结构完整性与失效

结构完整性与失效（structural integrity and failure）是工程学的一个方面，涉及结构承受预定结构荷重（重量、力等）而不破坏的能力，并包括对过去结构失效的研究，以防止未来设计中发生类似事故。

结构完整性是指一个构件——无论是结构部件还是由多个部件组成的结构——在包括自身重量在内的荷载下保持完整而不破坏或过度变形的能力。它确保建筑物在其设计使用寿命内，在合理使用条件下发挥其设计功能。构件在建造时需满足结构完整性要求，以防止Q5051574造成人员受伤、严重损坏、死亡或经济损失。

结构失效则指结构完整性或结构构件承载能力的丧失。当材料所受应力超过其强度极限，导致断裂或过度变形时，即发生结构失效；在设计时必须考虑的一种极限状态即为最终破坏强度。在良好设计的系统中，局部失效不应导致整个结构的立即倒塌甚至渐进式倒塌。

## 引言

结构完整性是结构承受预定载荷而不因断裂、变形或疲劳而失效的能力。它是工程中常用的概念，用于制造能够实现设计目的并在预期Q1675349内保持功能的产品。

要制造具有结构完整性的构件，工程师必须首先考虑材料的机械性能，例如韧性、强度、重量、硬度和弹性，然后确定材料在长期承受预定载荷所需的尺寸和形状。由于构件既不能断裂也不能过度弯曲，它们必须既刚硬又坚韧。非常刚硬的材料可以抵抗弯曲，但除非具有足够的韧性，否则可能需要非常大的尺寸才能承受载荷而不破坏。另一方面，高弹性材料在载荷下会弯曲，即使其高韧性防止了断裂。

此外，每个构件的完整性必须符合其在承重结构中的具体应用。桥梁支座需要高屈服强度，而固定它们的螺栓需要良好的抗剪和抗拉强度。弹簧需要良好的弹性，而车床刀具则需要高刚性。此外，整个结构必须能够承受载荷而不会使最薄弱的环节失效，否则会给其他结构构件带来更大应力，导致Q5048226。

## 历史

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对结构完整性的需求可追溯到信史时代。房屋需要能够支撑自身重量加上居住者的重量；城堡需要加固以抵御入侵者的攻击；工具需要足够坚固和坚韧来完成其工作。

在古代，没有数学公式来预测结构的完整性。建造者、铁匠、木匠和泥瓦匠依靠试错法（从过去的失败中学习）、经验和师徒传承来制造安全而坚固的结构。历史上，通过过度设计来确保安全和耐久性是常见做法——例如使用20吨混凝土而10吨足矣。伽利略·伽利莱是1638年在其著作《关于两门新科学的对话》中最早考虑材料强度的人之一。然而，计算材料特性的数学方法直到19世纪才开始发展。断裂力学作为一门科学直到20世纪20年代才得以发展，当时艾伦·阿诺德·格里菲斯研究了玻璃的脆性断裂。

自1940年代起，若干新技术的重大失效使得更科学的分析方法成为必要。第二次世界大战期间，超过200艘焊接钢船因脆性断裂而断成两半，原因是焊接产生的应力、温度变化以及舱壁方角处的应力集中。1950年代，多架德哈维兰彗星型客机因方形舷窗角部的应力集中导致裂纹形成和增压舱爆炸而在半空中解体。锅炉爆炸——由加压锅炉罐体失效引起——也是那个时代的常见问题，造成了严重破坏。桥梁和建筑物的规模不断增大，导致了更大的灾难和生命损失。这种对结构完整性的需求推动了材料科学和断裂力学领域的巨大进步。

## 失效类型

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结构失效可能由多种问题引起，其中大部分因行业和结构类型而异。但大多数可归因于以下五种主要原因之一：

- 强度不足：结构或其部件的尺寸、形状或材料选择不当，使其不足以承受载荷。当结构所受应力超过其临界应力水平时，可能发生灾难性失效。
- 疲劳或腐蚀：由结构几何形状、设计或材料特性的不稳定性引起。这类失效通常始于应力点（如方角或过于靠近材料边缘的螺栓孔）处的裂纹形成。在循环加载和卸载下，裂纹不断扩展，最终达到临界长度，导致结构在正常工作条件下突然失效。
- 制造错误：包括材料选择不当、尺寸不正确、热处理不当、未按设计要求施工或工艺粗糙。这类失效可能随时发生，通常不可预测。
- 材料缺陷：使用有缺陷的材料。这类失效同样不可预测，因为材料可能在制造过程中存在缺陷，或在使用中已受损。
- 未考虑意外问题：如故意破坏、蓄意破坏或自然灾害。也可能由于使用和维护人员未受适当培训而使结构过载。

## 著名失效案例

### 桥梁

#### 迪桥

1847年5月24日，英国切斯特的迪桥在列车通过时倒塌，造成5人死亡。该桥由罗伯特·斯蒂芬森设计，使用铸铁梁并以锻铁支撑加固。调查发现，锻铁并未有效加固铸铁，且铸铁因反复弯曲而失效。

#### 第一泰河桥

1879年12月28日，苏格兰泰河上的第一座泰河桥在列车通过时倒塌，造成75人死亡。事故原因是使用了劣质铸铁，且工程师托马斯·鲍奇未考虑风荷载。此次倒塌导致铸铁被钢取代，并在1890年对福斯桥进行了彻底重新设计，使其成为世界上第一座全钢桥。

#### 第一塔科马海峡大桥

1940年美国华盛顿州原塔科马海峡大桥的倒塌，常被物理教科书描述为共振的经典案例，但这一描述具有误导性。摧毁大桥的灾难性振动并非简单的机械共振，而是风通过桥体时产生的复杂振荡——气动弹性颤振。此次倒塌及随后的研究加深了对风与结构相互作用的理解。

#### I-35W密西西比河大桥

2007年8月1日傍晚交通高峰时段，明尼苏达州明尼阿波利斯的I-35W密西西比河大桥灾难性倒塌，造成13人死亡、145人受伤。调查发现设计缺陷——连接桁架构件的节点板尺寸不足。事件发生后，联邦公路管理局要求各州检查全美700座类似构造的桥梁。

### 建筑

#### 孟加拉国萨瓦区大楼倒塌事故

2013年4月24日，孟加拉国达卡郊萨瓦尔的八层商业建筑倒塌，造成1,134人死亡，约2,515人受伤。建筑内有多家制衣厂、一家银行、公寓和商铺。前一天建筑已出现裂缝，但工人仍被要求次日返回工作。这是现代人类历史上最严重的意外结构失效事故。

#### 三丰百货商店倒塌

1995年6月29日，韩国首尔瑞草区的五层三丰百货商店倒塌，造成502人死亡、1,445人被困。1995年4月，屋顶的空调机组导致五楼天花板出现裂缝。倒塌当天，尽管裂缝急剧扩大，管理人员仅关闭顶层和空调，未疏散人员。下午5时57分，屋顶坍塌，空调机组砸穿已过载的五楼地板。

#### 罗南角公寓倒塌

1968年5月16日，英国纽汉姆区的22层住宅楼罗南角因18层一起小规模煤气爆炸导致结构墙板飞脱。该楼采用预制混凝土建造，单一墙板的失效导致整个建筑一角倒塌。原因是墙板间钢筋连接不足，无法将荷载重新分配到相邻墙板。此次倒塌促使建筑规范进行全面修订以防止不成比例倒塌。

#### 世界贸易中心

在九一一袭击事件中，两架客机被故意撞向纽约世界贸易中心双子塔。撞击、爆炸及由此引发的火灾导致两座塔楼在不到两小时内倒塌。撞击切断并损坏了大量外部和核心柱体，使荷载重新分布。火灾的高温使核心柱体发生蠕变和塑性变形，同时使楼板下垂，对外墙产生向内的拉力。世界贸易中心七号大楼也在当日倒塌。

#### 瑟夫赛德公寓倒塌

2021年6月24日，美国佛罗里达州瑟夫赛德的12层公寓楼南尚普兰塔部分倒塌，造成98人死亡。地下停车场的钢筋混凝土支撑结构因水渗透和钢筋腐蚀而长期退化，被认定为倒塌原因之一。早在2018年即有报告指出该问题，2021年4月记录为“严重恶化”，当时已批准一项1,500万美元的修复计划。

### 航空器

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1954年，两架德哈维兰彗星型客机因金属疲劳导致机身减压而坠毁。1963至1964年间，四架B-52轰炸机的垂直尾翼在半空中断裂脱落。

### 其他

#### 凯悦酒店人行天桥倒塌

1981年7月17日，美国密苏里州堪萨斯城凯悦酒店大堂的两条悬挂人行天桥倒塌，造成114人死亡、200余人受伤。原因是设计后期更改了连接天桥支撑杆的方式，意外使连接处的受力翻倍。此次事故凸显了设计工程师与承包商之间良好沟通的必要性，以及对设计变更进行严格审查的重要性，已成为全球工程课程中的经典案例。

## 延伸阅读

- 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.