钢结构的失稳事故

第7章钢结构的失稳事故7.1失稳概念失稳也称为屈曲，是指钢结构或构件丧失了整体稳定性或局部温度性，属承载力极限状态的范围。就钢结构的基本构建而言，可分为轴心受力构件、受弯构件和偏心受力构建三大类。其中轴心受拉构件和偏心受拉构件不存在稳定问题，其余构件除强度、刚度外，稳定问题是重点问题。7.2失稳的类型和特点1.平衡分岔失稳分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳2.极值点失稳建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力。3.跃越失稳即无平衡分岔点，又无极值点，结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，其间出现很大变形。1.平衡分岔失稳完善的(即无缺陷、挺直的)轴心受压构件和完善的中面受压平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题。属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等。平衡分岔失稳也叫分支点失稳，还可称为第一类稳定问题。它可分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳两种。(1)稳定分岔失稳这类屈曲的特点是有一稳定的平衡状态，结构在到达临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无限邻近的屈曲平衡位形，即由直杆而出现微弯。此后变形的进一步加大，要求荷载增加。如图，直杆轴心受压和平面在中面受压都属于此类情况，板有较显著的屈曲后强度，目前在门式刚架设计中已得到利用。(2)不稳定分岔失稳结构屈曲后只能在远比临界荷载低的荷载下维持平衡位形。例如承受均匀轴向荷载的柱壳；承受均匀外压力的全球壳；缀条柱；薄壁型钢方管压杆等(如图)。此类屈曲也叫“有限干扰屈曲”，因为在有限干扰作用下，在达到分岔屈曲荷载前就可能由半屈曲平衡位形转到非邻近的屈曲平衡位形。在此强调一点，稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳对缺陷的敏感性截然不同。图中虚线所示的是构件有几何缺陷时荷载与变形关系。稳定分岔失稳虽有缺陷，但荷载仍然可以高于临界值；而不稳定分岔失稳，荷载的极低值比无缺陷时大幅度降低。因此不稳定分岔失稳对缺陷特别敏感。设计该类结构时若无视缺陷影响，必将带来严重后果。2.极值点失稳极值点失稳也称为第二类稳定问题，如图。具有极值点失稳的偏心受压构件的荷载挠度曲线只有极值点B，没有出现如理想轴压构件那样在同一点存在两种不同变形状态的分岔点，构件弯曲变形的性质没有改变，故此失稳称为极值点失稳。它是指用建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力。像双向受弯构件、双向弯曲压弯构件的弹塑性弯扭失稳都属于极值点失稳。对于实际的轴压构件，由于初弯曲、初偏心等几何缺陷的存在也应属于偏心受压构件的范畴。因此极值点失稳现象十分普遍。3.跃越失稳此类屈曲的特点是：既无平衡分岔点，又无极值点，但和不稳定分岔失稳又有一些相似之处。其结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，其间出现很大的变形，且都是从丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡，然后重新获得稳定平衡。属于此类失稳的有铰接坦拱、扁壳、扁平的网壳结构等。此类屈曲虽然在发生跃越后荷载可以大于临界值，但实际工程中不允许出现这样大的变形。由于过大的变形会导致结构破坏．故应该以临界荷载作为承载的极限。7.3失稳破坏的原因分析稳定问题是钢结构最突出的问题，长期以来，许多工程技术人员对强度概念认识清晰，对稳定概念认识淡薄，并且存在强度重于稳定的错误思想。因此，在大量的接连不断的钢结构失稳事故中付出了血的代价，得到了严重的教训。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。7.3.1整体失稳事故原因分析设计错误，制作缺陷，临时支撑不足，使用不当7.3.2局部失稳事故原因分析设计错误，构造不当，原始缺陷，吊点位置不合理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；只验算基本构件的稳定，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。7.3.1整体失稳事故原因分析2.制作缺陷制作缺陷通常包括构件的初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及焊接产生的残余变形等。这些缺陷将对钢结构的稳定承载力产生显著影响。7.3.1整体失稳事故原因分析3．临时支撑不足钢结构在安装过程中，尚未完全形成整体结构之前，属几何可变体系，构件的稳定性很差。因此必须设置足够的临时支撑体系来维持安装过程中的整体稳定性。若临时支撑设置不合理或者数量不足，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。7.3.1整体失稳事故原因分析4.使用不当结构竣工投人使用后，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；意外的冲击荷载等等。7.3.1整体失稳事故原因分析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。7.3.2局部失稳事故原因分析2.构造不当通常在构件局部受集中力较大的部位，原则上应设置构造加劲肋。另外，为了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。7.3.2局部失稳事故原因分析3.原始缺陷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。7.3.2局部失稳事故原因分析4.吊点位置不合理在吊装过程中，尤其是大型的钢结构构件，吊点位置的选定十分重要。吊点位置不同，构件受力的状态也不同。有时构件内部过大的压应力将会导致构件在吊装过程中局部失稳。因此，在钢结构设计中，针对重要构件应在图纸中说明起吊方法和吊点位置。7.3.2局部失稳事故原因分析7.4失稳事故的处理与防范当钢结构发生整体失稳事故而倒塌后，整个结构已经报废，事故的处理已没有价值，只剩下责任的追究问题；但对于局部失稳事故可以采取加固或更换板件的做法。钢结构失稳事故应以防范为主，以下原则应该遵守。1.设计人员应强化稳定设计理念2.制作单位应力求减少缺陷3.施工单位应确保安装过程中的安全4.使用单位应正确使用钢结构建筑物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)强度问题通常采用一阶分析，而稳定问题原则上应采用二阶分析。(5)叠加原理适用于强度问题，不适用于稳定问题。(6)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士协商，不得擅自增加负荷或改变构件受力。总之，通过各方的共同努力，钢结构失稳事故可以从根本上得到解决。7.5典型事故实例分析例7.1加拿大魁北克大桥因失稳而坠毁1907年，在加拿大境内首次建造的三跨悬臂桥，该桥的两个边跨各长152.4m，中跨长548.64m，中跨包括了由两个边跨各悬伸出的长度为714.45m的杆系结构。岂料在架桥过程中，悬伸出的由四部分分肢组成的格构式组合截面的下弦压杆，因新设置的角钢缀条过于柔弱，四个角钢缀条总的截面积只占构件全截面面积的11％。因此缀条不能有效地将四部分分肢组成具有足够抗弯刚度的受压弦杆，组装好的钢桥在合龙之前，挠度的发展已无法控制，分肢屈曲在先，随之弦杆整体失稳，9000t重的钢桥全部坠人河中，有75名员工遇难。该桥重建时，曾于1916年因施工问题又一次发生倒塌事故。例7.2美国哈特福特城的体育馆因压杆失稳而倒塌1.工程简介及事故概况美国东部康乃狄克州啥特福特市的一座体育馆，采用四柱支承的正放四角锥网架，网格为9.14mx9.14m，高6.5m。网架每边从柱挑出13.71m。网架主要杆件由四个等肢角钢组成十字形截面，根据承重需要，最大角钢为L203×22，最小为L89×8，再分式腹杆为单角钢L127×8。肢宽152mm发203mm的角钢采用A572(屈服点为350N/mm2)，其他较小的角钢采用A36(屈服点为250N/mm2)，杆件采用高强螺栓连接。在构造上，网架上弦及腹杆中心线交于一点，而再分斜杆与上弦则通过由十字截面伸出的钢板相连接。此钢板弯成角度，结果使再分斜杆中心线交点与上弦中心线有30cm的偏差（如图）。1978年1月，美国东部下了一场暴风雪，事故发生前一个星期哈特福特市还不断下着雪和雨，造成了体育馆建成后最大的积雪荷载。18日凌晨，体育馆突然发出一阵隆隆响声，接着整个屋盖塌落，中间部分下凹像个锅底，四角悬挑部分则向上翘起。(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457m。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到支撑作用，使上弦杆的承载能力大大削弱，其中最严重的是在网架周边的上弦杆。倒塌的另一个重要原因，是作用在网架结构上的总荷载被低估了20％。原设计均布荷载为3.42kN/m2，而核实后的荷载为4.08kN/m2。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/m2，就可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/m2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。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，求得的网架中心挠度为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/m2，也接近于屋盖倒塌时屋面的积雪荷载。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。原设计在网架分析计算中仅考虑上下弦杆及斜腹杆，屋面荷载作用于上弦网格节点上，上弦压杆只承受轴向力。如果在分析中将再分杆考虑进去，就会暴露出新的问题。这时如将上弦中点与再分杆作为铰接点连接，将出现几何可变，分析结果毫无意义；如将上弦中点与再分杆作为刚性连接，则必然在上弦引起弯矩。(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。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。由于主要杆件的长度都相等，事后检查发现有好几起杆件代用以及相互替换的错误。连接用螺栓的大小及型号也有混用情况。3.经验教训(1)网架节点有多根