿易中心雙子塔。撞擊、爆炸及由此引發的火災導致兩座塔樓在不到兩小時內倒塌。撞擊切斷並損壞了大量外部和核心柱體，使荷載重新分布。火災的高溫使核心柱體發生蠕變和塑性變形，同時使樓板下垂，對外牆產生向內的拉力。世界貿易中心七號大樓也在當日倒塌。

#### 瑟夫賽德公寓倒塌

2021年6月24日，美國佛羅里達州瑟夫賽德的12層公寓樓南尚普蘭塔部分倒塌，造成98人死亡。地下停車場的鋼筋混凝土支撐結構因水滲透和鋼筋腐蝕而長期退化，被認定為倒塌原因之一。早在2018年即有報告指出該問題，2021年4月記錄為「嚴重惡化」，當時已批准一項1,500萬美元的修復計劃。

### 航空器

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1954年，兩架德哈維蘭彗星型客機因金屬疲勞導致機身減壓而墜毀。1963至1964年間，四架B-52轟炸機的垂直尾翼在半空中斷裂脫落。

### 其他

#### 凱悅酒店人行天橋倒塌

1981年7月17日，美國密蘇里州堪薩斯城凱悅酒店大堂的兩條懸掛人行天橋倒塌，造成114人死亡、200餘人受傷。原因是設計後期更改了連接天橋支撐杆的方式，意外使連接處的受力翻倍。此次事故凸顯了設計工程師與承包商之間良好溝通的必要性，以及對設計變更進行嚴格審查的重要性，已成為全球工程課程中的經典案例。

## 延伸閱讀

- Feld, Jacob; Carper, Kenneth L. (1997). Construction Failure. John Wiley & Sons. .
- Petroski, Henry (1994). Design Paradigms: Case Histories of Error and Judgment in Engineering. Cambridge University Press. .
- Scott, Richard (2001). In the Wake of Tacoma: Suspension Bridges and the Quest for Aerodynamic Stability. ASCE Publications. .
- Levy, M.; Salvadori, M. (1992). Why Buildings Fall Down. Norton & Co.