钢结构工程事故分析与处理作业(精选)
钢结构火灾事故案例分析
钢结构火灾事故案例分析一、案例背景2018年11月14日，中国上海发生了一起重大的钢结构火灾事故。
据报道，该事故发生在上海浦东新区的一家工厂内，造成了多人死亡和重大财产损失。
事故发生后，引起了社会的广泛关注和讨论。
钢结构作为现代建筑中常见的一种结构形式，其火灾事故对安全生产和建筑设计有着重要的启示意义。
本文将对该火灾事故进行深入分析，探讨事故的原因、影响和预防措施等问题，以期为类似事故的发生提供借鉴和警示。
二、事故调查与分析1. 事故发生时间和地点2018年11月14日，上海浦东新区一家大型工厂内发生了火灾。
事故发生在该工厂的钢结构建筑内，火势迅速蔓延，造成了大面积的破坏。
2. 事故原因据初步调查结果显示，该火灾事故的发生主要原因为以下几个方面：（1）设备故障：工厂内的一台机器因故障而发生了火灾，导致火势蔓延。
（2）建筑设计问题：工厂的钢结构建筑在设计和施工过程中存在一些隐患，加之没有进行定期的维护和检查，造成了火灾事故的发生。
（3）人为原因：工厂内的员工在发现火情后未能及时采取有效的应对措施，导致火势迅速蔓延，造成了较大的伤亡和财产损失。
3. 事故影响该火灾事故造成了严重的人员伤亡和财产损失，给工厂的生产经营和社会的稳定带来了严重的影响。
此外，火灾事故也引发了社会对安全生产和建筑设计的关注和反思，促使相关部门加强了对类似事故的预防和处置能力。
三、问题分析与意义1. 建筑结构设计存在的问题钢结构作为一种现代化的建筑结构形式，具有承重能力强、抗震性好的特点，因此在现代建筑中得到了广泛的应用。
然而，对于钢结构建筑，在设计和施工过程中存在一定的隐患，这在火灾事故中往往会被放大。
从本次火灾事故可以看出，建筑结构设计与施工过程中的质量问题是造成事故发生的重要原因之一。
因此，相关部门和企业在进行建筑设计和施工时应该加强对钢结构建筑的监管和质量控制，确保建筑结构的安全性和稳定性。
2. 安全生产意识的普及火灾事故中，员工未能及时发现火情并采取有效的应对措施，这也凸显了工厂内人员的安全意识相对薄弱。
钢结构工程质量事故分析与处理
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911事件整幢楼倒塌的原因：
（1）911事件中飞机撞的部位是大楼 的中部，所以大楼的上部分是必然垮塌 的，大楼上部位垮塌带来的重量，直接 把大楼以下的构造给毁灭性的破坏。
（2）该大楼建造时采用的是全钢结 构，飞机在大楼里爆炸产生的热能飞快 地使钢结构的抗火能力降低并熔化钢结 构本身，大楼没有了支撑体就会垮塌。
在钢结构的应用取得巨大成就的同时， 各类钢结构事故频繁发生，造成了巨的经济 损失和人员伤亡。
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长治钢结构坍塌事故
2018年3月2日15时50分左右，长 治市黎城县国新能源煤炭运销有限公 司在环保棚式钢结构网架施工过程中 发生倒塌较大事故，造成3人死亡，3 人受伤。
黎城县国新能源煤炭运销有限公 司环保棚式钢结构网架建设项目，由 山东友联工程有限公司承包，于2017 年11月19日开始网壳安装施工，2018 年1月31日拆除北跨临时支架，2018年 2月1日放假停工，2月26日复工。3月2 日上午，施工人员开始安装网壳第七 个网格，15点50分左右，网壳整体向 西坍塌，8名安装施工人员随网架坠落， 1人经抢救无效于当日死亡，另外2人 分别于3月3日、3月8日抢救无效死亡， 另有3人受伤。
（二）建议追究党纪政务处分人员（16人）。
郭力军，黎城县经信局安全科科长；申龙章，黎城县经信局总工程师，安全生产工作的分管领 导；范板民，黎城新材料工业园区管委会副主任(主持工作)，园区安全生产主要负责人；张少芳， 黎城县安全生产监督管理局局长；韩小波，黎城县国土局西仵国土所所长；连亚斌，黎城县国土局 稽查大队队长；王速建，黎城县国土资源局党组书记、局长；郭磊，黎城县规划中心主任；申省彬， 黎城县住建局分管城建监察的总工程师；王力，黎城县住建局党总支书记、局长；靳晓宁，黎城县 发改局局长；程宇波，黎城县政府分管住建、规划、环保、园林的副县长；裴晋保，长治市煤炭工 业局技术中心主任；张宏斌，长治市煤炭安全纠察支队支队长；范连星，长治市住房保障和城乡建 设管理局局长。
钢结构工程事故分析与处理作业
二、 钢结构缺陷的类型及原因
1．钢材的先天性缺陷
（1）化学成分缺陷。有害杂质对钢材性能的影响极 大，应加以严格控制。
（2）冶炼及轧制缺陷。在冶炼和轧制时，因工艺参 数控制不严等产生表面缺陷和内部缺陷。如偏析、 夹杂、裂纹、分层、过烧、气泡、内部破裂及机械 性能不合格等。
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2.钢构件的加工制作缺陷
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三、事故的分类 建筑安全生产事故分类 1.按事故的原因及性质分类 建 筑安全事故可以分为四类，即生产事故、质量问题、技术 事故和环境事故。 (1)生产事故 目前我国对建筑安全生 产的管理主要是针对生产事故。 (2)质量问题 质量问题 主要是指由于设计不符合规范或施工达不到要求等原因而 导致建筑结构实体或使用功能存在瑕疵，进而引起安全事 故的发生。质量问题也是建筑安全事故的主要类型之一。 (3)技术事故 技术事故主要是指由于工程技术原因而导致 的安全事故，技术事故的结果通常是毁灭性的。技术事故 的发生，可能发生在施工生产阶段，也可能发生在使用阶 段。 (4)环境事故 使用环境原因主要是对建筑实体的使 用不当，比如荷载超标、静荷载设计而动荷载使用以及使 用高污染建筑材料或放射性材料等。 2.按事故类别分类 按事故类别分，可以分为14类，即物体打击、车辆伤害等。 3.按事故严重程度分类 可以分为轻伤事故、重伤事故和 死亡事故三类
2）制造厂应重视加工制作过程中各个环节工艺的合 理性和设备的先进性，尽量减少手工作业，力求全 自动化，并加强质量的监控和检验工作。
3）施工单位应重视安装工序的合理性、人员的高素 质以及现场质量检验工作，尤其不可忽视临时支撑 和安全措施。
4）使用单位应重视定期维护工作，保证必要的耐久
性。
钢结构工程事故分析与处理
第一节 钢结构缺陷
• (１０)机械性能不合格.钢材的机械性能一般要求抗拉强度、屈服强度、 伸长率和截面收缩率四项指标得到保证,有时再加上冷弯,用在动力荷 载和低温时还必须要求冲击韧性合格.如果上述机械性能大部分不合 格,钢材只能报废.若仅有个别项达不到要求,可作等外品处理或用于次 要构件.
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第一节 钢结构缺陷
• 缺陷有表面缺陷和内部缺陷,也有轻重之分.最严重的应属钢材中的各 种裂纹,应高度重视其危害后果.
• 二、钢结构加固制作中可能存在的缺陷 • 钢结构的加工制作全过程是由一系列工序组成的,钢结构的缺陷也就
可能产生于各工种加工工艺中.
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第一节 钢结构缺陷
• (６)划痕.划痕一般产生在钢板的下表面,主要是由轧钢设备的某些零 件摩擦所致.划痕的宽度和深度肉眼可见,长度不等,有时会贯穿全长.
• (７)切痕.切痕是薄板表面上常见的折叠比较好的形似接缝的褶皱,在 屋面板与薄板的表面上尤为常见.如果将形成的切痕的褶皱展平,钢板 易在该处裂开.
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• 一、钢材的性能及缺陷 • １. 钢材的化学成分 • 钢材的种类很多,建筑结构用钢材需具有较高强度,较好的塑性、韧性,
足够的变形能力,以及适应冷热加工和焊接的性能.目前,建筑结构用钢 主要有低碳钢和低合金钢两种.低碳钢中,铁约占９９％,碳只占０.１４ ％ ~０.２２％,另外便是硅(Si)、锰(Mn)、铜(Cu,不经常有)等微量元 素,还有在冶炼中不易除尽的有害元素,如硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)、 氢(H)等.在低碳钢中添加用以改善钢材性能的某些合金元素,如锰(Mn)、 钒(V)、镍(Ni)、铬(Cr)等,就可得到低合金钢.碳和这些元素虽然含量 很低(总和仅占１％~２％),但却决定着钢材的强度、塑性、韧性可焊 性和耐腐蚀性.其中,硫、磷是常见的有害元素,应重点检测,控制其含量.
钢结构事故案例分析(一)
• 原因分析： • 1.事发当天气温-4°，无风，连续6个小时下 中雪。改变用途后，荷载超出应力值的 28.5%，积灰荷载没有校核。 • 2.屋架是瞬变体系，稳定性差。 • 3.下弦弯钩要求焊死，有一处漏焊了，由此 处发展破坏。 • 4.应该定期清理积灰，却没人打扫。
• 例题3-3：23榀大跨屋架倒塌 • 概况：河北省的某厂铸造车间，长83m，分三期建成。 一期83年10月完工，共15间开间3.3.钢筋混凝土吊车梁， 三铰拱轻钢屋架，屋面是轻钢檩条，铺木望板、挂水泥 瓦。屋架下弦标高10.5m。砖墙承重。二期工程由原来 四间向东接8个开间，开间尺寸4m，屋架下弦标高8.25m 其余同一期工程。1984年7月开始在室内增建两排钢筋 混凝土柱子，横向柱距16.5m，纵向柱距与厂房开间相 同，柱顶是现浇钢筋混凝土吊车梁，设3t和5t吊车各一 台。1986年1月投入使用。
实际施工时没完全按照标准程序施工有的层重有的轻最终荷载464nmm2设计值303nmm2所以竣工荷载是造成事故的主要原因1焊接质量不合乎规范按照钢结构工程施工和验收规范三级焊缝检查不合格率如下第一榀292第二榀311第三榀452第四榀301第五榀396起到稳定关键作用的矩形箍筋不合格率50左右焊缝脱开20处
第3章 钢结构工程事故
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钢结构工程事故剖析
钢结构⼯程事故剖析钢结构⼯程事故剖析1钢结构⼯程灾难性事故案例1.1设计不当造成的事故1. 1.1魁北克钢桥垮塌(事故1)加拿⼤跨越魁北克河三跨伸臂桥(如图1(a)所⽰),两边跨各长152.4m,中间跨长548.64m.1907年8⽉29⽇,该桥梁垮塌(如图1(b)所⽰),9000t重的钢桥坠⼊河中,死亡75⼈［3］.事故原因:1)钢桥格构式下弦压杆的⾓钢缀条过于柔弱(其总⾯积仅为弦杆截⾯⾯积的 1.1%),这样柔弱的受压承载⼒远⼩于它实际所承受的压⼒,缀条在压⼒作⽤下失去稳定性,导致承载能⼒丧失,未能起到缀条将分肢连接成可靠整体的作⽤.未被可靠连接的分肢不能有效发挥承载作⽤,在压⼒作⽤下失稳,最终导致整个结构破坏.这是典型的局部失稳导致结构整体破坏的典型案例.2)这次严重的⼯程事故还与设计变更有关.(a)远景图(b)垮塌图图1魁北克钢桥钢桥原设计中间跨跨度为487.68m,但后来设计师Cooper认为河床中部⽔流湍急,若将两⽀墩分别向岸边移动,修建桥墩的费⽤会节省很多,于是将主跨跨度调整为548.64m,跨度增加了12.5%.这⼀变更使该桥成为当时世界上跨度最⼤的伸臂桥.设计师主观地认为这样做(指中间跨加⼤跨度)没有问题,因此对桥梁内⼒及其引起的效应改变没有重新计算.教训:1)本案例使⼯程师和学者们认识到缀条在格构式受压构件中的重要作⽤.虽然缀条是起构造作⽤的,但实际上,由于初始弯曲的存在,格构式轴⼼受压构件在长度⽅向是有弯矩作⽤的,⽽沿杆长的弯矩变化必然产⽣剪⼒,该剪⼒主要由缀条承受,因此受压缀条受到轴⼒作⽤.如果缀条截⾯过⼩,承载能⼒不⾜,就难免发⽣上述悲剧.通过这个案例,可以使我们充分认识到格构式构件中作为连接件的缀条的重要性,对相关公式和规范中的相关构造条⽂⽣起重视之⼼,因为令⼈头疼的、枯燥的构造条款来⾃⾎淋淋的⼯程事故的教训,如果早⽇有了这些条⽂,某些鲜活的⽣命可能就不会消失.2)跨度调整之后,按梁结构对这⼀结构进⾏近似分析,可以发现实际上这⼀变动会使各构件的内⼒增加到原来的27%,位移增加到原来的160%,这样的增⼤⽐例,必须重新进⾏计算,重新设计构件,才能安全地承担相应荷载,完成预定功能.1. 1.2Hartford⽹架失稳(事故2)美国Connecticut州Hartford城⼀体育馆⽹架于1978年1⽉⼤⾬雪后倒塌(如图2所⽰).该⼯程为91.4m×109.7m⽹架,4个等边⾓钢组成的⼗字形截⾯杆件⽤作受压弦杆和腹杆［4］.图2Hartford城体育馆⽹架垮塌事故原因:只考虑了压杆的弯曲屈曲,没有考虑扭转屈曲,更没考虑到因⽀撑偏⼼⽽发⽣的弯扭屈曲,结果受压杆因弯扭失稳⽽破坏,进⽽造成整个结构失稳垮塌.教训:1)结构⼯程是极为复杂的系统,我国的规范是强制性规范,是总结以往⼯程经验和研究成果的结晶,遵循规范可以⼤⼤避免⼯程事故的发⽣,但规范并不是万能的.由于社会发展提出的功能需要、造成的技术可能和建筑师求新求变的本能欲望等复杂原因,⼯程常是活跃的、⽣动的.层出不穷的新结构往往没有现成规范可循,某些超⼤跨、超⾼层建筑物即便采⽤了成熟的结构形式,其参数也往往超限(超过规范的容许值或推荐值).⽽规范往往10年才修正、补充⼀次,其中也只纳⼊经过较多解析、试验和数值分析等⽅法研究⽐较成熟的结构形式和相应构件的相关条款.不深⼊掌握规范不⾏,但⼀味盲从规范也不⾏.我们⼀⽅⾯要不畏枯燥繁琐,吃透规范条⽂,最⼤限度地降低⼯程风险,同时⼜要了解规范的滞后性和局限性,以⾃⼰的⼒学、结构知识和⼯程经验为基础做出独⽴的判断.2)⼈类对⼯程的认识、对结构原理的深⼊理解不是⼀蹴⽽就的,从⼯程事故中汲取的教训,是⼯程科学进步的重要动⼒和灵感源泉.从类似⼯程事故中汲取教训,我国专家对⼗字形受压杆件进⾏了相关的理论研究和实验研究,在2003年的GB50017—2003《钢结构设计规范》中已纳⼊了该构件的弯扭稳定验算公式.1. 1.3轻钢梭形屋架失稳倒塌(事故3)1990年2⽉,辽宁省某重型机械⼚计量楼增层会议室14.4m跨的轻钢梭形屋架腹杆平⾯外出现半波屈曲,致使屋盖迅速塌落(如图3所⽰),造成42⼈死亡、179⼈受伤(当时正有305⼈在开会).图3轻钢梭形屋架⽀撑的屋盖发⽣倒塌事故原因:该轻钢梭形屋架适⽤于屋⾯荷载较⼩的情况,因为轻钢结构要求“轻对轻”(即荷载轻、⾃重轻),但是由于设计⼈员对此原则未能掌握,误⽤了重型屋盖,使钢屋架腹杆受到的实际⼒要⼤于按轻型屋盖确定的构件承载能⼒,⽽且还错⽤了计算长度系数,导致受压腹杆的平⾯外实际计算长度系数λy＞300,如此纤细的受压腹杆不仅在稳定承载⼒上⽆法满⾜实际承载需要,⽽且从构造上也已经远远超过规范限值(受压构件长细⽐容许值为150,受拉杆为300).教训:1)我们应该充分认识不同的钢屋架应采⽤哪种钢屋盖(重型屋盖还是轻型屋盖).2)对受压腹杆的计算长度不得马虎,必须正确理解规范中对此类构件的有关规定,并严格执⾏,必要时可进⾏⾼等分析或者采⽤试验验证. 1.2安装不当造成的事故(事故4)1957年前苏联古⽐雪夫列宁冶⾦⼚锻压车间1200m2钢屋盖塌落.事故原因:⼀对拉、压钢杆装配颠倒.钢结构由于材料轻质⾼强,其构件通常较为纤细.在这种情况下,受拉构件只要满⾜强度和刚度的要求即可,因⽽长细⽐通常较⼤.⽽受压构件要同时满⾜强度、刚度、稳定性要求,并且通常是稳定条件在控制设计,长细⽐通常要⽐受拉构件⼩得多.在⼯程中,⼀旦拉、压杆颠倒配置,原本的受压杆⽤受拉杆代替,根据欧拉公式P cr=π2EI/(µl)2［5］,受拉杆的计算长度(µl)通常要⽐受压杆的计算长度⼤得多,这样误⽤为受压杆的受拉杆能够承受的P cr要⽐本应由受压杆承担的设计压⼒⼩很多,杆件就会失去稳定发⽣破坏,并且造成附近杆件的⾻牌效应,接连发⽣破坏,进⽽造成整个结构的破坏.教训:这个事故可以鲜明⽣动地向学⽣阐明钢结构中拉、压构件在本质上的区别.将来从事钢结构领域的⼯作,不管是设计、制作,还是施⼯,都必须认真理解钢构件设计的基本原理,并且要认真负责,绝不允许把拉、压构件颠倒配置,以免类似事故再度发⽣.1.3施⼯不当造成的事故(事故5)宁波某轻钢门式刚架施⼯阶段倒塌(如图4所⽰).图中⼀系列门式刚架在施⼯过程中倒塌,发⽣严重塑性变形,修复极为困难,经济损失惨重.图4门式刚架施⼯倒塌事故原因:施⼯顺序不当、未设置必要的⽀撑等.门式刚架作为⼀种平⾯结构,在平⾯外的尺⼨⾮常⼩(仅仅是钢梁或钢柱的翼缘宽度),平⾯外的刚度很弱,并且很容易发⽣倾覆.在结构正常⼯作时,平⾯刚架体系通过纵向的柱间⽀撑来承受平⾯外作⽤,并防⽌结构倾覆.教训:施⼯中,单榀门式刚架是没有平⾯外承载能⼒的,必须及时设置⽀撑(柱间和屋⾯⽀撑),使两榀门式刚架通过⽀撑连接成⼀个有空间刚度的“可靠承载单元”,其他榀门式刚架通过刚性系杆与该“可靠承载单元”连接,才能避免在扰动作⽤下,门式刚架发⽣倒塌或倾覆. 2钢结构⼯程事故的影响因素2.1构件稳定性不⾜因为钢材轻质⾼强,所以钢构件通常做得⽐较纤细,这样的杆件在压⼒作⽤下,有可能发⽣失稳.失稳可能导致构件承载能⼒完全或部分丧失,从⽽引发事故.在钢构件设计中,稳定因素常常是最主要的控制因素.在钢结构事故中,构件或结构失稳占有很⼤的⽐例,上述5个例⼦,都与构件失稳有直接或间接关系.2.2设计缺乏合理性事故1、2、3都是设计不合理所致.事故1发⽣的原因在于设计师对缀条在格构式受压构件中的重要作⽤认识不⾜,没有认识到实际⼯程与理想模型的不同,从⽽发⽣了缀条破坏导致整个结构破坏的事故.事故2是由于设计师对⼗字形截⾯杆件扭转屈曲的可能性认识不⾜造成的.事故3是设计师误⽤了重型屋盖和错⽤了计算长度系数的双重错误所致.设计是钢结构⼯程的龙头,设计环节出了问题通常⽆法在其他阶段进⾏弥补,这就要求钢结构设计⼈员具有扎实的理论基础,对所设计的钢结构和钢构件有透彻了解,避免发⽣强度、刚度、稳定性⽅⾯的原则性设计错误,从⽽避免因设计失误导致的钢结构事故.2.3构件安装错误设计师的设计意图归根到底要靠制造⼈员来实现,制造⼈员缺少必要的钢结构理论知识,难以领会设计意图,或责任感不强都可能导致构件安装错误,使结构最终性态与设计意图不符,难以承受既定荷载,发⽣类似事故4那样的整体破坏.2.4施⼯不够规范⼟⽊⼯程领域存在着⼀定程度的重设计、轻施⼯的错误倾向,实际上,钢结构的施⼯往往涉及结构性态的复杂变化,可以说施⼯阶段的困难程度和技术含量,⼀点也不⽐设计阶段低,甚⾄犹有过之,在钢结构越来越复杂的今天就更是如此.某些施⼯单位不能在透彻理解结构施⼯原理的基础上制定科学合理的施⼯⽅案,或者不能严格遵守施⼯规范和施⼯⽅案,就可能因施⼯失误造成类似事故5那样的重⼤事故.2.5⼯程事故的复杂性⼯程事故的原因往往较为复杂,不⼀定是单⼀因素引起,例如上述魁北克钢桥垮塌事故,是对格构式构件缀条作⽤及受⼒性能缺少透彻了解和变更结构跨度后未对结构重新进⾏分析、论证双重原因所致,再加上盲⽬信任设计专家,监管不到位等因素共同导致了⼯程悲剧.再如上述轻钢梭形屋架失稳倒塌,是错⽤计算长度系数和轻钢结构误⽤重型屋盖的双重错误导致的结构破坏.实际上,在⼀个钢结构⼯程的设计、制作、施⼯等任⼀环节如果没有⾜够的责任⼼和对结构原理缺乏必要的了解,都可能犯导致结构整体或局部破坏的错误,造成巨⼤的⽣命财产损失.有些错误虽然不会马上导致结构的破坏,但由于结构⼯程的使⽤期往往长达50年、100年,这些问题隐藏在结构中,在超载、飓风、⼤震等⽐较极端的条件下就可能会发⽣破坏,成为⼯程中的极⼤隐患,其危害性也显⽽易见,必须排除和杜绝.。
钢结构事故的分析与处理
5.3钢结构事故的预防措施
5 钢结构防腐处理的质量控制
1.油漆、稀释剂和固化剂种类和质量必须符合设计要求。 2.涂漆基层钢材表面严禁有锈皮、并无焊渣、焊疤、灰尘、油污和水
等杂质。用铲刀检查经酸洗和喷丸(砂)工艺处理的钢材表面必须露出 金属色泽。 3.观察检查有无误涂、漏涂、脱皮和反锈。 4.涂刷均匀，色泽一致，无皱皮和流坠，分色线清楚整齐。 5.干漆膜厚度要求125m(室内钢结构)或150m(室外钢结构)。
3）要观察检查构件外观，以构件正面无明显凹面和损伤为合格。 4）各种结构构件组装时顶紧面贴紧不少于75％，且边缘最大间隙不
超过0.8mm。 5）构件制作允许偏差均应符合《建筑安装工程质量检验评定标准》。
5.3钢结构事故的预防措施
2 钢结构焊接的质量控制
1）焊条、焊剂和施焊用的保护气体等必须符合设计要求和钢结构焊 接的专门规定。
3.对结构上的缺陷损伤(包括位移、翘曲等)一般应首先予以修复，然 后进行固，加固时，应先装配好全部加固零件，以先两端后中间用点 焊固定。
4.在荷载下用焊接加固时，应慎重选择焊接工艺(如电流、电压、焊 条直径、焊接速度等)使被加固构件不致由于过度灼热而丧失承载力。
5.4 钢结构加固方法
5.在承载状态下加固时，确定施工焊接程序应遵循下列原则： (1)应让焊接应力(焊缝和钢材冷却时收缩应力)尽量减少，并能促使
33．5 m跨的有11孔．1901年由俄国建造，1914年发现裂纹．中苏双 方试验结果表明，该桥使用的钢材(从比利时买进的马丁炉钢)，脱氧 不够，氧化铁及硫增加了钢材的脆性，特别是金相颗粒不均匀，所以 不适合低温加工，其玲脆临界温度为0℃，而使用时最低气温为一 40℃，这是造成裂缝的主要原因当时得出结论有四点：(1)该桥的实 际负荷不大；(2)大部分裂纹不在受力处；(3)钢材的金相分析表明材 质不均匀；(4)各部分构件受力情况较好，所以钢桥可以继续使用．
钢结构工程事故剖析
钢结构工程事故剖析1钢结构工程灾难性事故案例1.1设计不当造成的事故1. 1.1魁北克钢桥垮塌(事故1)加拿大跨越魁北克河三跨伸臂桥(如图1(a)所示),两边跨各长152.4m,中间跨长548.64m.1907年8月29日,该桥梁垮塌(如图1(b)所示),9000t重的钢桥坠入河中,死亡75人［3］.事故原因:1)钢桥格构式下弦压杆的角钢缀条过于柔弱(其总面积仅为弦杆截面面积的 1.1%),这样柔弱的受压承载力远小于它实际所承受的压力,缀条在压力作用下失去稳定性,导致承载能力丧失,未能起到缀条将分肢连接成可靠整体的作用.未被可靠连接的分肢不能有效发挥承载作用,在压力作用下失稳,最终导致整个结构破坏.这是典型的局部失稳导致结构整体破坏的典型案例.2)这次严重的工程事故还与设计变更有关.(a)远景图(b)垮塌图图1魁北克钢桥钢桥原设计中间跨跨度为487.68m,但后来设计师Cooper认为河床中部水流湍急,若将两支墩分别向岸边移动,修建桥墩的费用会节省很多,于是将主跨跨度调整为548.64m,跨度增加了12.5%.这一变更使该桥成为当时世界上跨度最大的伸臂桥.设计师主观地认为这样做(指中间跨加大跨度)没有问题,因此对桥梁内力及其引起的效应改变没有重新计算.教训:1)本案例使工程师和学者们认识到缀条在格构式受压构件中的重要作用.虽然缀条是起构造作用的,但实际上,由于初始弯曲的存在,格构式轴心受压构件在长度方向是有弯矩作用的,而沿杆长的弯矩变化必然产生剪力,该剪力主要由缀条承受,因此受压缀条受到轴力作用.如果缀条截面过小,承载能力不足,就难免发生上述悲剧.通过这个案例,可以使我们充分认识到格构式构件中作为连接件的缀条的重要性,对相关公式和规范中的相关构造条文生起重视之心,因为令人头疼的、枯燥的构造条款来自血淋淋的工程事故的教训,如果早日有了这些条文,某些鲜活的生命可能就不会消失.2)跨度调整之后,按梁结构对这一结构进行近似分析,可以发现实际上这一变动会使各构件的内力增加到原来的27%,位移增加到原来的160%,这样的增大比例,必须重新进行计算,重新设计构件,才能安全地承担相应荷载,完成预定功能.1. 1.2Hartford网架失稳(事故2)美国Connecticut州Hartford城一体育馆网架于1978年1月大雨雪后倒塌(如图2所示).该工程为91.4m×109.7m网架,4个等边角钢组成的十字形截面杆件用作受压弦杆和腹杆［4］.图2Hartford城体育馆网架垮塌事故原因:只考虑了压杆的弯曲屈曲,没有考虑扭转屈曲,更没考虑到因支撑偏心而发生的弯扭屈曲,结果受压杆因弯扭失稳而破坏,进而造成整个结构失稳垮塌.教训:1)结构工程是极为复杂的系统,我国的规范是强制性规范,是总结以往工程经验和研究成果的结晶,遵循规范可以大大避免工程事故的发生,但规范并不是万能的.由于社会发展提出的功能需要、造成的技术可能和建筑师求新求变的本能欲望等复杂原因,工程常是活跃的、生动的.层出不穷的新结构往往没有现成规范可循,某些超大跨、超高层建筑物即便采用了成熟的结构形式,其参数也往往超限(超过规范的容许值或推荐值).而规范往往10年才修正、补充一次,其中也只纳入经过较多解析、试验和数值分析等方法研究比较成熟的结构形式和相应构件的相关条款.不深入掌握规范不行,但一味盲从规范也不行.我们一方面要不畏枯燥繁琐,吃透规范条文,最大限度地降低工程风险,同时又要了解规范的滞后性和局限性,以自己的力学、结构知识和工程经验为基础做出独立的判断.2)人类对工程的认识、对结构原理的深入理解不是一蹴而就的,从工程事故中汲取的教训,是工程科学进步的重要动力和灵感源泉.从类似工程事故中汲取教训,我国专家对十字形受压杆件进行了相关的理论研究和实验研究,在2003年的GB50017—2003《钢结构设计规范》中已纳入了该构件的弯扭稳定验算公式.1. 1.3轻钢梭形屋架失稳倒塌(事故3)1990年2月,辽宁省某重型机械厂计量楼增层会议室14.4m跨的轻钢梭形屋架腹杆平面外出现半波屈曲,致使屋盖迅速塌落(如图3所示),造成42人死亡、179人受伤(当时正有305人在开会).图3轻钢梭形屋架支撑的屋盖发生倒塌事故原因:该轻钢梭形屋架适用于屋面荷载较小的情况,因为轻钢结构要求“轻对轻”(即荷载轻、自重轻),但是由于设计人员对此原则未能掌握,误用了重型屋盖,使钢屋架腹杆受到的实际力要大于按轻型屋盖确定的构件承载能力,而且还错用了计算长度系数,导致受压腹杆的平面外实际计算长度系数λy＞300,如此纤细的受压腹杆不仅在稳定承载力上无法满足实际承载需要,而且从构造上也已经远远超过规范限值(受压构件长细比容许值为150,受拉杆为300).教训:1)我们应该充分认识不同的钢屋架应采用哪种钢屋盖(重型屋盖还是轻型屋盖).2)对受压腹杆的计算长度不得马虎,必须正确理解规范中对此类构件的有关规定,并严格执行,必要时可进行高等分析或者采用试验验证. 1.2安装不当造成的事故(事故4)1957年前苏联古比雪夫列宁冶金厂锻压车间1200m2钢屋盖塌落.事故原因:一对拉、压钢杆装配颠倒.钢结构由于材料轻质高强,其构件通常较为纤细.在这种情况下,受拉构件只要满足强度和刚度的要求即可,因而长细比通常较大.而受压构件要同时满足强度、刚度、稳定性要求,并且通常是稳定条件在控制设计,长细比通常要比受拉构件小得多.在工程中,一旦拉、压杆颠倒配置,原本的受压杆用受拉杆代替,根据欧拉公式P cr=π2EI/(μl)2［5］,受拉杆的计算长度(μl)通常要比受压杆的计算长度大得多,这样误用为受压杆的受拉杆能够承受的P cr要比本应由受压杆承担的设计压力小很多,杆件就会失去稳定发生破坏,并且造成附近杆件的骨牌效应,接连发生破坏,进而造成整个结构的破坏.教训:这个事故可以鲜明生动地向学生阐明钢结构中拉、压构件在本质上的区别.将来从事钢结构领域的工作,不管是设计、制作,还是施工,都必须认真理解钢构件设计的基本原理,并且要认真负责,绝不允许把拉、压构件颠倒配置,以免类似事故再度发生.1.3施工不当造成的事故(事故5)宁波某轻钢门式刚架施工阶段倒塌(如图4所示).图中一系列门式刚架在施工过程中倒塌,发生严重塑性变形,修复极为困难,经济损失惨重.图4门式刚架施工倒塌事故原因:施工顺序不当、未设置必要的支撑等.门式刚架作为一种平面结构,在平面外的尺寸非常小(仅仅是钢梁或钢柱的翼缘宽度),平面外的刚度很弱,并且很容易发生倾覆.在结构正常工作时,平面刚架体系通过纵向的柱间支撑来承受平面外作用,并防止结构倾覆.教训:施工中,单榀门式刚架是没有平面外承载能力的,必须及时设置支撑(柱间和屋面支撑),使两榀门式刚架通过支撑连接成一个有空间刚度的“可靠承载单元”,其他榀门式刚架通过刚性系杆与该“可靠承载单元”连接,才能避免在扰动作用下,门式刚架发生倒塌或倾覆. 2钢结构工程事故的影响因素2.1构件稳定性不足因为钢材轻质高强,所以钢构件通常做得比较纤细,这样的杆件在压力作用下,有可能发生失稳.失稳可能导致构件承载能力完全或部分丧失,从而引发事故.在钢构件设计中,稳定因素常常是最主要的控制因素.在钢结构事故中,构件或结构失稳占有很大的比例,上述5个例子,都与构件失稳有直接或间接关系.2.2设计缺乏合理性事故1、2、3都是设计不合理所致.事故1发生的原因在于设计师对缀条在格构式受压构件中的重要作用认识不足,没有认识到实际工程与理想模型的不同,从而发生了缀条破坏导致整个结构破坏的事故.事故2是由于设计师对十字形截面杆件扭转屈曲的可能性认识不足造成的.事故3是设计师误用了重型屋盖和错用了计算长度系数的双重错误所致.设计是钢结构工程的龙头,设计环节出了问题通常无法在其他阶段进行弥补,这就要求钢结构设计人员具有扎实的理论基础,对所设计的钢结构和钢构件有透彻了解,避免发生强度、刚度、稳定性方面的原则性设计错误,从而避免因设计失误导致的钢结构事故.2.3构件安装错误设计师的设计意图归根到底要靠制造人员来实现,制造人员缺少必要的钢结构理论知识,难以领会设计意图,或责任感不强都可能导致构件安装错误,使结构最终性态与设计意图不符,难以承受既定荷载,发生类似事故4那样的整体破坏.2.4施工不够规范土木工程领域存在着一定程度的重设计、轻施工的错误倾向,实际上,钢结构的施工往往涉及结构性态的复杂变化,可以说施工阶段的困难程度和技术含量,一点也不比设计阶段低,甚至犹有过之,在钢结构越来越复杂的今天就更是如此.某些施工单位不能在透彻理解结构施工原理的基础上制定科学合理的施工方案,或者不能严格遵守施工规范和施工方案,就可能因施工失误造成类似事故5那样的重大事故.2.5工程事故的复杂性工程事故的原因往往较为复杂,不一定是单一因素引起,例如上述魁北克钢桥垮塌事故,是对格构式构件缀条作用及受力性能缺少透彻了解和变更结构跨度后未对结构重新进行分析、论证双重原因所致,再加上盲目信任设计专家,监管不到位等因素共同导致了工程悲剧.再如上述轻钢梭形屋架失稳倒塌,是错用计算长度系数和轻钢结构误用重型屋盖的双重错误导致的结构破坏.实际上,在一个钢结构工程的设计、制作、施工等任一环节如果没有足够的责任心和对结构原理缺乏必要的了解,都可能犯导致结构整体或局部破坏的错误,造成巨大的生命财产损失.有些错误虽然不会马上导致结构的破坏,但由于结构工程的使用期往往长达50年、100年,这些问题隐藏在结构中,在超载、飓风、大震等比较极端的条件下就可能会发生破坏,成为工程中的极大隐患,其危害性也显而易见,必须排除和杜绝.。