钢结构建筑坍塌悲剧敲响了“谁”的警钟?


发布时间:2023-11-13 15:35


钢结构因其匀质高强、结构可靠性高、施工速度快、抗震性好等良好特性而得以广泛应用。特别地,钢结构属于延性破坏结构,其事先的较大变形预兆有助于预先发现险情、规避损害风险。

钢结构建筑
然而,近年来多起建筑坍塌惨剧表明,钢结构仍可能因结构设计不合理、材料质量隐患或使用维护不当而产生严重后果。本文从案例统计着手,对钢结构安全风险进行分析,对风险防控给出了参考建议。
钢结构建筑风险特点
钢结构尽管优势突显,但也同时具有一些风险特点,如:
✦ 结构稳定问题。由于钢材强度高、杆件较为柔细,从而在设计和施工中稳定问题较为突出。
✦ 脆性断裂问题。钢材的塑性和韧性常温下表现较好,但随着温度降低也逐渐降低,加之材质缺陷和焊接缺陷等,使钢结构脆性断裂风险较为突出。
✦ 耐火性能差。环境温度超过400℃时,普通结构钢的钢材强度和弹性模量开始急剧下降;达到650℃时钢材已基本丧失承载能力。
✦ 耐锈蚀性差。常见的钢材腐蚀有大气腐蚀、介质腐蚀和应力腐蚀。根据国外试验结果,不刷涂层的两面外露钢材在大气的腐蚀速度为8~17mm/年。
钢结构在广泛应用的同时,因其使用量和自身存在问题,导致事故频频发生。相关事故风险呈现出以下特点:
1)结构形式以工业厂房(包括普通的轻型钢屋架)事故最多。
2)事故发生以使用阶段的最多。
3)事故类型以钢结构整体倒塌最多。
4)事故破坏形式以钢结构失稳破坏最多,此外,脆性断裂事故和焊接连接破坏事故所占比例也较大。
5)事故原因以制作和安装质量最多。
坍塌倾覆归因分析与风险防控措施
1、坍塌/倾覆事故破坏的原因分析
稳定问题是钢结构最突出的问题。钢结构的失稳事故分为整体失稳事故和局部失稳事故两大类,其各自产生的原因如下。
(1)整体失稳事故原因分析
① 设计错误。设计错误主要与设计人员的水平有关。如缺乏稳定概念,稳定验算公式错误,只验算基本构件稳定、忽视整体结构的稳定验算,计算简图及支座约束与实际受力不符,设计安全储备过小等等。
② 制作缺陷。制作缺陷通常包括构件的初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及爆接产生的残余变形等。
③ 钢结构安装过程中临时支撑设置不合理或数量不足,轻则会使部分构件丧失稳定,重则造成整个结构在施工过程中倒塌或倾覆。
④ 使用不当。结构竣工投入使用后,使用不当或意外因素也是导致失稳事故的主因。例如,使用方随意改造使用功能;改变构件的受力状态;由积灰或增加悬吊设备引起的超载;基础的不均匀沉降和温度应力引起的附加变形;意外的冲击荷载等。
(2)局部失稳事故原因分析
局部失稳主要是针对构件而言,其失稳后果虽然没有整体失稳严重,但也应引起足够的重视。
① 设计错误。设计人员忽视甚至不进行构件的局部稳定验算,或者验收方法错误,致使组成构件的各类板件宽厚比和高厚比大于规范限值。
② 构造不当。通常在构件局部受集中力较大的部位应设置构造加劲肋,另为保证构件在运转过程中不变形也须设置横隔、加劲肋等。但实际工程中,加劲肋数量不足构造不当的现象比较普遍。
③ 原始缺陷。包括钢材的负公差严重超规、制作过程中焊接等工艺产生的局部鼓曲和波浪形变形等。
④ 吊点位置不合理。大型钢结构构件的吊点位置选定十分重要,有时构件内部过大的压应力会导致构件在吊装过程中局部失稳。
2、坍塌/倾覆风险防控措施
钢结构失稳风险防控须遵守以下原则:
(1)设计人员应强化稳定设计理念
防止钢结构失稳事故的发生,设计人员肩负着最重要的职责。强化稳定设计理念十分必要。①结构的整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求,尤其是支撑体系的布置。②结构稳定计算方法的前提假定必须符合实际受力情况,尤其是支座约束的影响。③构件的稳定计算与细部构造的稳定计算必须配合,尤其要有强节点的概念。④处理稳定问题应有整体观点,应考虑整体稳定和局部稳定的相关影响。
(2)制作单位应力求减少缺陷
在常见的众多缺陷中,初弯曲、初偏心、残余应力对稳定承载力影响最大。因此,制作单位应通过合理的工艺和质量控制措施将缺陷减低到最小程度。
(3)施工单位应确保安装过程中的安全
施工单位只有制定科学的施工组织设计,采用合理的吊装方案,精心布置临时支撑,才能防止钢结构安装过程中失稳,确保结构安全。
(4)使用单位应正常使用钢结构建筑物
一方面,使用单位要注意对已建钢结构的定期检查和维护;另一方面,当需要进行工艺流程和使用功能改造时,必须与设计单位或有关专业人员协商,不得擅自增加负荷或改变构件受力。
(5)基层强监管,加大违法打击力度
我国城镇化初期建设的部分建筑结构可能已经无法适应当前的使用需要,有关部门应对未经正规设计的钢结构建筑和改建建筑展开安全隐患排查,及时对存在隐患的建筑进行消险整治。