鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故

第7章鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故1編輯ppt7.1失穩(wěn)概念

失穩(wěn)也稱(chēng)為屈曲，是指鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(gòu)的基本構(gòu)建而言，可分為軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件和偏心受力構(gòu)建三大類(lèi)。其中軸心受拉構(gòu)件和偏心受拉構(gòu)件不存在穩(wěn)定問(wèn)題，其余構(gòu)件除強(qiáng)度、剛度外，穩(wěn)定問(wèn)題是重點(diǎn)問(wèn)題。2編輯ppt7.2失穩(wěn)的類(lèi)型和特點(diǎn)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(diǎn)失穩(wěn)

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

即無(wú)平衡分岔點(diǎn)，又無(wú)極值點(diǎn)，結(jié)構(gòu)由一個(gè)平衡位形突然跳到另一個(gè)平衡位形，其間出現(xiàn)很大變形。3編輯ppt平衡分岔失穩(wěn)完善的(即無(wú)缺陷、挺直的)軸心受壓構(gòu)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(wèn)題。屬于這一類(lèi)的還有理想的受彎構(gòu)件以及受壓的圓柱殼等。平衡分岔失穩(wěn)也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)，還可稱(chēng)為第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)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。4編輯ppt

(1)穩(wěn)定分岔失穩(wěn)這類(lèi)屈曲的特點(diǎn)是有一穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在到達(dá)臨界狀態(tài)時(shí)，從未屈曲的平衡位形過(guò)渡到無(wú)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(jìn)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(lèi)情況，板有較顯著的屈曲后強(qiáng)度，目前在門(mén)式剛架設(shè)計(jì)中已得到利用。5編輯ppt

(2)不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)結(jié)構(gòu)屈曲后只能在遠(yuǎn)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(lèi)屈曲也叫“有限干擾屈曲”，因?yàn)樵谟邢薷蓴_作用下，在達(dá)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。6編輯ppt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(duì)缺陷的敏感性截然不同。圖中虛線所示的是構(gòu)件有幾何缺陷時(shí)荷載與變形關(guān)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(wú)缺陷時(shí)大幅度降低。因此不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)對(duì)缺陷特別敏感。設(shè)計(jì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí)若無(wú)視缺陷影響，必將帶來(lái)嚴(yán)重后果。7編輯ppt

2.極值點(diǎn)失穩(wěn)極值點(diǎn)失穩(wěn)也稱(chēng)為第二類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題，如圖。具有極值點(diǎn)失穩(wěn)的偏心受壓構(gòu)件的荷載撓度曲線只有極值點(diǎn)B，沒(méi)有出現(xiàn)如理想軸壓構(gòu)件那樣在同一點(diǎn)存在兩種不同變形狀態(tài)的分岔點(diǎn)，構(gòu)件彎曲變形的性質(zhì)沒(méi)有改變，故此失穩(wěn)稱(chēng)為極值點(diǎn)失穩(wěn)。它是指用建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的承載能力。像雙向受彎構(gòu)件、雙向彎曲壓彎構(gòu)件的彈塑性彎扭失穩(wěn)都屬于極值點(diǎn)失穩(wěn)。對(duì)于實(shí)際的軸壓構(gòu)件，由于初彎曲、初偏心等幾何缺陷的存在也應(yīng)屬于偏心受壓構(gòu)件的范疇。因此極值點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象十分普遍。8編輯ppt3.躍越失穩(wěn)此類(lèi)屈曲的特點(diǎn)是：既無(wú)平衡分岔點(diǎn)，又無(wú)極值點(diǎn)，但和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)又有一些相似之處。其結(jié)構(gòu)由一個(gè)平衡位形突然跳到另一個(gè)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(lèi)失穩(wěn)的有鉸接坦拱、扁殼、扁平的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。此類(lèi)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(guò)大的變形會(huì)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。9編輯ppt7.3失穩(wěn)破壞的原因分析

穩(wěn)定問(wèn)題是鋼結(jié)構(gòu)最突出的問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)，許多工程技術(shù)人員對(duì)強(qiáng)度概念認(rèn)識(shí)清晰，對(duì)穩(wěn)定概念認(rèn)識(shí)淡薄，并且存在強(qiáng)度重于穩(wěn)定的錯(cuò)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(jià)，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(lèi)，其各自產(chǎn)生的原因如下。10編輯ppt7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析

設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，制作缺陷，臨時(shí)支撐不足，使用不當(dāng)7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，構(gòu)造不當(dāng)，原始缺陷，吊點(diǎn)位置不合理11編輯ppt

1.設(shè)計(jì)錯(cuò)誤設(shè)計(jì)錯(cuò)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(cuò)誤；只驗(yàn)算基本構(gòu)件的穩(wěn)定，忽視整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗(yàn)算；計(jì)算簡(jiǎn)圖及支座約束與實(shí)際受力不符，設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備過(guò)小等等。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析12編輯ppt2.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)生的殘余變形等。這些缺陷將對(duì)鋼結(jié)構(gòu)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13編輯ppt

3．臨時(shí)支撐不足鋼結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中，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(shí)支撐體系來(lái)維持安裝過(guò)程中的整體穩(wěn)定性。若臨時(shí)支撐設(shè)置不合理或者數(shù)量不足，輕則會(huì)使部分構(gòu)件喪失穩(wěn)定，重則造成整個(gè)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中倒塌或傾覆。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析14編輯ppt

4.使用不當(dāng)結(jié)構(gòu)竣工投人使用后，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)件的受力狀態(tài)；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；意外的沖擊荷載等等。7.3.1整體失穩(wěn)事故原因分析15編輯ppt1.設(shè)計(jì)錯(cuò)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(cuò)誤，致使組成構(gòu)件的各類(lèi)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16編輯ppt2.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(guò)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。7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析17編輯ppt3.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(guò)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18編輯ppt4.吊點(diǎn)位置不合理在吊裝過(guò)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。吊點(diǎn)位置不同，構(gòu)件受力的狀態(tài)也不同。有時(shí)構(gòu)件內(nèi)部過(guò)大的壓應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件在吊裝過(guò)程中局部失穩(wěn)。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)重要構(gòu)件應(yīng)在圖紙中說(shuō)明起吊方法和吊點(diǎn)位置。7.3.2局部失穩(wěn)事故原因分析19編輯ppt7.4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(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)報(bào)廢，事故的處理已沒(méi)有價(jià)值，只剩下責(zé)任的追究問(wèn)題；但對(duì)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(gòu)失穩(wěn)事故應(yīng)以防范為主，以下原則應(yīng)該遵守。設(shè)計(jì)人員應(yīng)強(qiáng)化穩(wěn)定設(shè)計(jì)理念制作單位應(yīng)力求減少缺陷施工單位應(yīng)確保安裝過(guò)程中的安全使用單位應(yīng)正確使用鋼結(jié)構(gòu)建筑物20編輯ppt1.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，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。

(1)結(jié)構(gòu)的整體布置必須考慮整個(gè)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(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。

(3)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。

(4)強(qiáng)度問(wèn)題通常采用一階分析，而穩(wěn)定問(wèn)題原則上應(yīng)采用二階分析。

(5)疊加原理適用于強(qiáng)度問(wèn)題，不適用于穩(wěn)定問(wèn)題。(6)處理穩(wěn)定問(wèn)題應(yīng)有整體觀點(diǎn)，應(yīng)考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相關(guān)影響。21編輯ppt2．制作單位應(yīng)力求減少缺陷在常見(jiàn)的眾多缺陷中，初彎曲、初偏心、殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定承載力影響最大，因此，制作單位應(yīng)通過(guò)合理的工藝和質(zhì)量控制措施將缺陷減低到最小程度。22編輯ppt3.施工單位應(yīng)確保安裝過(guò)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(shí)支撐，才能防止鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中失穩(wěn)，確保結(jié)構(gòu)安全。23編輯ppt

4.使用單位應(yīng)正常使用鋼結(jié)構(gòu)建筑物一方面，使用單位要注意對(duì)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(shí)，必須與設(shè)計(jì)單位或有關(guān)專(zhuān)業(yè)人士協(xié)商，不得擅自增加負(fù)荷或改變構(gòu)件受力?？傊ㄟ^(guò)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。24編輯ppt7.5典型事故實(shí)例分析25編輯ppt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(gè)邊跨各長(zhǎng)152.4m，中跨長(zhǎng)548.64m，中跨包括了由兩個(gè)邊跨各懸伸出的長(zhǎng)度為714.45m的桿系結(jié)構(gòu)。豈料在架橋過(guò)程中，懸伸出的由四部分分肢組成的格構(gòu)式組合截面的下弦壓桿，因新設(shè)置的角鋼綴條過(guò)于柔弱，四個(gè)角鋼綴條總的截面積只占構(gòu)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(wú)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(shí)，曾于1916年因施工問(wèn)題又一次發(fā)生倒塌事故。26編輯ppt例7.2美國(guó)哈特福特城的體育館因壓桿失穩(wěn)而倒塌27編輯ppt

1.工程簡(jiǎn)介及事故概況美國(guó)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(gè)等肢角鋼組成十字形截面，根據(jù)承重需要，最大角鋼為L(zhǎng)203×22，最小為L(zhǎng)89×8，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(diǎn)為350N/mm2)，其他較小的角鋼采用A36(屈服點(diǎn)為250N/mm2)，桿件采用高強(qiáng)螺栓連接。在構(gòu)造上，網(wǎng)架上弦及腹桿中心線交于一點(diǎn)，而再分斜桿與上弦則通過(guò)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(diǎn)與上弦中心線有30cm的偏差（如圖）。1978年1月，美國(guó)東部下了一場(chǎng)暴風(fēng)雪，事故發(fā)生前一個(gè)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(gè)屋蓋塌落，中間部分下凹像個(gè)鍋底，四角懸挑部分則向上翹起。28編輯ppt

(1)設(shè)計(jì)原因設(shè)計(jì)上最嚴(yán)重的錯(cuò)誤是網(wǎng)架的所有上弦壓桿沒(méi)有足夠的支撐，致使壓桿穩(wěn)定承載力不足。原設(shè)計(jì)假定上弦桿及斜腹桿在中點(diǎn)都有再分桿作為支撐，上弦桿的計(jì)算長(zhǎng)度是網(wǎng)格的一半，即457m。同時(shí)，網(wǎng)格中點(diǎn)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(shí)際上由于再分桿沒(méi)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(yán)重的是在網(wǎng)架周邊的上弦桿。29編輯ppt

倒塌的另一個(gè)重要原因，是作用在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上的總荷載被低估了20％。原設(shè)計(jì)均布荷載為3.42kN/m2，而核實(shí)后的荷載為4.08kN/m2。對(duì)網(wǎng)架進(jìn)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(dá)到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(jì)在0.58～0.98kN/m2范圍內(nèi)。30編輯ppt

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(dǎo)出的十字形壓桿的臨界扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)大部分情況下是由此應(yīng)力起控制作用。由于設(shè)計(jì)者沒(méi)有注意到這一點(diǎn)，使得壓桿實(shí)際承載力比設(shè)計(jì)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(huì)有74根桿件產(chǎn)生壓曲，如將這些桿件的兩端節(jié)點(diǎn)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(shí)所測(cè)到的30～33cm；進(jìn)行的總承載能力計(jì)算，估計(jì)還能增加0.58～0.73kN/m2，也接近于屋蓋倒塌時(shí)屋面的積雪荷載。31編輯ppt

哈特福特體育館的屋蓋體系將屋面系統(tǒng)與網(wǎng)架分開(kāi)，應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)剛度很大的盤(pán)體，如果屋面設(shè)在網(wǎng)架上弦平面內(nèi)，可以對(duì)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(shí)，傳到屋面上的風(fēng)力只有通過(guò)立柱才能傳到上弦平面，因而在上弦節(jié)點(diǎn)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(duì)網(wǎng)架是不利的。32編輯ppt原設(shè)計(jì)在網(wǎng)架分析計(jì)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(diǎn)上，上弦壓桿只承受軸向力。如果在分析中將再分桿考慮進(jìn)去，就會(huì)暴露出新的問(wèn)題。這時(shí)如將上弦中點(diǎn)與再分桿作為鉸接點(diǎn)連接，將出現(xiàn)幾何可變，分析結(jié)果毫無(wú)意義；如將上弦中點(diǎn)與再分桿作為剛性連接，則必然在上弦引起彎矩。33編輯ppt

(2)施工原因

施工管理混亂、質(zhì)量控制不嚴(yán)，對(duì)網(wǎng)架的