【《建筑钢结构工程事故原因分析及预防措施研究》9700字（论文）】

V引言钢结构工程的质量主要取决于深化设计、原材料、构件加工、构件安装、防腐涂料等因素。相较于其他结构类型，钢结构工程的优势明显，钢结构截面小，质量轻便，适于安装及运输，制造机械化程度高，具有良好的密封性，符合节能环保理念。钢结构构件间普遍选择铆钉、螺栓、焊缝进行连接，在建筑钢结构的生产、安装工作中，焊接工序是属于有否决权的工作环节，因此在工作中贯彻落实质量管理的理念[1]。在我国，钢结构工程的起步晚，新中国成立初期，我国钢铁产量很低，受到成本、工艺、技术等方面的影响，钢结构工程甚至出现了停滞不前的情况。在国民经济不断进步以后，钢结构也有了突破性的进展。现阶段我国钢结构工程仅占钢铁产量的4％，中国钢结构占全部建筑的比例不到5％，较发达国家仍有差距。钢结构工程在国家大力推行的装配式建筑占据着明显优势，因此钢结构工程有着很好的发展前景[2]。与此同时，作为未来建筑发展的最大潜力股,钢结构因其自重轻、塑性韧性好、强度高、优越的抗震性能、高度的工业装配化等优点成为继砖混结构、钢筋混凝土框架结构之后我国建筑行业的新宠。由于建筑行业生产过程复杂、作业条件恶劣、作业强度大、导致事故发生率较高。基于此，本文将借助典型的建筑钢结构工程事故案例分析了造成钢结构工程失效的原因，最后提出了预防建筑钢结构工程事故的措施：包括对于人员的预防措施、重视设计理论和工艺的开发和推广、加快建筑钢构工程的制作工艺及安装质量的改进、强调安全生产、文明施工、竣工验收的质量与安全控制等对策建议。通过本文的研究，希望能给建筑钢结构工程的进行提供一点参考借鉴。1建筑钢结构的特点分析1.1建筑钢结构的优点1.1.1钢结构的抗震性能钢结构具有良好的延性，可以减少脆性失效的风险，而且它的自重很轻，自身受到的地震作用很小，因此钢结构具有良好的抗震性能，特别是在高烈度的地震区，它的优势更加明显，而且它的安全性也很高。与此同时，钢结构本身抗震性能也好；房屋空间使用中功能也容易于改变、变更的灵活方便：给人带来居住的安全感和舒适感。钢结构强度高、刚度大、自重轻。根据计算同样载荷的受力体系的建筑钢结构与钢筋混凝土自重少，根据地震力=质量*地震加速度，故重量愈轻，地震力也减少，所以钢结构可以有效的对抗和忍耐地震力，大大的增加了住宅的安全度。1.1.2缩短施工时间建筑钢结构房屋梁柱的尺寸要比同等级钢筋混凝土结构的梁柱尺寸小，从而增加了房屋建筑空间；更有利的是让建筑工地上产生很少的垃圾，从而也避免建筑对社会环境的污染影响，减少垃圾的运输和处置，建筑钢结构建筑材料可重复循环利用。由于自重轻，也就很大程度减少基础工程工作从而降低了基础总的工程量，又由于施工周期短可以大大缩短投资资金的占用时间，加快资金周转和资金使用效率，从而增加投资效益。例如：中型建筑钢结构厂房从加工生产到施工安装2个月即可完成（钢筋混凝土结构至少需要10个月，北方寒冷的冬季施工无法完成）。1.1.3实现标准化、工厂化、模块化施工建筑钢结构件及其配套技术的零部件大部分可在工厂生产，质量易于保证，便于标准化和推广。钢结构住宅项目在整个建造过程中，在工地现场不用搭设脚手架、不用安装模板，不用考虑环保而顾及的工地扬尘，使用很少的工人配合吊装设备可以一次性实现四层楼房屋连续施工安装。在施工过程中所有现场的建筑构配件工作可以在室内工厂进行预制加工，室内确保了工作环境舒适方便，更加保证了钢结构工程质量，工厂内预制工作完成后，安排现场统一吊装建筑构配件安装工作由设备和机器人来完成危险复杂的繁重的工作，确保施工工人的安全。所有质量和安全的计算和施工设计控制都由计算机完成。建筑钢结构对梁高及柱间跨度比普通钢筋混凝土结构大的多，普通钢筋混凝土的梁高及跨度比约为1：12，而建筑钢结构梁高和跨度比为1：24，并可以提高建筑面积使用率。减少建筑用地保护国家土地资源，比较容易拆迁；它具有造型美观、用途广泛、适用于不同气候条件和大气环境的优点。工地工作噪声粉尘相对较少，符合环保要求，适合于城市繁忙地区的施工，不允许施工周期过长，混凝土等建筑材料运输不方便。目前，钢结构建筑的直接造价略高于混凝土结构，但从长远看，建筑钢结构建筑物产生的综合效益要比传统的建筑石、木、钢筋混凝土结构大的多，更容易进行工厂、标准化、模块化在工厂设计制作，制作完成质量验收合格后运到施工现场安装。建筑钢结构制作生产的规模化、标准化、工厂化、专业化施工的特点，使其成为目前全世界建筑工业化发展最好的结构和材料应用。建筑钢结构工程产业建设模式和传统的木结构和钢筋混凝土结构建造方式有很大区别，在建筑钢结构工程施工过程不同、上下游生产企业也不相同、甚至工程建设管理过程与市场经营管理运作模式也具有很大的差异。工业化模式建成使用开放的刻板印象预制建筑系统，或者研究设计建筑钢结构时候就根据建设投资单位的需求和建筑使用功能的要求，可以研究设计成模块化、标准化、规模化，选择和调整适应建筑属地化地方标准和模块化的各种建筑钢结构预制件和生产各种施工配套产品。通过现代商品定制的物流方式，运用专业运输和吊装设备在施工现场进行机械化安装作业，按照标准和规范制定处理各钢连接件施工工艺，完成并形成先进的设计使用功能的钢结构建筑物，确保现场施工的建筑工程施工过程的工人施工作业的安全和工程实体质量达到优良水平。1.1.4节约资源、绿色环保中国现在推行引导导的绿色建筑就是在建筑物的使用年限内，尽可能地节约资源、不污染环境和减少噪音和垃圾，为人们提供健康舒适愉快的工作环境和生活环境，并且提供适用和高效的多功能使用空间，与自然和谐共生的绿色环保的办公和家居的房屋建筑。大部分建筑钢结构建筑材料可以回收再利用，因此建筑钢结构作为一种环保、能再生利用用的减少建筑垃圾的重要建筑结构，广泛应用建筑钢结构工程可以节约能源、节约用地，可以满足建设资源节约型社会的政策导向，体现了建筑钢结构工业化、规模化、标准化的发展趋势。1.2钢结构建筑的缺点1.2.1易腐蚀钢结构建筑常见的防腐构造问题主要受到气候环境和钢结构建筑整体发展水平的影响。特别是东南沿海地区多位于北回归线以北，属于夏热冬暖的海洋性季风气候，其四季分明、雨量充沛，光照充足。地区的年平均气温为17~21℃，年平均降雨量高达1400mm~2000mm。地区距离海洋的直线距离非常近，许多县市处于海岛环境中，高温高湿高盐分的环境是促进其钢结构受锈蚀的重要原因。其次，除了设计缺陷外，施工缺陷、维护缺失也会对钢结构建筑的防腐带来不利影响。在钢结构进行施工组装时，常因为施工失误导致其耐腐蚀性能下降。如钢结构建筑在进行组装前的除锈时，因除锈不完全或除锈后没有立即刷涂防腐底漆而导致防腐涂料功效下降的情况非常普遍。又如因为施工问题导致钢结构漏水生锈的情况屡见不鲜。这些施工缺陷对钢结构建筑的使用寿命都十分不利，它直接导致了钢结构维护周期缩短、维护费用增加。1.2.2耐火性能较差虽然钢材是非易燃的建材，但是其力学特性，如弹性模量、屈服、拉伸强度等，都会随着高温而下降。当温度在150℃以下时，钢材性质变化很小。因而钢结构适用于热车间，但钢结构表面一旦受到超过150℃的热辐射时，要采用隔热板加以保护。温度在300℃-400℃时。钢材强度和弹性模量均显著下降，温度在600℃左右时，钢材的强度趋于零。在有特殊放火需求的建筑中，钢结构必须采用耐火材料加以保护以提高耐火等级。2建筑钢结构工程事故案例及其原因分析2.1工程事故12.1.1魁北克钢桥垮塌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。2.1.2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。2.1.3事故警示由于没有明确的管理体系，魁北克钢桥的负责人库珀拥有了最终决定权。尽管生病无法到施工现场，仍决定所有关键问题。于是施工现场没有人监督和做决定，特别是当结构不安全需要停工时。一旦有需要，现场管理人员应彼此商量，然后做出决定，这样很少会出现决定延迟执行的情况。皇家委员会调查报告中写道：很明显，这座世界上最宏伟桥梁的建造过程中，竟然没有一个有足够经验、专业知识和能力的人应对可能出现的危机。调查委员会怀疑压杆A9L由于其格构设计不合理而屈曲，于是在1907年11月到1908年1月进行了压杆（1／3比例）模型试验。魁北克桥压杆由4块钢板和缀条组成，形成组合截面（。由于铆钉受剪破坏，试验中格构体系迅速破坏，接着弦杆便屈曲了，结果证实了调查委员会的猜想：弦杆强度不够。4个独立钢板彼此连接强度不够，无法形成一个整体受力单元，这也成为了魁北克钢桥垮塌的主要原因。魁北克桥还涉及以下几个工程管理问题。首先最主要的是长时间以来结构变形情况一直被忽视。现场工程师对其原因也争论很久。工人们虽然缺乏专业的技术知识，但似乎是唯一真正知道桥梁结构问题的群体，因此工程师必须虚心听取现场有经验工人的意见。其次是库珀拒绝其他工程师的复核工作。复核后工程师可能不会允许结构的实际应力如此之高，而其他一些错误，如低估自重等更应该在桥梁垮塌前就被发现.2.2工程事故22.2.1哈特福德城体育馆网架失稳哈特福德体育馆，于1978年1月，在持续暴风雪的夜里，屋盖网架整体垮塌。所幸当时场馆内没有人，1400吨钢材、石膏板吊顶和建筑屋面砸在1万个空座位上。图2哈特福德体育馆网架垮塌哈特福德体育馆的结构形式为类似正放四角锥的空间网架，由屋盖四角的立柱点式支承，跨度91x110米，网格尺寸约9米（偏大）。工程师将屋面板支托设在网架节点，既有利于控制屋面排水坡度，也使得上弦杆不必承受节间弯矩。自从贝尔提出网架四角锥单元的结构稳定性，并用于建造瞭望塔以后，网架这种效率高、稳定性好的形式被广泛用于大跨度空间结构。哈特福德体育馆网架的上弦杆件是由四块角钢组成的十字形截面，施工组装十分方便，节省造价。网架拼装时，考虑到施工便利性，对设计作了修改，将斜撑与十字截面的弦杆通过节点板偏心连接。网架构件组装后，安装设备管道，然后将屋盖整体提升。2.2.2事故原因1.设计原因设计上最严重的错误是网架的所有上弦压杆没有足够的支撑，致使压杆稳定承载力不足。原设计假定上弦杆及斜腹杆在中点都有再分杆作为支撑，上弦杆的计算长度是网格的一半，即4.57m（图3a）。同时，网格中点的屋面荷载假定由再分杆传递，上弦杆都是中心受压，不承受弯矩。然而，实际上由于再分杆没有真正起支撑作用，使上弦杆的承载能力大大消弱，其中最严重的是在网架周边的上弦杆。因为外圈东西向上弦杆，只有一侧有再分杆，在再分杆平面内还能起支撑作用，而在垂直于该平面的方向，上弦没有任何约束，实际计算长度是原假定的两倍（图3b），其承载能力也降低为原设计的1/3；外圈南北向上弦杆，在中点虽有立柱和檩条，但在再分杆平面外也起不了支撑作用，反而引进了屋面的集中荷载，使上弦杆产生弯矩，并在竖直与水平两个方向挠曲，其承载力只有原设计的1/10，以至个别杆件在网架提升前已开始压曲而产生明显的变形；中间部分东西向上弦杆，虽然两侧都有再分杆，但由于再分斜杆交点与上弦轴线有偏心，加上9.5mm厚的连接板比较柔，再分杆不能对上弦杆有效地加以约束，上弦杆的承载能力降低一半（图3c）。图3上弦压杆屈曲倒塌的另一个重要原因，是作用在网架结构上的总荷载低估了20%，其中包括低估了钢结构自重，改用了较重的屋面，增加了许多马道及悬吊荷载，原设计均布荷载为3.42KN/㎡，而核实后的荷载为4.08KN/㎡。对网架进行的极限荷载分析表明，屋盖自重再加上0.73～0.98KN/㎡,就达到网架结构的极限荷载，根据屋盖倒塌那天的气象资料，屋盖雪荷载估计在0.58～0.98kN／㎡范围内。

网架中十字形截面压杆扭转屈曲也是引起网架破坏的主要原因。对大多数截面形式的压杆，扭转失稳不起控制作用，但十字形截面压杆则不同，根据扭转屈曲理论．推导出的十字形压杆的临界扭转应力，发现大部分情况下是由此应力起控制作用。由于设计者没有注意到这一点，使得压杆实际承载力比设计值低。倒塌的网架中，大量十字形杆件都呈现扭曲现象。静力分析表明，在静载作用下，会有74根杆件产生压曲，如将这些杆件的两端节点上加上临界压力，杆件截面积减小到一个很小的值，再进行计算，求得网架中心挠度为29.7cm，接近施工时所测到的30～33cm，进行的总承载能力计算估计还能增加0.58～0.73kN／㎡，也接近于屋盖倒塌时屋面的积雪荷载。图4哈特福德体育馆垮塌现场图哈特福特体育馆的屋盖体系将屋面系统与网架分开，应该说是一个设计上的缺陷。由檩条、屋面板等组成的屋面系统，在水平面内是一个刚度很大的盘体，如果屋面设在网架上弦平面内，可以对网架起一定的支撑作用，而屋面抬高之后削弱了这种作用，同时，传到屋面上的风力只有通过立柱才能传到上弦平面，因而在上弦节点引起弯矩，虽然分配到每一根立柱上的水平力不大，但终究对网架是不利的。2.施工原因施工管理混乱、质量控制不严，对网架的倒塌也有影响。1973年1月网架提升完成后，网架中点挠度在其自重下为21.3cm，而按原设计应只有9.4cm，屋面全部施工完毕，在没有活载的情况下挠度达到30—33cm，按设计则为19cm。虽然按实际荷载复核，挠度比原设计大，但与实际数值也有很大差别。这种过大的变形在施工安装时已引起问题，例如在网架加屋面荷载后，与网架相连的外墙板骨架在安装时就不易吻合，必须用氧气切割和现场焊接才能安上，说明网架已出现了严重的偏差，然而当时在场的施工和检查人员都没有过问。2.2.3事故警示（1）网架节点有多根杆件汇集，连接比较复杂，因此节点设计的好坏是网架的关键问题。然而人们往往注意计算分析而忽略了节点构造，节点设计得不好容易引起偏心，使杆件和节点受弯。（2）尽量保持屋盖的整体性，一般情况下应避免用立柱起坡，如果采用立柱，更应注意网架上弦的稳定问题。（3）网架中采用再分杆，应注意由此引起的计算和构造问题，再分杆用作网架支撑要具有一定的刚度。对大跨度网架来说，再分杆不是次要构件，不宜采用单角钢。（4）施工中，要严格进行质量检查，并注意几何尺寸的测量和记录，在工程建成后，也应定期测量网架的挠度与支座位移。3建筑钢结构事故的预防措施3.1对于人员的预防措施强化建筑钢结构项目质量的有效控制，关键是领导重视，全员参与。领导在项目的质量管理中起着举足轻重的作用，只有领导重视质量管理的各项活动，才能有效开展。加强质量管理的有效实施，涉及公司的各个部门，需要全体员工的共同参与，因此，建筑钢结构项目在实施质量管理改进方案之前，必须对全体员工进行培训，提高他们的质量意识，为实施质量管理改进方案做好准备，使各级员工成为企业的主体。质量控制是深入每一个员工的血液，对质量的控制，是每一个员工必须承担的责任，如果发现某个工序中出现了问题，不能积极解决，只解决眼前的困难，不能长远的考虑，只治标不治本，同样的问题还会反复出现，只有从根本上解决，才能真正做到质量管理。因此，必须树立质量管理意识，从各级领导到员工都要树立质量文化，从根本上改善质量问题，真正做到领导重视，全员参与。3.2重视设计理论和工艺的开发和推广为了产业的技术研究工作提供有效的指导，我们需要对于钢结构领域的有关技术进行、综合和深入地研究，了解材料和工艺方面的问题。我国政府部门可出面处理，推动钢结构领域中实力较强的企业携手共建科研水平较高，同时能力较强的技术中心企业，以先进技术和理论等为目标，进行科研攻关，构建更综合的理论体系和工艺方法。在此基础上，完善了钢结构行业相关标准，同时也完善了规范，保障钢结构产业的健康稳定发展，能够得到有力的技术支撑。同时，我们有必要增加有关软件系统在设计期间的应用和发展，这样才能保证进行建筑钢结构工程设计的时候，效率和水平都能得到进一步提高，同时保证了设计工作的更方便，还能够使设计人员在实际设计时，能动地选择各种钢结构。同时加强对技术人员及专业人员知识技能的教育培训，着力建设具有专业设计人员的设计队伍、由专业施工人员和专业检测人员组成专业化团队。3.3加快建筑钢结构工程的制作工艺及安装质量的改进钢结构基础工程的质量控制一般指钢结构基础预埋螺栓的质量控制，预埋螺栓是整个工程施工的第一步，也是非常关键的一步，是整个工程的基础。施工基础预埋螺栓时首先熟悉图纸，了解图纸的意图，应制作安装模板。预埋螺栓用两安装模板及钢筋定位在柱子的主筋和模板上，保证预埋螺栓不受土建浇注混凝土施工而移位。这样每组螺栓之间的间距、高低可控制在允许的误差范围内；同时，保护好螺栓丝扣，在混凝土浇筑时不被损坏。土建工程完工后，用经纬仪和水准仪对地脚螺栓的标高、轴线进行复查，并做好记录。并交下一道工序验收。钢结构工程的施工通常要经过工厂制作和现场安装两个阶段。钢结构工程有大部分时间是在工厂车间内部进行，由于钢结构构件在工厂内加工制造的质量好坏，对钢结构工程的现场安装及整体结构的安全稳定至关重要。因此钢结构制作生产厂家必须具备相应企业资质、生产规模、技术能力、机械设备及先进的工艺水平。钢结构一般制作工艺流程分为:放样→下料→拼板→切割→组立→埋弧焊接→钻孔→组装→矫正成型→铆工零配件下料→制作组装→焊接和焊接检验→防锈处理、涂装、编号→构件验收出厂。在钢结构制作中，应根据钢结构制作工艺流程，抓住关键工序进行质量控制，如控制关键零件的加工，主要构件的工艺、措施，所采用的加工设备、工艺装备等。在钢结构制作和安装工程工程中焊接工程是最重要的环节，必须重视焊接工程质量控制。目前，钢结构在生产过程中大部分采用具自动埋弧焊机，部分具备半自动气体保护焊机，个别部位采用手工施焊。焊接质量问题较多存在于手工焊缝，这些问题有：焊瘤、夹渣、气孔、没焊透、咬边、错边、焊缝尺寸偏差大、不用引弧板、焊接变形不矫正、飞溅物清理不净等。鉴于这种情况，钢结构施焊前，对焊条的合格证要进行检查，按说明书要求使用，焊工必须持证上岗证，焊缝表面不得有裂纹、焊瘤，一、二级焊缝不得有气孔、夹渣、弧坑裂纹，一级焊缝不得有咬边、未满焊等缺陷，一、二级焊缝按要求进行无损检测，在规定的焊缝及部位要检查焊工的钢印。不合格的焊缝不得擅自处理，定出修改工艺后再处理，同一部位的焊缝返修次数不宜超过2次。3.4强调施工组织安全生产、文明施工施工组织设计是施工单位编制的指导工程施工全过程各项活动的重要综合性技术文件，是一个科学的管理方法。施工单位在编制施工组织和施工方案时，须从人、机、料、法、环五个方面制定切实可行的具体实施细则，落实计划，落实组织人员，落实自检、互检和专检，把容易出现的质量问题全部纳入受控状态，确保方案技术措施得力、可行。在编制和贯彻施工组织设计过程中应做到广泛深入的研究，向施工人员交底，做到人人把关。钢结构工程要针对制作阶段和安装阶段分别编制制作工艺和安装施工组织设计。其中制作工艺内容应包括制作阶段各工序、各分项的质量标准、技术要求，以及为保证产品质量而制订的各项具体措施。钢结构安装工程施工组织设计内容有质量保证体系和技术管理体系的建立、质量、进度控制的措施和方法、施工工期的安排等。3.5竣工验收的质量与安全控制试验检查是指必须通过试验手段，才能对质量进行判断的检查方法。如对需复验的钢材进行机械性能试验和化学分析、焊接工艺评定的试验、焊接拖带试板试验、高强度螺栓连接副试验、摩擦面的抗滑系数试验等。表5-1质量与安全控制程序序号作业程序名称质量控制内容1原材料、钢构件等的检查核对材质规格，出厂证明书检查，各部尺寸的测量，构件外观检查，必要的理化试验2堆存内运外观检查，防变形措施3基础复测水平线，柱轴线4垫板设置填实情况，尺寸位置，固定情况5吊装就位与调整吊装垂直度、水平度，位移偏差等尺寸检查6高强度螺检连接试验报告，初拧与终拧扭矩，摩擦面的处理情况，终拧后的检查7焊接页热情况，焊渣清除，焊道尺寸，焊接缺陷与处理，必要的理化试验和无损检测8矫正网架纠偏措施实施情况9实测记录实测数据核实认证10除锈表面清洁度，外观油污等11涂装测定干膜厚度，气候情况，补漆处的处理等12交工验收资料准备情况，实物质量情况4结论与展望本文从实际建筑钢结构工程案例出发，总结了建筑钢结构工程施工过程中的相应经验和意见，以便更好地减少钢结构工程事故发生，并提出了一