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【摘 要】结合工程事故实例,从设计、施工、使用等环节入手,对各类钢结构工程事故的类型及产生原因进行了分析,有助于钢结构工程技术人员了解酿成事故的各种可能因素,从而针对性地采取防范措施,减少钢结构事故的发生。
【关键词】钢结构;事故;类型;预防
Analysis of types and perventing measures of steel structure accident
Chu Shi-hong,Li Shou-cai,Mei Zuo-yun
(Shandong Academy of Building Science Jinan Shandong 250031)
【Abstract】With example of engineering accidents, the reasons and types of steel structure accidents are analyzed from the aspects of engineering design, construction and use. This article can give steel engineers a hand to understand the causes of accidents, and take preventing measures accordingly to reduce the accidents.
【Key words】steel structure;accident;type;preventing measures
作为一种新型的结构体系,钢结构以其强度高、自重轻、塑性和韧性好、抗震性能优越、工厂化生产程度高、装配方便、造型美观、综合经济效益显著等一系列优点,受到国内外建筑师和结构工程师的青睐,在高层、大跨建筑领域显示出其无与伦比的优势。我国国内建筑领域的钢结构也同其它发达国家一样,呈现出蓬勃发展的势头,取得了很大成就。但是,钢结构工程领域的各类事故也时有所闻,给人民群众的财产与生命安全造成巨大损失。从设计、施工、使用等环节入手,全面客观地认识、分析、解决钢结构工程在各环节存在的问题,可以大大减少钢结构工程事故的发生。
就事故的性质而言,钢结构工程事故可以分为材料事故、变形事故、失稳事故、脆性断裂事故、疲劳破坏事故、锈蚀事故和火灾事故等。
1. 钢结构的材料事故
钢结构材料事故是指由于材料本身的原因引起的事故。钢结构所用材料包括钢材(Q235、16Mn、15MnV等)和连接材料(螺栓、焊材等)两大类。影响钢材性能的主要因素有有害化学成分超标、冶金轧制缺陷、硬化使钢材的塑性和韧性降低、应力集中以及温度过高或过低等。引发钢结构材料事故的常见因素有钢材质量不合格、螺栓质量不合格、焊接材料质量不合格、设计选材不当、制作安装工艺不合理、母材与焊接材料不匹配、随意混用或替代材料等。要防止发生这类事故,在设计环节上,应熟知各种材料的性能参数与特性,因地制宜的选用合适的材料;在施工过程中,严格按照设计规定选用材料,材料进场时严格按照有关规范复检钢材和连接材料的各项指标,严禁使用不合格材料,选择恰当的施工工艺,严格按照设计与相关规范进行制作、安装。
某地一大型贮油罐采用12mm厚的钢板焊接而成。该油罐建成2年后突然崩塌,原油外流,引发大火,造成巨大的人员伤亡与经济损失。经调查,该油罐使用的钢材力学性能合格但化学成分不合格,含硫量为0.9%(超限近一倍)。过高的含硫量使钢材的可焊性降低,焊接过程中产生的热裂纹在外力作用下逐渐扩展,最终使钢材突然断裂,引发重大事故。
2. 钢结构的变形事故
钢结构不论整体变形还是局部变形,都将降低结构的整体刚度和稳定性,影响连接和组装,并可能产生附加应力,降低构件的承载力,引发变形事故。而钢结构由于具有强度高、塑性好等优点,使得钢结构的截面越来越小,板厚、壁厚很薄。加上加工、制作、安装过程中的缺陷,钢结构的变形问题更加突出。钢结构的变形包括以下几个部分:钢材初始变形、冷加工变形、焊接变形、制作安装变形、运输过程中的变形以及使用不当(碰撞、高温)产生的变形等。
某汽车厂造型车间为54×84m的单层三跨车间,钢屋架上弦杆、下弦杆均采用角钢。屋架和屋面板施工完毕后发现有个别屋架的竖腹杆有明显倾斜,经检测,位移偏差超标的测点达80%,变形严重的一榀屋架呈扭曲状。经调查,事故的主要原因是屋架堆放方式不规范。依据相关规范要求,屋架堆放时应直立,两个端头须用固定支架固定,相邻两个钢屋架应隔以木块,相互绑牢。该工程施工工程中虽在堆放钢屋架时采用了直立方式,但却错误地将钢屋架的一端靠在一堆屋面板上,另一端没有采取可靠的侧向支撑,钢屋架间没有拉紧捆绑,结果使钢屋架逐个挤压,产生扭曲变形。在支撑系统安装过程中,由于工期原因也未按规定对屋架进行矫正,最终导致发生事故。
3. 钢结构的失稳事故
钢结构的失稳事故是指因钢结构或构件丧失整体稳定性或局部稳定性而引发的事故。相对于混凝土结构而言,钢结构因强度高而使构件细长,截面相对较小,因此在外荷载作用下更容易失稳。而相对于抗拉破坏而言,钢结构失稳破坏前的变形可能很小,呈现出脆性破坏的特征,而脆性破坏的突发性也使得失稳破坏具有更大的危险性。
我国的现代钢结构工程起步较晚,许多工程技术人员对稳定概念的认识较为模糊,在钢结构工程设计中普遍存在重视强度问题而轻视稳定问题的错误倾向,这是钢结构工程失稳事故不断发生的重要原因之一。因此,设计人员必须强化稳定概念,在设计过程中应重视支撑体系的布置,结构整体布置必须满足整体稳定性和局部稳定性的要求。
加工、制作过程中产生的构件初偏心、初弯曲、焊接残余变形等缺陷将显著降低钢结构的稳定承载力;同时,与混凝土结构、砌体结构不同的是,钢结构在安装、施工的过程中,在形成稳定的整体结构之前,属于几何可变体系,其稳定性很差,必须借助于足够的临时支撑体系以维持安装过程中的稳定性,否则极易发生构件失稳甚至整体倒塌、倾覆事故。因此,钢结构加工、制作及安装企业应通过采用合理的施工工艺,制定科学、合理、严密的施工组织设计,采用合理的吊装方案,布置足够的临时支撑,确保制作及施工阶段的结构稳定性。
某合成橡胶常车间的屋架系统采用13榀14m跨度的梭形钢屋架,上放槽形板,未设隔墙。发生事故时有11榀钢屋架坠落,2榀钢屋架虽未坠落但变形严重,屋顶倒塌。经分析,原设计中屋架主要压杆的长细比均超出规范要求,最大达275(原规范规定受压杆件长细比不大于150)。而施工方擅自将端腹杆由25变更为20,削弱了腹杆截面积,导致其实际应力超出允许应力一倍多,造成腹杆受压失稳,引起钢屋架变形破坏,酿成严重事故。
4. 钢结构的疲劳破坏事故
在反复交变荷载的作用下,在应力水平远低于钢材的极限抗拉强度甚至屈服点的情况下发生的钢结构或构件的破坏现象,称为疲劳破坏。疲劳破坏与钢材的静力强度和最大静力荷载并无明显关系,而主要与应力幅、应力循环次数和构造细节有关。应力幅是指应力循环中最大拉应力(取正值)和最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)的差值。应力循环次数是指在连续反复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。
在影响疲劳破坏的三个因素中,应力幅与循环次数是由客观条件决定而无法改变的,因此,必须从构造细节出发,尽可能地减小应力集中,从而改善结构构件的疲劳性能。在设计过程中,应选用优质钢材,减少材质缺陷;采取合理的构造做法,避免焊缝集中,减少截面突变;在制作、安装过程中,应使缺陷、残余应力的影响减小到最低程度,尽量避免产生附加应力集中;对焊缝进行修补,以缓解因缺陷产生的应力集中。
某钢厂车间内的吊车梁于1960年建成投产,1976年发现21根吊车梁中有16根实腹焊接工字形截面吊车梁在上翼缘与腹板连接焊缝处及腹板上部有纵向裂缝。裂缝基本沿全梁出现,跨中加劲肋处裂缝最多,上翼缘与腹板连接焊缝的裂缝基本与梁平行。该吊车梁应力循环次数达200万次,局部区域达800万次,疲劳损伤严重,无法修复,全部更换。
5. 钢结构的锈蚀破坏事故
钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏称为锈蚀(也称腐蚀),按其作用可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种,绝大多数钢材锈蚀是电化学锈蚀或化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用的结果。按照所处环境的不同,腐蚀又可分为大气腐蚀、淡水腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀、盐类腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀、有机非水溶剂腐蚀、高温腐蚀、应力腐蚀等。锈蚀会削弱钢构件的截面,降低承载力,而且锈蚀产生的“锈坑”可能诱发钢结构的脆性破坏,同时严重影响钢结构的耐久性。为防止或延缓钢结构的锈蚀,可根据使用性质、环境介质类型等因素,采用涂料覆盖法或金属覆盖法。
某单位食堂为17.5m直径圆形砖墙上扶壁柱承重的单层建筑,屋盖系统为17.5m直径的悬索结构,悬索由90根直径为7.5mm的钢绞索组成。该建筑于建成20年后突然发生屋盖整体坍塌,90根钢绞索全部沿周边折断,但周围砖墙和圈梁无塌陷损坏。经调查,事故的主要原因是食堂内空气湿度较大,温度较高,通风不畅,钢绞索长时间锈蚀,截面减小,承载力降低。
6. 钢结构的火灾破坏事故
除了耐腐蚀性差以外,耐火性差是钢结构的另一个缺点。一旦发生火灾,热空气通过辐射、对流的方式向钢构件传热,随着温度的不断升高,钢材的热物理特性和力学性能发生改变,强度和弹性模量急剧降低,塑性伸长率则显著增加,钢结构的承载力降低,构件屈服或屈曲进而倒塌,导致灾难性后果。“9.11”事件中纽约世贸中心大楼的轰然倒塌是人类文明史上火灾给钢结构造成的最大灾难。
为确保钢结构达到规定的耐火极限要求,必须采取防火保护措施。一般可以采用防火涂料、防火板、石膏板、珍珠岩板、蛭石板或混凝土等材料,用紧贴法、空心法或实心法将钢构件包裹起来。
7. 结语
钢结构本身的“先天性”缺陷同其优点一样突出,正是这些缺陷导致钢结构工程事故频繁发生。为尽可能减少钢结构工程领域各类事故的发生,必须从设计、施工、使用等环节入手,全面客观地认识、分析、解决钢结构工程在各环节存在的问题。在设计过程中应综合考虑结构的重要性、荷载特征、连接方法与工作环境等因素,因地制宜的选用合适的材料,选择合理的结构形式,尤其注意构造细节的合理性,减小应力集中,保证结构的几何连续性和刚度的连贯,如采用强节点设计、避免焊缝集中、减少截面突变;强化稳定设计理念,重视支撑体系的布置;选用恰当的防腐、防火措施。在钢结构制作过程中选择恰当的施工工艺并采取严格的质量保证措施以尽可能地减少加工、制作过程中产生的构件初偏心、初弯曲、焊接残余变形等缺陷,尽量避免产生附加应力集中,修补焊缝以缓解因缺陷产生的应力集中。在安装过程中应严格按照设计与相关规范,制定科学、合理、严密的施工组织设计,采用合理的吊装方案,布置足够的临时支撑,确保施工阶段的结构稳定性。在使用阶段,应注意按照设计功能使用,避免超载、随意开洞或改造等行为,当变更使用功能时,应进行必要的鉴定或加固;定期进行结构检查和日常维护。
参考文献
[1] 陈绍蕃. 钢结构设计原理(第二版). 北京:科学出版社,1998
[2] 王光煜. 钢结构缺陷及其处理. 上海:同济大学出版社,1998
[3] 罗福午. 建筑工程质量缺陷事故分析与处理. 武汉:武汉工业大学出版社,1999
[文章编号]1006-7619(2010)12-21-111
[作者简介]褚世洪(1977.1-),男,毕业于天津大学结构工程专业,硕士,国家一级注册结构工程师,主要从事建筑结构设计、加固改造、检测鉴定与研究工作。
【关键词】钢结构;事故;类型;预防
Analysis of types and perventing measures of steel structure accident
Chu Shi-hong,Li Shou-cai,Mei Zuo-yun
(Shandong Academy of Building Science Jinan Shandong 250031)
【Abstract】With example of engineering accidents, the reasons and types of steel structure accidents are analyzed from the aspects of engineering design, construction and use. This article can give steel engineers a hand to understand the causes of accidents, and take preventing measures accordingly to reduce the accidents.
【Key words】steel structure;accident;type;preventing measures
作为一种新型的结构体系,钢结构以其强度高、自重轻、塑性和韧性好、抗震性能优越、工厂化生产程度高、装配方便、造型美观、综合经济效益显著等一系列优点,受到国内外建筑师和结构工程师的青睐,在高层、大跨建筑领域显示出其无与伦比的优势。我国国内建筑领域的钢结构也同其它发达国家一样,呈现出蓬勃发展的势头,取得了很大成就。但是,钢结构工程领域的各类事故也时有所闻,给人民群众的财产与生命安全造成巨大损失。从设计、施工、使用等环节入手,全面客观地认识、分析、解决钢结构工程在各环节存在的问题,可以大大减少钢结构工程事故的发生。
就事故的性质而言,钢结构工程事故可以分为材料事故、变形事故、失稳事故、脆性断裂事故、疲劳破坏事故、锈蚀事故和火灾事故等。
1. 钢结构的材料事故
钢结构材料事故是指由于材料本身的原因引起的事故。钢结构所用材料包括钢材(Q235、16Mn、15MnV等)和连接材料(螺栓、焊材等)两大类。影响钢材性能的主要因素有有害化学成分超标、冶金轧制缺陷、硬化使钢材的塑性和韧性降低、应力集中以及温度过高或过低等。引发钢结构材料事故的常见因素有钢材质量不合格、螺栓质量不合格、焊接材料质量不合格、设计选材不当、制作安装工艺不合理、母材与焊接材料不匹配、随意混用或替代材料等。要防止发生这类事故,在设计环节上,应熟知各种材料的性能参数与特性,因地制宜的选用合适的材料;在施工过程中,严格按照设计规定选用材料,材料进场时严格按照有关规范复检钢材和连接材料的各项指标,严禁使用不合格材料,选择恰当的施工工艺,严格按照设计与相关规范进行制作、安装。
某地一大型贮油罐采用12mm厚的钢板焊接而成。该油罐建成2年后突然崩塌,原油外流,引发大火,造成巨大的人员伤亡与经济损失。经调查,该油罐使用的钢材力学性能合格但化学成分不合格,含硫量为0.9%(超限近一倍)。过高的含硫量使钢材的可焊性降低,焊接过程中产生的热裂纹在外力作用下逐渐扩展,最终使钢材突然断裂,引发重大事故。
2. 钢结构的变形事故
钢结构不论整体变形还是局部变形,都将降低结构的整体刚度和稳定性,影响连接和组装,并可能产生附加应力,降低构件的承载力,引发变形事故。而钢结构由于具有强度高、塑性好等优点,使得钢结构的截面越来越小,板厚、壁厚很薄。加上加工、制作、安装过程中的缺陷,钢结构的变形问题更加突出。钢结构的变形包括以下几个部分:钢材初始变形、冷加工变形、焊接变形、制作安装变形、运输过程中的变形以及使用不当(碰撞、高温)产生的变形等。
某汽车厂造型车间为54×84m的单层三跨车间,钢屋架上弦杆、下弦杆均采用角钢。屋架和屋面板施工完毕后发现有个别屋架的竖腹杆有明显倾斜,经检测,位移偏差超标的测点达80%,变形严重的一榀屋架呈扭曲状。经调查,事故的主要原因是屋架堆放方式不规范。依据相关规范要求,屋架堆放时应直立,两个端头须用固定支架固定,相邻两个钢屋架应隔以木块,相互绑牢。该工程施工工程中虽在堆放钢屋架时采用了直立方式,但却错误地将钢屋架的一端靠在一堆屋面板上,另一端没有采取可靠的侧向支撑,钢屋架间没有拉紧捆绑,结果使钢屋架逐个挤压,产生扭曲变形。在支撑系统安装过程中,由于工期原因也未按规定对屋架进行矫正,最终导致发生事故。
3. 钢结构的失稳事故
钢结构的失稳事故是指因钢结构或构件丧失整体稳定性或局部稳定性而引发的事故。相对于混凝土结构而言,钢结构因强度高而使构件细长,截面相对较小,因此在外荷载作用下更容易失稳。而相对于抗拉破坏而言,钢结构失稳破坏前的变形可能很小,呈现出脆性破坏的特征,而脆性破坏的突发性也使得失稳破坏具有更大的危险性。
我国的现代钢结构工程起步较晚,许多工程技术人员对稳定概念的认识较为模糊,在钢结构工程设计中普遍存在重视强度问题而轻视稳定问题的错误倾向,这是钢结构工程失稳事故不断发生的重要原因之一。因此,设计人员必须强化稳定概念,在设计过程中应重视支撑体系的布置,结构整体布置必须满足整体稳定性和局部稳定性的要求。
加工、制作过程中产生的构件初偏心、初弯曲、焊接残余变形等缺陷将显著降低钢结构的稳定承载力;同时,与混凝土结构、砌体结构不同的是,钢结构在安装、施工的过程中,在形成稳定的整体结构之前,属于几何可变体系,其稳定性很差,必须借助于足够的临时支撑体系以维持安装过程中的稳定性,否则极易发生构件失稳甚至整体倒塌、倾覆事故。因此,钢结构加工、制作及安装企业应通过采用合理的施工工艺,制定科学、合理、严密的施工组织设计,采用合理的吊装方案,布置足够的临时支撑,确保制作及施工阶段的结构稳定性。
某合成橡胶常车间的屋架系统采用13榀14m跨度的梭形钢屋架,上放槽形板,未设隔墙。发生事故时有11榀钢屋架坠落,2榀钢屋架虽未坠落但变形严重,屋顶倒塌。经分析,原设计中屋架主要压杆的长细比均超出规范要求,最大达275(原规范规定受压杆件长细比不大于150)。而施工方擅自将端腹杆由25变更为20,削弱了腹杆截面积,导致其实际应力超出允许应力一倍多,造成腹杆受压失稳,引起钢屋架变形破坏,酿成严重事故。
4. 钢结构的疲劳破坏事故
在反复交变荷载的作用下,在应力水平远低于钢材的极限抗拉强度甚至屈服点的情况下发生的钢结构或构件的破坏现象,称为疲劳破坏。疲劳破坏与钢材的静力强度和最大静力荷载并无明显关系,而主要与应力幅、应力循环次数和构造细节有关。应力幅是指应力循环中最大拉应力(取正值)和最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)的差值。应力循环次数是指在连续反复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。
在影响疲劳破坏的三个因素中,应力幅与循环次数是由客观条件决定而无法改变的,因此,必须从构造细节出发,尽可能地减小应力集中,从而改善结构构件的疲劳性能。在设计过程中,应选用优质钢材,减少材质缺陷;采取合理的构造做法,避免焊缝集中,减少截面突变;在制作、安装过程中,应使缺陷、残余应力的影响减小到最低程度,尽量避免产生附加应力集中;对焊缝进行修补,以缓解因缺陷产生的应力集中。
某钢厂车间内的吊车梁于1960年建成投产,1976年发现21根吊车梁中有16根实腹焊接工字形截面吊车梁在上翼缘与腹板连接焊缝处及腹板上部有纵向裂缝。裂缝基本沿全梁出现,跨中加劲肋处裂缝最多,上翼缘与腹板连接焊缝的裂缝基本与梁平行。该吊车梁应力循环次数达200万次,局部区域达800万次,疲劳损伤严重,无法修复,全部更换。
5. 钢结构的锈蚀破坏事故
钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏称为锈蚀(也称腐蚀),按其作用可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种,绝大多数钢材锈蚀是电化学锈蚀或化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用的结果。按照所处环境的不同,腐蚀又可分为大气腐蚀、淡水腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀、盐类腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀、有机非水溶剂腐蚀、高温腐蚀、应力腐蚀等。锈蚀会削弱钢构件的截面,降低承载力,而且锈蚀产生的“锈坑”可能诱发钢结构的脆性破坏,同时严重影响钢结构的耐久性。为防止或延缓钢结构的锈蚀,可根据使用性质、环境介质类型等因素,采用涂料覆盖法或金属覆盖法。
某单位食堂为17.5m直径圆形砖墙上扶壁柱承重的单层建筑,屋盖系统为17.5m直径的悬索结构,悬索由90根直径为7.5mm的钢绞索组成。该建筑于建成20年后突然发生屋盖整体坍塌,90根钢绞索全部沿周边折断,但周围砖墙和圈梁无塌陷损坏。经调查,事故的主要原因是食堂内空气湿度较大,温度较高,通风不畅,钢绞索长时间锈蚀,截面减小,承载力降低。
6. 钢结构的火灾破坏事故
除了耐腐蚀性差以外,耐火性差是钢结构的另一个缺点。一旦发生火灾,热空气通过辐射、对流的方式向钢构件传热,随着温度的不断升高,钢材的热物理特性和力学性能发生改变,强度和弹性模量急剧降低,塑性伸长率则显著增加,钢结构的承载力降低,构件屈服或屈曲进而倒塌,导致灾难性后果。“9.11”事件中纽约世贸中心大楼的轰然倒塌是人类文明史上火灾给钢结构造成的最大灾难。
为确保钢结构达到规定的耐火极限要求,必须采取防火保护措施。一般可以采用防火涂料、防火板、石膏板、珍珠岩板、蛭石板或混凝土等材料,用紧贴法、空心法或实心法将钢构件包裹起来。
7. 结语
钢结构本身的“先天性”缺陷同其优点一样突出,正是这些缺陷导致钢结构工程事故频繁发生。为尽可能减少钢结构工程领域各类事故的发生,必须从设计、施工、使用等环节入手,全面客观地认识、分析、解决钢结构工程在各环节存在的问题。在设计过程中应综合考虑结构的重要性、荷载特征、连接方法与工作环境等因素,因地制宜的选用合适的材料,选择合理的结构形式,尤其注意构造细节的合理性,减小应力集中,保证结构的几何连续性和刚度的连贯,如采用强节点设计、避免焊缝集中、减少截面突变;强化稳定设计理念,重视支撑体系的布置;选用恰当的防腐、防火措施。在钢结构制作过程中选择恰当的施工工艺并采取严格的质量保证措施以尽可能地减少加工、制作过程中产生的构件初偏心、初弯曲、焊接残余变形等缺陷,尽量避免产生附加应力集中,修补焊缝以缓解因缺陷产生的应力集中。在安装过程中应严格按照设计与相关规范,制定科学、合理、严密的施工组织设计,采用合理的吊装方案,布置足够的临时支撑,确保施工阶段的结构稳定性。在使用阶段,应注意按照设计功能使用,避免超载、随意开洞或改造等行为,当变更使用功能时,应进行必要的鉴定或加固;定期进行结构检查和日常维护。
参考文献
[1] 陈绍蕃. 钢结构设计原理(第二版). 北京:科学出版社,1998
[2] 王光煜. 钢结构缺陷及其处理. 上海:同济大学出版社,1998
[3] 罗福午. 建筑工程质量缺陷事故分析与处理. 武汉:武汉工业大学出版社,1999
[文章编号]1006-7619(2010)12-21-111
[作者简介]褚世洪(1977.1-),男,毕业于天津大学结构工程专业,硕士,国家一级注册结构工程师,主要从事建筑结构设计、加固改造、检测鉴定与研究工作。