鋼結(jié)構(gòu)工程事故的發(fā)生，因失穩(wěn)破壞者屢見不鮮。在1907年，加拿大魁北克大橋在施工中破壞，9000t鋼結(jié)構(gòu)全部墜入河中，橋上施工的人員有75人遇難。破壞是由懸臂的受壓下弦失穩(wěn)造成的。大跨的箱形截面鋼梁橋曾在1970年前后出現(xiàn)事故。美國哈特福特體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為92m*110m，突然于1978年破壞而落地，破壞起因是壓桿屈曲。我國也不例外，1988年太原曾發(fā)生過13.2m*17.99m網(wǎng)架塌落事故。

在此強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)對缺陷的敏感性截然不同。圖7.1和圖7.2中虛線所示的是構(gòu)件有幾何缺陷時的荷載與變形關(guān)系。顯然，這些虛線不再有分岔點(diǎn)。不同的是：圖7.1中雖有缺陷，但荷載仍然可以高于臨界值；而在圖7.2中，荷載的極低值比無缺陷時大幅度降低。因此不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)對缺陷特別敏感。設(shè)計(jì)該類結(jié)構(gòu)時若無視缺陷影響，必將帶來嚴(yán)重后果。

3、躍越失穩(wěn)

此類屈曲的特點(diǎn)是：既無平衡分岔點(diǎn)，又無極值點(diǎn)，但和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)又有一些相似。結(jié)構(gòu)由一個平衡位形突然跳到另一個平衡位形，其間出現(xiàn)很大的變形，都是從喪失穩(wěn)定平衡后經(jīng)歷一段不穩(wěn)定平衡，然后重新獲得穩(wěn)定平衡。屬于此類失穩(wěn)的有鉸接坦拱、扁殼、扁平的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。此類屈曲雖然在發(fā)生躍越后荷載可以大于臨界值，但實(shí)際工程中不允許出現(xiàn)這樣大的變形，由于過大的變形會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，故應(yīng)該以臨界荷載作為承載的極限。

圖7.4為一兩端鉸接的坦拱，在均布荷載q作用下有撓度w，其荷載撓度曲線也有穩(wěn)定的上升段OA，但到達(dá)曲線最高點(diǎn)A時會突然跳躍到一個非鄰近的具有很大變形C點(diǎn)，拱結(jié)構(gòu)頃刻下垂。其中虛線AB是不穩(wěn)定的，BC段雖然是穩(wěn)定的而且一直是上升的，但此時結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，故不能被利用。

穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)最突出的問題，長期以來，在大量工程技術(shù)人員的頭腦里，強(qiáng)度的概念清晰，穩(wěn)定的概念淡漠，并且存在強(qiáng)度重于穩(wěn)定的錯誤思想。因此，在大量的接連不斷的鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故中付出了血的代價，得到了嚴(yán)重的教訓(xùn)。鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故分為整體失穩(wěn)事故和局部失穩(wěn)事故兩大類，各自產(chǎn)生的原因如下。

整體失穩(wěn)事故原因分析

1、設(shè)計(jì)錯誤

設(shè)計(jì)錯誤主要與設(shè)計(jì)人員的水平有關(guān)。如缺乏穩(wěn)定概念；穩(wěn)定驗(yàn)算公式錯誤；只驗(yàn)算基本構(gòu)件穩(wěn)定從而忽視整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗(yàn)算；計(jì)算簡圖及支座約束與實(shí)際受力不符，設(shè)計(jì)安全儲備過小等等。

2、制作缺陷

制作缺陷通常包括構(gòu)件的初彎曲、初偏心、熱軋冷加工以及焊接產(chǎn)生的殘余變形。各種缺陷將對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力產(chǎn)生顯著影響。

3、臨時支撐不足

鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中，當(dāng)尚未完全形成整體結(jié)構(gòu)之前，屬幾何可變體系，構(gòu)件的穩(wěn)定性很差。因此必須設(shè)置足夠的臨時支撐體系來維持安裝過程中的整體穩(wěn)定性。若臨時支撐設(shè)置不合理或者數(shù)量不足，輕則會使部分構(gòu)件喪失穩(wěn)定，重則造成整個結(jié)構(gòu)在施工過程中倒塌或傾覆。

4、使用不當(dāng)

結(jié)構(gòu)竣工投入使用后，使用不當(dāng)或意外因素也是導(dǎo)致失穩(wěn)事故的主因。例如：使用方隨意改造使用功能，改變構(gòu)件受力，由積灰或增加懸吊設(shè)備引起的超載，基礎(chǔ)的不均勻沉降和溫度應(yīng)力引起的附加變形，意外的沖擊荷載等。

局部失穩(wěn)事故原因分析

局部失穩(wěn)主要針對構(gòu)件而言，失穩(wěn)的后果雖然沒有整體失穩(wěn)嚴(yán)重，但對以下原因也應(yīng)引起足夠重視。

1、設(shè)計(jì)錯誤

設(shè)計(jì)人員忽視甚至不進(jìn)行構(gòu)件的局部穩(wěn)定驗(yàn)算，或者驗(yàn)收方法錯誤，致使組成構(gòu)件的各類板件寬厚比和高厚比大于規(guī)范限值。

2、構(gòu)造不當(dāng)

通常在構(gòu)件局部受集中力較大的部位，原則上應(yīng)設(shè)置構(gòu)造加勁肋。另外，為了保證構(gòu)件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不變形也須設(shè)置橫隔、加勁肋等，但實(shí)際工程中，加勁肋數(shù)量不足、構(gòu)造不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象比較普遍。

3、原始缺陷

原始缺陷包括鋼材的負(fù)公差嚴(yán)重超規(guī)，制作過程中焊接等工藝產(chǎn)生的局部鼓曲和波浪形變形等。

4、吊點(diǎn)位置不合理

在吊裝過程中，尤其是大型的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，吊點(diǎn)位置的選定十分重要，由于吊點(diǎn)位置不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)吊裝方案，構(gòu)件受力狀態(tài)不同。有時構(gòu)件內(nèi)部過大的壓應(yīng)力將會導(dǎo)致構(gòu)件在吊裝過程中局部失穩(wěn)。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對重要構(gòu)件應(yīng)在圖紙中說明起吊方法和吊點(diǎn)位置。

三、失穩(wěn)事故的處理與防范

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)事故而倒塌后，整個結(jié)構(gòu)已經(jīng)報(bào)廢，事故的處理已沒有價值，只剩下責(zé)任的追究問題。但對于局部失穩(wěn)事故可以采取加固或更換板件的做法得以解決，筆者認(rèn)為，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故應(yīng)以防范為主，以下原則應(yīng)該遵守：

一．設(shè)計(jì)人員應(yīng)強(qiáng)化穩(wěn)定設(shè)計(jì)理念

防止鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故的發(fā)生吊車公司，設(shè)計(jì)人員肩負(fù)著最重要的職責(zé)。強(qiáng)化穩(wěn)定設(shè)計(jì)理念十分必要。

結(jié)構(gòu)的整體布置必須考慮整個體系及其組成部分的穩(wěn)定性要求，尤其是支撐體系的布置。 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算方法的前提假定必須符合實(shí)際受力情況。尤其是支座約束的影響。 構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算與細(xì)部構(gòu)造的穩(wěn)定計(jì)算必須配合。尤其要有強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的概念。 強(qiáng)度問題通常采用一階分析，而穩(wěn)定問題原則上應(yīng)采用二階分析。 疊加原理適用于強(qiáng)度問題，不適用于穩(wěn)定問題。 處理穩(wěn)定問題應(yīng)有整體觀點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)吊裝方案，應(yīng)考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相關(guān)影響。

二．制作單位應(yīng)力求減少缺陷

在常見的眾多缺陷中，初彎曲、初偏心、殘余應(yīng)力對穩(wěn)定承載力影響最大，因此，制作單位應(yīng)通過合理的工藝和質(zhì)量控制措施將缺陷減低到最小程度。

三．施工單位應(yīng)確保安裝過程中的安全

施工單位只有制定科學(xué)的施工組織設(shè)計(jì)，采用合理的吊裝方案，精心布置臨時支撐，才能防止鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中失穩(wěn)，確保結(jié)構(gòu)安全。

四．使用單位應(yīng)正常使用鋼結(jié)構(gòu)建筑

一方面，使用單位要注意對已建鋼結(jié)構(gòu)的定期檢查和維護(hù)，另一方面，當(dāng)需要進(jìn)行工藝流程和使用功能改造時，必須與設(shè)計(jì)單位或有關(guān)專業(yè)人士協(xié)商，不得擅自增加負(fù)荷或改變構(gòu)件受力。

總之，通過各方的共同努力，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故可以從根本上得到解決。

案例

一、工程及事故概況

烏恰縣影劇院是由門廳、觀眾廳和舞臺三部分組成(圖1、圖2),觀眾廳屋蓋是平面尺寸為27 m×24 m、高度為2.667 m的正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架，觀眾廳外墻由柱距為3.0m的鋼筋混凝土柱和磚砌體組成，柱頂標(biāo)高為10.5m，觀眾廳屋蓋網(wǎng)架在軸線②的一端與舞臺屋面大梁支承于同一水平，且共同位于臺口大梁上的小立柱上(圖3)，而網(wǎng)架在軸線③的一端則位于門廳框架之上。

二、震害情況

1985年8月23日和9月12日，我國新疆克孜靳蘇自治州烏恰縣境內(nèi)連續(xù)發(fā)生7.4、6.8級地震。地薄發(fā)生時，烏恰縣影劇院承重結(jié)構(gòu)已完成，網(wǎng)架也安裝完畢，并已全部鋪上屋面板，但尚未做防水層；網(wǎng)架下弦也已吊上木龍骨。在強(qiáng)烈的地震發(fā)生后，影劇院的主體結(jié)構(gòu)和屋蓋并未倒塌，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的部分桿件及混凝土因支座發(fā)生一定程度的損壞。

1.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靠舞臺口一端的部分支座有較大程度的損壞,混凝土因大塊剝落而露出鋼筋。

2.網(wǎng)架部分桿件松動。

3.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)位于門廳一端的部分桿件有類似的損壞現(xiàn)象,但損壞程度較輕。

三、震害事故分析

為研究網(wǎng)架震害的原因，對網(wǎng)架進(jìn)行多種方案驗(yàn)算，其計(jì)算結(jié)果表明：

網(wǎng)架的邊界約束條件和約束的強(qiáng)弱對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)有較大的影響。當(dāng)沿某水平向的約束加強(qiáng)后，沿該方向的水平地震內(nèi)力也增加。另外網(wǎng)架支承結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)不容忽視。在烏恰影劇院工程中，舞臺口支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的臺口大梁以及擱置在臺口大梁上的舞臺屋面大梁的慣性效應(yīng)，是造成網(wǎng)架震害的主要原因。地震時，靠近舞臺口一端的強(qiáng)大慣性力沿網(wǎng)架上弦桿傳遞，而門廳一端是剛性較大的支撐，不能相應(yīng)地發(fā)生振動，致使網(wǎng)架上弦桿普遍產(chǎn)生較大的內(nèi)力，尤其是靠近舞臺口的網(wǎng)架上弦桿內(nèi)力急劇增加，導(dǎo)致桿件屈曲。

從結(jié)構(gòu)布置上來說，將舞臺大梁與網(wǎng)架同時支承在臺口大梁上的圈梁之上，對抗震是十分不利的。舞臺大梁和網(wǎng)架上的大部分荷載都集中在同一水平位置上面，但沒有抗側(cè)力構(gòu)件的支承，地震時，由于由鋼筋混凝土板構(gòu)成的舞臺屋面有很大的質(zhì)量，而其支承結(jié)構(gòu)卻沒有足夠的抗側(cè)剛度，只有迫使網(wǎng)架上弦來傳遞強(qiáng)大的慣性力，而網(wǎng)架端部上弦桿則是靜內(nèi)力較小之處，桿件截面較小，因此，端部桿件產(chǎn)生失穩(wěn)破壞也是必然的。

網(wǎng)架設(shè)計(jì)計(jì)算時僅按周邊簡支考慮，沒有考慮周圍支承結(jié)構(gòu)的附加慣性效應(yīng)，而下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時也僅考慮承受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的豎向荷載，忽視了屋面荷載在地震作用下的傳遞，形成上下結(jié)構(gòu)相互脫節(jié)的現(xiàn)象。

網(wǎng)架的邊界約束條件和約束的強(qiáng)弱對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)有較大的影響。當(dāng)沿某水平向的約束加強(qiáng)后，沿該方向的水平地震內(nèi)力也增加。另外網(wǎng)架支承結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)不容忽視。在烏恰影劇院工程中，舞臺口支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的臺口大梁以及擱置在臺口大梁上的舞臺屋面大梁的慣性效應(yīng)，是造成網(wǎng)架震害的主要原因。地震時，靠近舞臺口一端的強(qiáng)大慣性力沿網(wǎng)架上弦桿傳遞，而門廳一端是剛性較大的支撐，不能相應(yīng)地發(fā)生振動，致使網(wǎng)架上弦桿普遍產(chǎn)生較大的內(nèi)力，尤其是靠近舞臺口的網(wǎng)架上弦桿內(nèi)力急劇增加，導(dǎo)致桿件屈曲。

從結(jié)構(gòu)布置上來說，將舞臺大梁與網(wǎng)架同時支承在臺口大梁上的圈梁之上，對抗震是十分不利的。舞臺大梁和網(wǎng)架上的大部分荷載都集中在同一水平位置上面，但沒有抗側(cè)力構(gòu)件的支承，地震時，由于由鋼筋混凝土板構(gòu)成的舞臺屋面有很大的質(zhì)量，而其支承結(jié)構(gòu)卻沒有足夠的抗側(cè)剛度，只有迫使網(wǎng)架上弦來傳遞強(qiáng)大的慣性力，而網(wǎng)架端部上弦桿則是靜內(nèi)力較小之處，桿件截面較小，因此，端部桿件產(chǎn)生失穩(wěn)破壞也是必然的。

網(wǎng)架設(shè)計(jì)計(jì)算時僅按周邊簡支考慮，沒有考慮周圍支承結(jié)構(gòu)的附加慣性效應(yīng)，而下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時也僅考慮承受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的豎向荷載，忽視了屋面荷載在地震作用下的傳遞，形成上下結(jié)構(gòu)相互脫節(jié)的現(xiàn)象。

經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)

新疆烏恰縣地震的發(fā)生，使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)承受了一次實(shí)際的地震考驗(yàn)，其網(wǎng)架的震害給與我們許多啟示：

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能起空間作用,具備優(yōu)良的抗震性能。強(qiáng)烈的地展雖然使烏恰影劇院網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞，但整幢結(jié)構(gòu)并未倒塌或毀壞。如果不是網(wǎng)架的空間作用,那么像舞臺部分的屋面結(jié)構(gòu)是極易倒塌的。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)水平方向的邊界約束對地震內(nèi)力有相當(dāng)大的影響，同時，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支承結(jié)構(gòu)的附加慣性也不容忽視。因此，在網(wǎng)架設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在網(wǎng)架支座處作用有較大的質(zhì)量，否則，在計(jì)算地震內(nèi)力時，必須同時考慮下部支承結(jié)構(gòu)的彈性和慣性效應(yīng)。

地震區(qū)結(jié)構(gòu)體系的布置對于結(jié)構(gòu)的抗震防震是極為重要的。屋蓋中采用網(wǎng)架，不應(yīng)孤立地設(shè)計(jì)網(wǎng)架吊車，而應(yīng)整體地考慮網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)體系中的作用，以及它與下部結(jié)構(gòu)的相互聯(lián)系。結(jié)構(gòu)體系中各結(jié)構(gòu)的相互連接、協(xié)同工作，或相互分離，必須慎重考慮并進(jìn)行計(jì)算分析。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能起空間作用,具備優(yōu)良的抗震性能。強(qiáng)烈的地展雖然使烏恰影劇院網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞，但整幢結(jié)構(gòu)并未倒塌或毀壞。如果不是網(wǎng)架的空間作用,那么像舞臺部分的屋面結(jié)構(gòu)是極易倒塌的。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)水平方向的邊界約束對地震內(nèi)力有相當(dāng)大的影響，同時，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支承結(jié)構(gòu)的附加慣性也不容忽視。因此，在網(wǎng)架設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在網(wǎng)架支座處作用有較大的質(zhì)量，否則，在計(jì)算地震內(nèi)力時，必須同時考慮下部支承結(jié)構(gòu)的彈性和慣性效應(yīng)。

地震區(qū)結(jié)構(gòu)體系的布置對于結(jié)構(gòu)的抗震防震是極為重要的。屋蓋中采用網(wǎng)架，不應(yīng)孤立地設(shè)計(jì)網(wǎng)架，而應(yīng)整體地考慮網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)體系中的作用，以及它與下部結(jié)構(gòu)的相互聯(lián)系。結(jié)構(gòu)體系中各結(jié)構(gòu)的相互連接、協(xié)同工作，或相互分離，必須慎重考慮并進(jìn)行計(jì)算分析。

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