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.。