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钢结构事故实例及分析 CompanyLogo 提纲 CompanyLogo 一 引言 进入21世纪以来 钢结构在结构工程带给了我们举世瞩目的成就 特别是大跨桥梁及其超高层结构 大跨度空间结构 例如 跨度1991米的日本明石海峡大桥台湾508米的101大厦直径320米的英国千禧穹顶但是世界范围内的钢结构事故频频发生 惨痛的教训一再重复 给经济和社会带来巨大的损失 如 2001年的 911 事故造成约3000人死亡 直接经济损失75亿美元 间接损失近万亿美元 CompanyLogo 二 事故实例及其分析 事故1 911 事件视频 CompanyLogo 事故1 911 事件 CompanyLogo 1 1事故背景 纽约世界贸易中心 图1 建筑时间1966 1973年 共110层 总高412m 两座塔楼相同 结构主体为全钢筒中筒结构 图2 外筒为密距柱 9层以上柱距仅1 02m 9层以下柱距3 06m 内筒为电梯井和辅助用房 内外筒距离为18m和10 7m 之间由楼板联系 楼板 图3 用空腹桁架 面层用混凝土 构成预制组合结构板 板间用钢筋相连 空腹桁架的下弦与框架柱的连接处安装了减震器 该楼总用钢量是78000t 单位用钢量186 6Kg CompanyLogo 图1 CompanyLogo 图2 CompanyLogo 图3 CompanyLogo 1 2事故过程 该事故发生在结构的使用过程8时45分北楼被撞 飞机重量156t 起火18分钟后 南楼被撞 机重104t 起火北楼持续时间103分钟 垂直倒塌南楼持续时间62分钟 垂直倒塌 CompanyLogo 1 3事故分析 1 外因 飞机撞击巨大冲击力 火灾产生大量热能 倒塌原因 2 内因 部分梁柱被剪断 形成薄弱层 钢材软化 该楼层失稳 上部倒塌冲击力 形成多米诺骨牌效应 CompanyLogo 1 3 1外因 CompanyLogo 图4 CompanyLogo 1 3 2内因 CompanyLogo 图5 CompanyLogo 1 4事故总结 911 总结 结构体系要提高整体延性和抗冲击力 人为事故不可预测承认该结构的优点 提高结构防火概念 提高安全性 加强灾难中的救援措施 引入高科技预警和监测系统 将该类标志性建筑的安全列于经济之上 CompanyLogo 事故2 大跨度压型钢板拱壳屋顶倒塌事故 沈阳市苏家屯区某农贸市场 总面积为1 31万m2 营业大厅的屋顶采用双拱型压型钢板拱壳结构 面积约4000m2 跨度方向短为南北向 长为78m 宽25m 矢高1 5 下部边缘结构为钢筋混凝土框架结构 山墙为带钢筋抗风柱拱型框架 顶部柱高2 7m 四周包括山墙在内每个框架柱上均设斜柱支撑 2 1事故背景 CompanyLogo 2 2事故过程 1999年11至2000年1月 沈阳地区连续下了几场大雪 累计降雪量达72 5mm 为几十年来所罕见 在降雪过程中相伴北风 最大风速为14 7m s 2000年1月该营业大厅北跨塌落 南跨未塌但已有变形 塌落前屋顶压型拱板在靠近山墙处撕裂 裂缝逐渐增大 经3 5h后 整体坍塌 CompanyLogo 2 3事故分析 CompanyLogo 事故分析 续 CompanyLogo 2 4事故总结 设计 施工 使用 养护 采用平面拱理论及普通钢结构稳定公式设计压型钢板拱型屋顶结构是不安全的 应用空间壳体的有限元理论 保证拱板之间咬合牢固 紧密联接 是保证工程质量的关键 使用过程中结构要注意雪载火灾使用时的安全 加强除雪防火措施 精心维护是保证该类结构屋顶正常使用的一个条件 如除锈 铆钉螺栓的保护等 CompanyLogo 事故3网架工程倒塌事故实例 京福高速公路山东薛城加油站服务区网架工程为焊接空心球节点棋盘形四角锥网架 平面尺寸13 2m 17 99m 网格数为5 7 网格尺寸2 64m 2 57m 图6 网架高1 0m 支承方式为上铉周边支承 杆件及空心球节点的材料均采用I级钢 Q235 网架上铉为200 6 图纸注明网架杆件与节点的连接焊缝为贴角焊缝 焊缝厚7 5mm 焊条规定为T42型 3 1事故背景 CompanyLogo 图6 CompanyLogo 3 2事故过程 网架00 5 28用塔吊整体吊装平移就位 9月铺设钢筋混凝土屋面板 共计33块 在铺完28块后 中部6块板尺寸有误 重新预制 故铺屋面板拖至01 4 12完成 6 8 10日进行屋面保温层 找平层施工 同时网架下铉架设吊顶龙骨 6 12日连降中到大雨 13日晨网架塌落 伴有巨响 网架由短跨一端塌下 另端尚挂在圈梁上 网架上下铉变形不凸出 但因腹杆弯折 上下铉叠合在一起 腹杆大量出现S形弯曲 杆件与空心球节点连接焊缝破坏形式是在焊缝热影响区钢管被拉断 或因焊缝未焊透 母材未熔合使钢管由焊缝中拔出 CompanyLogo 3 3事故分析 设计原因 网架的计算有误 整个网架的全部杆件包括上下铉和腹杆的截面面积均不足 致使在网架屋面施工过程中 实际荷载仅为设计荷载的2 3时 网架就遭到破坏 但是 网架的塌落却是由于受压腹杆失稳造成 当受压腹杆失稳退出工作后 整个网架迅速失稳而塌落 事故原因 施工原因 网架焊缝质量问题 网架上铉节点上立柱 本是中间高两边低 而施工中做成中间低两边高致使屋面积水 网架支柱的预埋件不按图纸设计位置放 未严格按下料尺寸焊接 产生累计误差 致使网架的支承点未落在墙的中心线上 使墙失稳 CompanyLogo 3 4事故总结 事故3总结 设计 网架设计结构的设计人员必须掌握网架结构的设计理论 精心进行结构计算 不盲目套用其它网架工程 施工 网架结构的焊接质量要求较严 一般建筑施工队伍中的焊工应进行专业培训持合格证后方能参加网架的焊接工作 CompanyLogo 事故4门架轻钢结构厂房施工倒塌事故 某陶瓷公司原料车间厂房工程 门式刚架轻钢结构 总长368m 图7 跨度为3 36m 纵向柱距8 8 5m 沿纵轴分为3个独立段 檐口标高为 38轴14 0m 39 42轴25 0m 43 51轴11 1m 屋面坡度1 10 厂房梁柱均采用实腹式H形等截面Q345钢 其中厂房最高段39 42轴屋面檩条为冷弯薄壁Z形钢 拉条为f10 斜撑采用角钢L50 5 柱间支撑设计了5f133 3钢管 并在中段40 41轴布置了5道f16柱间交叉支撑 4 1事故背景 CompanyLogo 图7 CompanyLogo 4 2事故过程 该事故发生在施工过程当中 在04年9月底某日当厂房高跨39 42轴钢梁 钢柱已安装完毕 连接部位的高强螺栓完成初扭 水平方向的支撑系统正在安装时突遇大风 随即厂房高跨39 42轴段刚架发生了整体倒塌 图8 CompanyLogo 图8 CompanyLogo 4 3事故分析 CompanyLogo 图9 CompanyLogo 4 4事故总结 刚架柱脚螺栓应采用可靠方法定位 保证施工工况与设计工况一致 合理安排安装顺序 吊装时应重视风荷载作用 完整的检验与交接资料 门架安装施工应注意的问题 CompanyLogo 事故5 某轻钢厂房倒塌事故分析 某生产出口家具的生产车间 共4座 为单层砖混结构建筑物 该建筑物基础采用柱下钢筋混凝土独立基础 墙下毛石条形基础 墙体采用M5混合砂浆砌筑MU715机制砖 构造柱混凝土强度等级为C20 屋盖采用24m跨薄壁轻型钢结构 屋面板采用压型钢板 钢屋架焊接在构造柱的预埋件上 图10 5 1事故背景 CompanyLogo 图10 CompanyLogo 5 2事故过程 该工程于2003年施工完毕投入使用 2004年11月25日因突降暴雪 积雪厚度达23cm 4座厂房先后出现严重倒塌事故 倒塌情况 图11 4座厂房屋架均坍塌 纵墙大部分倒塌 构造柱 圈梁断开 断开处钢筋颈缩 断裂 部分预埋件钢筋断开 CompanyLogo 图11 CompanyLogo 5 3事故分析 1 现场调查检测结果分析 2 结构验算结果分析 3 倒塌分析 CompanyLogo 5 3 1现场调查检测结果分析 所有屋架均出现挠曲断裂现象 设计仅一张草图 无签字盖章 焊缝有严重缺陷 主要原因 CompanyLogo 5 3 2结构验算结果分析 选择一榀屋架 用PKPM软件对该屋架各杆件的承载力 稳定性进行分析 分别计算了屋面活载和雪载对屋架产生的影响 计算模型如图12所示 图12荷载取值按 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 规定的屋面活载 015kN m2 和此次暴雪 气象部门统计为50年一遇 的雪载 013kN m2 确定 钢屋架杆件尺寸 截面面积及截面特性根据现场实测取值 材料强度按 钢结构设计规范 GB50017 2003 取用 经过计算 主要杆件受力结果见表1 表2 CompanyLogo 表1只考虑屋面活载 015kN m2 时屋架部分杆件的受力结果 CompanyLogo 表2只考虑屋面雪载 0 13kN m2 屋架部分杆件的受力结果 CompanyLogo 5 3 3倒塌分析 由以上现场调查 检查和计算结果可知 该屋架在仅承受恒载和 规范 GB50009 2001 规定的活载或仅承受恒载和雪载情况下 屋架下弦大部分杆件的应力超出该杆件的容许应力 屋架上弦大部分杆件的平面内 外稳定均不能满足承载要求 特别是在距跨中3m附近平面内 外稳定应力比最大 由以上分析可知 厂房倒塌的主要原因是屋架下弦大部分杆件的应力超出该杆件的容许应力 屋架上弦大部分杆件的平面内 外稳定均不能满足承载要求 在雪载作用下 屋架上弦杆件失稳及上 下弦杆件和腹杆的承载力失效造成屋盖塌落 引起墙体的倒塌 屋架焊缝的缺陷削弱了屋架的承载能力 CompanyLogo 5 4事故总结 结论 1 2 3 4 桁架方案的抗疲劳性能比较低 疲劳强度低 桁架方案不能充分发挥钢材强度 不利于采用高强度钢材 也没有发挥出桁架结构的优势 桁架方案的焊缝和连接很多 不容易保证加工质量 实腹式结构的附属结构发生疲劳破坏 吊车梁主体结构也不受影响 且容易维修 结构的使用寿命更长 CompanyLogo 不合理的施工管理 不合理的施工方案 不合理的结构形式 不合理的计算方法 设计孤立施工过程 荷载考虑不够全面 缺少对自然灾害预防 缺少对结构的保养 检测不够到