导读：泉州酒店坍塌给这个本就不太平静的鼠年春天再次一击，作为定点隔离场所，坍塌事件造成70余人被困。建筑结构发生类似泉州酒店完全坍塌的坍塌形式并不多见，究竟是什么原因引起酒店整体结构的坍塌？
1、事件背景
据公开报道，发生坍塌的泉州酒店原始结构为大平层的钢架结构，每一层都是一个开阔的大厅。而且，根据报道，原先结构中，并没有2-5层的地板。这样的钢架结构，更像一个挑高的厂房。后来，酒店入住，对房屋结构开始改造，增加了2-5层的地板，并增加隔间，做成宾馆。钢架结构高22m，单层面积1000m2，改造后共七层。报道来源：http://news.ifeng.com/c/7uersluLG3E 6park.com
酒店旧貌 6park.com
从材料性能上来说，钢的屈服极限在200MPa左右，也就是说钢材可以承受的极限拉压应力200MPa左右，这要远大于混凝土的抗压强度（不含钢筋的C80型号的混凝土才80MPa）。实际上，我们常见的混凝土材料耐压不耐拉，其抗拉强度更小。虽然，钢材力学性能好，但是钢材也存在一些明显的缺点——又贵又重。密度7800kg/m3的钢材，远重于密度3000kg/m3左右的混凝土。正因为如此，钢筋混凝土才应运而生，它利用了钢筋的高抗拉强度，降低了结构自重和价格。 6park.com
钢架结构位置 6park.com
2、钢材的力学特性
钢材虽然拥有较好的力学性能，但是纯钢架建筑却并不常见，最主要的原因就是钢材自身又贵又重。有专家说钢材不耐压，其实是误区。建筑结构的受力，主要是承压，特别是柱体和墙体。装修过程中经常能够听到的承重墙，就是受到压力的作用。受压的结构，会出现失稳，即：结构会突然失去了稳定性（平衡），如下图。这种失稳情况的发生，是没有预兆的突然发生的。并且，失稳时承受的应力还远未到达其极限应力。 6park.com
杆件的失稳 6park.com
失稳时，临界状态的载荷可根据临界应力计算。下图为临界应力的计算式，对于细长的立柱，应采用右边的表达式。临界应力与弹性模量E、两端连接方式、长度L、横截面尺寸和形状有关。对比混凝土和钢，其他条件相同时，钢（200GPa）的弹性模量要高于混凝土（3.8e4MPa），钢的失稳承受能力要大一些。实际上，钢材的力学性能处处吊打混凝土材料。 6park.com
临界应力计算 6park.com
但是，正是由于钢材优异的力学性能，同样的外部载荷条件下，其尺寸就可以设计的更加细小一些。结构设计本身就是力学强度与材料成本之间的较量。之所以建筑结构中纯钢架结构不常见的原因，有一部分就在此。除非特殊防护作用，一般的钢结构都是空心的。因此，同样的结构尺寸，钢结构建筑要比钢筋混凝土结构更加结实牢固。实际情况做不到这一点，没有人用厚重的实心钢板做建筑材料。钢材一般都是工字型截面。而且，钢材密度大，高层建筑不划算。
3、酒店坍塌的分析
根据媒体报道，建筑原始结构其实就是一个没有楼层的22m的高楼。从现场图中，发现钢结构为工字形钢结构，目测宽度（高度）约20cm左右（实际尺寸需要现场数据），大概是20号工字钢。酒店改造之前，不存在楼层。那么作为立柱的钢架承受的载荷要小很多。改造之后，上层所有载荷最后全部压到立柱上。坍塌的发生，最开始的点肯定位于底层。 6park.com
坍塌现场的工字钢 6park.com
以下计算仅为给大家一个直观的数据感受，并非实际情况。
20号工字钢横截面积约36cm2，按照承压性能来算，单根钢架可以承受86吨的重物（以Q235计算）。显然，建筑结构并不是压溃的，坍塌的过程其实是失稳破坏的过程。20号工字钢有两个方向的惯性矩Ix 和Iy，发生失稳时，是往小的那个方向弯曲，其值158cm4，由此估算出临界压力约40kN，约4吨的重物。计算中假设高度4m，一段固支一段铰支。实际的承载能力应该是高于4吨的，因为它不是单根立柱，而是一个整体结构。详细的计算，需要依靠有限元软件。这里就以单根立柱为例。

工字钢钢架结构 6park.com
酒店改造后，上层结构几乎全部都是额外增加的重量，包括改造的结构重量，如钢筋、混凝土、板材等等，也包括酒店的设施重量，如床、家具、电视等等。建筑的原始设计所采用的钢架尺寸，并没有考虑到之后的酒店结构。虽然，结构设计都会采用安全系数，实际承受载荷可以超过允许载荷。但是这个安全系数也不会太大，最多两倍。改造后增加的重量，如果恰恰好到达了其极限载荷，那么整个结构也就危险了。 6park.com
改造前后对比 6park.com
改造前，原始设计并不包含2-5层的结构，假设设计方安全系数取2，那么原始结构最多能够承受2倍的载荷。原始结构实际上相当于3层（2-5，6和7），改造后，增加了3层（3-5），如果每层载荷都是平均分配，那么恰恰就是原始载荷的2倍，底层未经加固处理的话，刚刚达到结构的最大极限载荷。实际上，根据公开的报道，酒店在改造之初，就已经初现端倪。外墙面玻璃改造时被压碎，这就是钢架结构开始变形的初兆。此时，虽然还没有到达其极限载荷，但是已经产生了较大的变形了，钢材局部部位甚至可能已经进入塑性阶段。也就是说，改造完后，这个钢架结构，特别是立柱已经接近临界状态了。这种状态下，外界的一点点作用，就可以成为坍塌的稻草。
4、坍塌的最后一根稻草
媒体公开报道，事发时，酒店一侧正在修地基，而这很可能就是酒店坍塌的最后一根稻草。根据对面加油站的坍塌视频，最先发生坍塌的是酒店的左侧位置，维修的地基很可能就位于此侧。 6park.com
坍塌最先始于酒店左侧 6park.com
地基起到固定建筑的作用，它把建筑牢牢地锁定在地面上，侧向的如风载等都可以抗住，其实就是一个固定端约束。在地基的维修过程中，需要开挖，这就将地基暴露出来。正常情况下，修一侧的地基是不会有太大影响的。然而，正如前面的分析，整个建筑结构已经处于临界的状态，是即将发生失稳破坏的临界状态。此时，只需要一点点诱因，就足以让结构发生失稳破坏。地基的维修，恰恰就是这个的诱因，是酒店坍塌的最后一根稻草。 6park.com
坍塌示意图 6park.com
如图所示，左侧维修地基，相当于这部分地基失去了地面的约束，图中红色约束消失，整个结构力不平衡，向左倾倒。一层的钢架立柱由于发生了些许偏移，最先开始失稳，从而引起坍塌。
5、总结
钢材的力学性能要由于混凝土材料，但是其又贵又重的特性限制了其在高层建筑的应用。建筑结构主要的受力特性就是受压，容易发生失稳破坏。这种失稳破坏，不同于其他破坏形式，外观上看不住任何端倪，但是失稳发生在一瞬间。泉州酒店的坍塌原因，综合公开的媒体报道，在于酒店改造后让钢架结构的承载接近其临界承载，地基维修则是坍塌的直接诱因。
PS：本文的分析仅基于公开的媒体报道，详细的结果等待调查。