钢结构稳定事故案例和原因分析 2

来源：  唯结构  公   众   号

本文从七类钢结构稳定事故案例出发，阐述“稳定承载力”的表现形式、成因及应对措施。前文已分析施工顺序、梁柱连接形式及地脚锚栓预留长度引发的事故，现继续探讨其余四类典型案例。

稳定理论和失稳类型是多样，但规范上解决失稳问题的步骤和方法是不变的：

（1）先保证构件或局部结构稳定和节点承载力，再去保证整体结构的稳定，可达到“1+1>2”的效果；

（2）再回过来去关注下局部结构屈曲顺序，保证关键部位或可引起连续倒塌的部位不首先发生失稳。后面我们会以 案例的形式给大家汇报。

4、钢梁失稳倒塌    

事故背景： 某项目钢梁采用高窄截面且跨度较大。施工单位误用C形冷弯薄壁檩条作为侧向支撑，导致钢梁弯扭失稳，且未对梁端支座采取抗扭加固措施（图1）

 图1 事故案例：钢梁发生弯扭失稳

图2 假想侧向支撑力的《钢标》计算公式

原理分析：

（1）简支钢梁受弯时，受压上翼缘需侧向支撑，类似桁架受压弦杆。设计时需考虑所有钢梁同时失稳的可能，单根钢梁的侧向支撑力不可由相邻钢梁承担（图2）。

（2）C形或Z形冷弯薄壁檩条不宜作为刚性系杆，因其长细比及稳定性难以满足要求。若需采用檩条作为刚性系杆，应选用矩形或工字钢截面，并满足变形、长细比及压弯稳定性指标（图3）。此外，檩条端部需具备足够抗弯刚度，支座处需避免采用简支节点形式，以减少偏心弯矩产生的影响（图4）。

图3 檩条作为刚性系杆受力示意图

图4 檩条作为刚性系杆在支座处的受力示意图

大跨度钢梁或空间结构的支座扭转问题也应予以足够的重视，也有不少此类倒塌案例，因为篇幅的原因，不再列举。解决此类问题遵守的原则是，支座高度越高，需要的支座抗扭手段越“强硬”。设计手段主要有：增加加劲肋、增加加劲肋+侧板、支座刚接梁柱、支座平面外桁架（竖向支撑）等。

钢梁的侧向支撑体系也是多种多样的，小编罗列以下几种：

（1）“刚性系杆+水 平交叉支撑”抗侧体系 ：刚度大，可提升屋盖抗震整体性（图5）

图5 “刚性系杆+水平交叉支撑”抗侧体系

（2）主次梁刚接形成空腹桁架：释放温度应力，兼顾建筑效果（图6、7）。

图6 “主拱和次梁刚接”侧向支撑体系实景照片1

主拱为压弯构件，次梁截面高度宜不小于主拱截面高度的一半，具有足够的抗弯刚度来避免主拱失稳，刚接节点构造必须要可靠。

图7 “主拱和次梁刚接”侧向支撑体系实景照片2

（3）主梁与次梁上翼缘板组合体系：确保主梁上翼缘侧向稳定（图8）。次梁间距宜小，上翼缘焊接可增强主梁抗侧刚度（图9）。

图8 主梁和次梁的上翼缘板形成空腹桁架，充当主钢梁的抗侧体系的情况

 

图9 主梁和次梁连接节点

（4）框架檩条式侧向支撑体系：该项目采用下凹型张弦梁结构，下拉索和上弦杆容易绕着支座连接轴线发生扭转失稳。为了保证整体结构的侧向稳定，张弦梁依靠框架式檩条来增加屋盖整体性和水平刚度；上弦杆还可依靠框架式檩条进行抗扭刚度补强；下拉索两侧增加了拉杆式隅撑来保证其侧向稳定性。

  图10 框架檩条式侧向支撑体系案例实景照片

图11 下凹型张弦梁钢屋盖结构模型

5、未吊装验算导致的大跨度空间结构倒塌      

事故背景： 某大跨度空间结构采用整体吊装方案，但未进行施工验算。吊装时拉杆受压屈曲，节点内力超限引发倒塌（图12）。

图12 下凹型张弦梁钢屋盖结构模型

原理分析：

（1）大跨度结构拉杆按受拉设计，长细比大且截面小。吊装时若边界条件改变，拉杆可能受压失稳。

（2）正常使用阶段需注意风吸作用下下弦杆受压问题。若验算不足，受压后虽可恢复，但易引发颤动现象。

同类情况，正常使用阶段， 设计时应注意在风吸作用下，钢屋盖下弦拉杆变成压杆的情况。如该情况的下弦杆强度和稳定验 算没有问题，其压屈侧移后，受到重力作用会迅速受拉回到原来状态，但在风荷载作用下会发生“颤动”，容易引发恐慌，建议适当增加其长细比限制。

应对措施：吊装前需按施工方案验算，替换或加固薄弱构件（图13）。

图13 构件截面加固形式

加固时需注意：

（1）传力路径合理，新旧构件协同工作；

（2）适应原构件几何形状，减少焊接变形；

（3）轻钢结构避免负载焊接，圆钢严禁负载焊接；

（4）采用高强螺栓或小焊缝，避免削弱原构件承载力。

6、板屈曲引发的事故       

事故背景： 某项目柱内未设下翼缘板，导致节点翼缘板屈曲，转角过大引发倒塌（图14）。钢板筒仓因局部屈曲破坏亦属此类（图15）。

图14 事故案例：柱内未设加劲肋，导致柱节点翼缘板屈曲

图15 事故案例：钢板筒仓屈曲破坏

原理分析： 板类构件（如翼缘板、钢板剪力墙）或板式结构（筒仓、悬挑板）的屈曲临界应力与长宽比、边界条件及应力梯度相关。

国标（GB50017）与欧标（EN1993-1-5）对屈曲系数的计算方式不同（公式略）。

由教材《钢结构稳定理论与设计》第九章“板的屈曲”可得，板的线弹性屈曲临界应力为：

其中k为板的屈曲系数，该值与板的长宽比、边界条件、应力类型、应力梯度均有关系。当板受到正应力时为kσ，受到剪应力时为kτ。

国标GB50017 给出的屈曲系数公式为：

欧标EN1993-1-5 表4.1给出的公式是分段式：

应对措施 ：设计中需强化板件加劲，如增设加劲肋，确保节点刚度。

7、施工阶段大悬挑次梁挠曲变形过大    

事故背景： 某大悬挑次梁在无楼板约束下施工，支座钢梁扭转变形过大，导致梁端失稳（图16）  

图16 事故案例：施工阶段，悬挑梁梁端未增设临时支撑

施工阶段，在无楼板约束条件下，大悬挑次梁的支座钢梁会产生一定的扭转变形，导致大悬挑梁竖向位移较大；悬挑梁计算长度系数较大，稳定系数较小，在浇筑混凝土过程中，如果钢梁宽度较小，容易发生整体失稳；正常使用条件下，大悬挑钢梁的下翼缘稳定情况也应予以重视。

原理分析 ：

在软件计算时，有刚性楼板的条件下，钢梁是不考虑稳定和扭转作用的，如大悬挑次梁的支座钢梁形成的附加扭转内力、刚浇筑混凝土时悬挑梁形成额外的“稳定应力”、大悬挑次梁下翼缘的稳定应力，这就导致软件计算和实际情况不符。

应对措施 ：

（1）通过设计方法解决：按“施工阶段+正常使用阶段”分阶段设计，

通过施工措施解决：要求施工单位增加相应的施工措施，如悬挑梁端部增加临时支撑等；

（2）在大悬挑梁梁端增设加劲肋或隅撑，来保证其下翼缘稳定。

图17 事故案例：施工阶段，钢次梁端失稳变形

其他情况： 跨度较大、宽度较窄的次梁在浇筑混凝土时侧向变形较大（图1）。

原理分析 ： 除上述原因外，此事故还可能存在以下两种原因：

（1）水平方向上，次梁采用钢板连接，可能连不动铰接都算不上，支座对钢梁平面外的约束有限；

（2）两侧混凝土无法同时浇筑，使钢梁受到偏心扭转。

应对措施 ： 建议现场采用角钢等小杆件与相邻稳定性能较好的主梁临时拉结。