鋼結(jié)構的失穩(wěn)事故

第7章鋼結(jié)構的失穩(wěn)事故第一頁，共三十八頁。7.1失穩(wěn)概念

失穩(wěn)也稱為屈曲，是指鋼結(jié)構或構件喪失了整體穩(wěn)定性或局部溫度性，屬承載力極限狀態(tài)的范圍。

就鋼結(jié)構的基本構建而言，可分為軸心受力構件、受彎構件和偏心受力構建三大類。其中軸心受拉構件和偏心受拉構件不存在穩(wěn)定問題，其余構件除強度、剛度外，穩(wěn)定問題是重點問題。第二頁，共三十八頁。7.2失穩(wěn)的類型和特點1.平衡分岔失穩(wěn)

分為穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)極值點失穩(wěn)

建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發(fā)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的承載能力。躍越失穩(wěn)

即無平衡分岔點，又無極值點，結(jié)構由一個平衡位形突然跳到另一個平衡位形，其間出現(xiàn)很大變形。第三頁，共三十八頁。平衡分岔失穩(wěn)完善的(即無缺陷、挺直的)軸心受壓構件和完善的中面受壓平板的失穩(wěn)都屬于平衡分岔失穩(wěn)問題。屬于這一類的還有理想的受彎構件以及受壓的圓柱殼等。平衡分岔失穩(wěn)也叫分支點失穩(wěn)，還可稱為第一類穩(wěn)定問題。它可分為穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)兩種。第四頁，共三十八頁。

(1)穩(wěn)定分岔失穩(wěn)這類屈曲的特點是有一穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，結(jié)構在到達臨界狀態(tài)時，從未屈曲的平衡位形過渡到無限鄰近的屈曲平衡位形，即由直桿而出現(xiàn)微彎。此后變形的進一步加大，要求荷載增加。如圖，直桿軸心受壓和平面在中面受壓都屬于此類情況，板有較顯著的屈曲后強度，目前在門式剛架設計中已得到利用。第五頁，共三十八頁。

(2)不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)結(jié)構屈曲后只能在遠比臨界荷載低的荷載下維持平衡位形。例如承受均勻軸向荷載的柱殼；承受均勻外壓力的全球殼；綴條柱；薄壁型鋼方管壓桿等(如圖)。此類屈曲也叫“有限干擾屈曲”，因為在有限干擾作用下，在達到分岔屈曲荷載前就可能由半屈曲平衡位形轉(zhuǎn)到非鄰近的屈曲平衡位形。第六頁，共三十八頁。在此強調(diào)一點，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。圖中虛線所示的是構件有幾何缺陷時荷載與變形關系。穩(wěn)定分岔失穩(wěn)雖有缺陷，但荷載仍然可以高于臨界值；而不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)，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。設計該類結(jié)構時若無視缺陷影響，必將帶來嚴重后果。第七頁，共三十八頁。

2.極值點失穩(wěn)極值點失穩(wěn)也稱為第二類穩(wěn)定問題，如圖。具有極值點失穩(wěn)的偏心受壓構件的荷載撓度曲線只有極值點B，沒有出現(xiàn)如理想軸壓構件那樣在同一點存在兩種不同變形狀態(tài)的分岔點，構件彎曲變形的性質(zhì)沒有改變，故此失穩(wěn)稱為極值點失穩(wěn)。它是指用建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發(fā)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的承載能力。像雙向受彎構件、雙向彎曲壓彎構件的彈塑性彎扭失穩(wěn)都屬于極值點失穩(wěn)。對于實際的軸壓構件，由于初彎曲、初偏心等幾何缺陷的存在也應屬于偏心受壓構件的范疇。因此極值點失穩(wěn)現(xiàn)象十分普遍。第八頁，共三十八頁。3.躍越失穩(wěn)此類屈曲的特點是：既無平衡分岔點，又無極值點，但和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)又有一些相似之處。其結(jié)構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，且都是從喪失穩(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致結(jié)構破壞．故應該以臨界荷載作為承載的極限。第九頁，共三十八頁。7.3失穩(wěn)破壞的原因分析

穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構最突出的問題，長期以來，許多工程技術人員對強度概念認識清晰，對穩(wěn)定概念認識淡薄，并且存在強度重于穩(wěn)定的錯誤思想。因此，在大量的接連不斷的鋼結(jié)構失穩(wěn)事故中付出了血的代價，得到了嚴重的教訓。鋼結(jié)構的失穩(wěn)事故分為整體失穩(wěn)事故和局部失穩(wěn)事故兩大類，其各自產(chǎn)生的原因如下。第十頁，共三十八頁。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析

設計錯誤，制作缺陷，臨時支撐不足，使用不當7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析設計錯誤，構造不當，原始缺陷，吊點位置不合理第十一頁，共三十八頁。

1.設計錯誤設計錯誤主要與設計人員的水平有關。如缺乏穩(wěn)定概念；穩(wěn)定驗算公式錯誤；只驗算基本構件的穩(wěn)定，忽視整體結(jié)構的穩(wěn)定驗算；計算簡圖及支座約束與實際受力不符，設計安全儲備過小等等。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析第十二頁，共三十八頁。2.制作缺陷制作缺陷通常包括構件的初彎曲、初偏心、熱軋冷加工以及焊接產(chǎn)生的殘余變形等。這些缺陷將對鋼結(jié)構的穩(wěn)定承載力產(chǎn)生顯著影響。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析第十三頁，共三十八頁。

3．臨時支撐不足鋼結(jié)構在安裝過程中，尚未完全形成整體結(jié)構之前，屬幾何可變體系，構件的穩(wěn)定性很差。因此必須設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。若臨時支撐設置不合理或者數(shù)量不足，輕則會使部分構件喪失穩(wěn)定，重則造成整個結(jié)構在施工過程中倒塌或傾覆。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析第十四頁，共三十八頁。

4.使用不當結(jié)構竣工投人使用后，使用不當或意外因素也是導致失穩(wěn)事故的主因。例如，使用方隨意改造使用功能；改變構件的受力狀態(tài)；由積灰或增加懸吊設備引起的超載；基礎的不均勻沉降和溫度應力引起的附加變形；意外的沖擊荷載等等。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析第十五頁，共三十八頁。1.設計錯誤設計人員忽視甚至不進行構件的局部穩(wěn)定驗算，或者驗收方法錯誤，致使組成構件的各類板件寬厚比和高厚比大于規(guī)范限值。7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析第十六頁，共三十八頁。2.構造不當通常在構件局部受集中力較大的部位，原則上應設置構造加勁肋。另外，為了保證構件在運轉(zhuǎn)過程中不變形也須設置橫隔、加勁肋等。但實際工程中，加勁肋數(shù)量不足、構造不當?shù)默F(xiàn)象比較普遍。7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析第十七頁，共三十八頁。3.原始缺陷原始缺陷包括鋼材的負公差嚴重超規(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。7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析第十八頁，共三十八頁。4.吊點位置不合理在吊裝過程中，尤其是大型的鋼結(jié)構構件，吊點位置的選定十分重要。吊點位置不同，構件受力的狀態(tài)也不同。有時構件內(nèi)部過大的壓應力將會導致構件在吊裝過程中局部失穩(wěn)。因此，在鋼結(jié)構設計中，針對重要構件應在圖紙中說明起吊方法和吊點位置。7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析第十九頁，共三十八頁。7.4失穩(wěn)事故的處理與防范當鋼結(jié)構發(fā)生整體失穩(wěn)事故而倒塌后，整個結(jié)構已經(jīng)報廢，事故的處理已沒有價值，只剩下責任的追究問題；但對于局部失穩(wěn)事故可以采取加固或更換板件的做法。鋼結(jié)構失穩(wěn)事故應以防范為主，以下原則應該遵守。設計人員應強化穩(wěn)定設計理念制作單位應力求減少缺陷施工單位應確保安裝過程中的安全使用單位應正確使用鋼結(jié)構建筑物第二十頁，共三十八頁。1.設計人員應強化穩(wěn)定設計理念防止鋼結(jié)構失穩(wěn)事故的發(fā)生，設計人員肩負著最重要的職責。強化穩(wěn)定設計理念十分必要。

(1)結(jié)構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。

(2)結(jié)構穩(wěn)定計算方法的前提假定必須符合實際受力情況，尤其是支座約束的影響。

(3)構件的穩(wěn)定計算與細部構造的穩(wěn)定計算必須配合，尤其要有強節(jié)點的概念。

(4)強度問題通常采用一階分析，而穩(wěn)定問題原則上應采用二階分析。

(5)疊加原理適用于強度問題，不適用于穩(wěn)定問題。(6)處理穩(wěn)定問題應有整體觀點，應考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相關影響。第二十一頁，共三十八頁。2．制作單位應力求減少缺陷在常見的眾多缺陷中，初彎曲、初偏心、殘余應力對穩(wěn)定承載力影響最大，因此，制作單位應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。第二十二頁，共三十八頁。3.施工單位應確保安裝過程中的安全施工單位只有制定科學的施工組織設計，采用合理的吊裝方案，精心布置臨時支撐，才能防止鋼結(jié)構安裝過程中失穩(wěn)，確保結(jié)構安全。第二十三頁，共三十八頁。

4.使用單位應正常使用鋼結(jié)構建筑物一方面，使用單位要注意對已建鋼結(jié)構的定期檢查和維護；另一方面，當需要進行工藝流程和使用功能改造時，必須與設計單位或有關專業(yè)人士協(xié)商，不得擅自增加負荷或改變構件受力?？傊?，通過各方的共同努力，鋼結(jié)構失穩(wěn)事故可以從根本上得到解決。第二十四頁，共三十八頁。7.5典型事故實例分析第二十五頁，共三十八頁。例7.1加拿大魁北克大橋因失穩(wěn)而墜毀

1907年，在加拿大境內(nèi)首次建造的三跨懸臂橋，該橋的兩個邊跨各長152.4m，中跨長548.64m，中跨包括了由兩個邊跨各懸伸出的長度為714.45m的桿系結(jié)構。豈料在架橋過程中，懸伸出的由四部分分肢組成的格構式組合截面的下弦壓桿，因新設置的角鋼綴條過于柔弱，四個角鋼綴條總的截面積只占構件全截面面積的11％。因此綴條不能有效地將四部分分肢組成具有足夠抗彎剛度的受壓弦桿，組裝好的鋼橋在合龍之前，撓度的發(fā)展已無法控制，分肢屈曲在先，隨之弦桿整體失穩(wěn)，9000t重的鋼橋全部墜人河中，有75名員工遇難。該橋重建時，曾于1916年因施工問題又一次發(fā)生倒塌事故。第二十六頁，共三十八頁。例7.2美國哈特福特城的體育館因壓桿失穩(wěn)而倒塌第二十七頁，共三十八頁。

1.工程簡介及事故概況美國東部康乃狄克州啥特福特市的一座體育館，采用四柱支承的正放四角錐網(wǎng)架，網(wǎng)格為9.14mx9.14m，高6.5m。網(wǎng)架每邊從柱挑出13.71m。網(wǎng)架主要桿件由四個等肢角鋼組成十字形截面，根據(jù)承重需要，最大角鋼為L203×22，最小為L89×8，再分式腹桿為單角鋼L127×8。肢寬152mm發(fā)203mm的角鋼采用A572(屈服點為350N/mm2)，其他較小的角鋼采用A36(屈服點為250N/mm2)，桿件采用高強螺栓連接。在構造上，網(wǎng)架上弦及腹桿中心線交于一點，而再分斜桿與上弦則通過由十字截面伸出的鋼板相連接。此鋼板彎成角度，結(jié)果使再分斜桿中心線交點與上弦中心線有30cm的偏差（如圖）。1978年1月，美國東部下了一場暴風雪，事故發(fā)生前一個星期哈特福特市還不斷下著雪和雨，造成了體育館建成后最大的積雪荷載。18日凌晨，體育館突然發(fā)出一陣隆隆響聲，接著整個屋蓋塌落，中間部分下凹像個鍋底，四角懸挑部分則向上翹起。第二十八頁，共三十八頁。

(1)設計原因設計上最嚴重的錯誤是網(wǎng)架的所有上弦壓桿沒有足夠的支撐，致使壓桿穩(wěn)定承載力不足。原設計假定上弦桿及斜腹桿在中點都有再分桿作為支撐，上弦桿的計算長度是網(wǎng)格的一半，即457m。同時，網(wǎng)格中點的屋面荷載假定由再分桿傳遞，上弦桿都是中心受壓，不承受彎矩。然而，實際上由于再分桿沒有真正起到支撐作用，使上弦桿的承載能力大大削弱，其中最嚴重的是在網(wǎng)架周邊的上弦桿。第二十九頁，共三十八頁。

倒塌的另一個重要原因，是作用在網(wǎng)架結(jié)構上的總荷載被低估了20％。原設計均布荷載為3.42kN/m2，而核實后的荷載為4.08kN/m2。對網(wǎng)架進行的極限荷載分析表明，屋蓋自重再加上0.73～0.98kN/m2，就可達到網(wǎng)架結(jié)構的極限荷載。根據(jù)屋蓋倒塌那天的氣象資料，屋蓋雪荷載估計在0.58～0.98kN/m2范圍內(nèi)。第三十頁，共三十八頁。

網(wǎng)架中十字形截面壓桿扭轉(zhuǎn)屈曲也是引起網(wǎng)架破壞的主要原因。根據(jù)扭轉(zhuǎn)屈曲理論，推導出的十字形壓桿的臨界扭轉(zhuǎn)應力，發(fā)現(xiàn)大部分情況下是由此應力起控制作用。由于設計者沒有注意到這一點，使得壓桿實際承載力比設計值低。倒塌的網(wǎng)架中，大量十字形桿件都呈現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。靜力分析表明，在靜載作用下，會有74根桿件產(chǎn)生壓曲，如將這些桿件的兩端節(jié)點上加上臨界壓力，求得的網(wǎng)架中心撓度為29.7cm，接近施工時所測到的30～33cm；進行的總承載能力計算，估計還能增加0.58～0.73kN/m2，也接近于屋蓋倒塌時屋面的積雪荷載。第三十一頁，共三十八頁。

哈特福特體育館的屋蓋體系將屋面系統(tǒng)與網(wǎng)架分開，應該說是一個設計上的缺陷。由檁條、屋面板等組成的屋面系統(tǒng)，在水平面內(nèi)是一個剛度很大的盤體，如果屋面設在網(wǎng)架上弦平面內(nèi)，可以對網(wǎng)架起一定的支撐作用，而屋面抬高之后削弱了這種作用，同時，傳到屋面上的風力只有通過立柱才能傳到上弦平面，因而在上弦節(jié)點引起彎矩，雖然分配到每一根立柱上的水平力不大，但終究對網(wǎng)架是不利的。第三十二頁，共三十八頁。原設計在網(wǎng)架分析計算中僅考慮上下弦桿及斜腹桿，屋面荷載作用于上弦網(wǎng)格節(jié)點上，上弦壓桿只承受軸向力。如果在分析中將再分桿考慮進去，就會暴露出新的問題。這時如將上弦中點與再分桿作為鉸接點連接，將出現(xiàn)幾何可變，分析結(jié)果毫無意義；如將上弦中點與再分桿作為剛性連接，則必然在上弦引起彎矩。第三十三頁，共三十八頁。

(2)施工原因

施工管理混亂、質(zhì)量控制不嚴，對網(wǎng)架的倒塌也有影響。