林振楊

（中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展、建筑技術(shù)水平的提高，由于鋼結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)越和材料環(huán)保的優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)工程越來越多。 尤其是21 世紀以來， 鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)為人們創(chuàng)造了令人矚目的成果，在大跨度、超高層建筑領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)大放異彩。 但是由于各種鋼結(jié)構(gòu)施工事件頻繁出現(xiàn)，沉痛的歷史教訓(xùn)不斷重復(fù)，給社會和企業(yè)造成了極大的經(jīng)濟損失， 嚴重干擾了鋼構(gòu)行業(yè)的健康發(fā)展，更是威脅了廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全[1]。 表1 中列舉了一些典型工程實例。

表1 國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)工程事故實例

鋼結(jié)構(gòu)工程事故的分析，有助于我們認識鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式及原因，為預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)工程事故的發(fā)生采取相關(guān)措施。本文選擇幾例典型鋼結(jié)構(gòu)工程事故進行分析， 總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)事故的警示教訓(xùn)，提出預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)事故的對策，供設(shè)計、施工和使用單位參考。

2 鋼結(jié)構(gòu)事故類型及原因分析

2.1 事故類型

鋼結(jié)構(gòu)可能的損壞形態(tài)主要包括：鋼結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)狀態(tài)， 結(jié)構(gòu)構(gòu)件部分失穩(wěn)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性損傷，結(jié)構(gòu)構(gòu)件脆性損傷，結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞損傷。 按照破壞形式，鋼結(jié)構(gòu)事故的形式主要包括：整體坍塌，局部崩塌，脆斷事件，結(jié)構(gòu)變形事故，斷裂事故，連接錯位等形式[2]。 以上事故形式也可以概括為以下兩大類：（1）整體事故，包括結(jié)構(gòu)的整體坍塌、錯位、變形等；（2）部分事故，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件失穩(wěn)損壞、連接節(jié)點失效、結(jié)構(gòu)錯位、變形和部分坍塌等。

2.2 事故原因

鋼結(jié)構(gòu)工程一般可分成3 個階段，即設(shè)計階段、施工安裝階段和運行維護階段[3]。 3 個階段鋼結(jié)構(gòu)工程事故發(fā)生的常見原因如下。

1）設(shè)計階段：建模錯誤，結(jié)構(gòu)計算參數(shù)有誤；對結(jié)構(gòu)承受的荷載作用估計不足；未能按照國家鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的規(guī)范和標準設(shè)計；結(jié)構(gòu)分析簡圖不合理；構(gòu)造標準不符合要求；對建筑材料使用規(guī)定不恰當；結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型和設(shè)計方案不合理等。

2）制作施工階段：安裝方式不當；鋼材品質(zhì)低下；結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度剛度不夠；未能嚴格遵守按施工圖進行施工；安裝工序不對、施工操作失誤；制作尺寸誤差較大；安裝焊縫質(zhì)量低下；擅自修改設(shè)計圖紙，使得建筑結(jié)構(gòu)的受力與設(shè)計意圖不相符；未能嚴格遵守有關(guān)技術(shù)標準檢查驗收；有偷工減料現(xiàn)象；缺乏熟練的技能人員和高素質(zhì)管理者；吊裝、定位、校正等方式均不準確；臨時支撐結(jié)構(gòu)強度剛度不夠；操作穩(wěn)定性性較低；防火防腐措施不合格等。

3）使用維護的階段：地震、大火、風災(zāi)、雪災(zāi)天然災(zāi)害；戰(zhàn)亂、恐怖主義侵襲等人造災(zāi)難；養(yǎng)護要求不良、材性變化（銹蝕、疲勞）；違反運行要求（超載、亂開洞）；改建方法不對；建筑物地基嚴重下沉；工業(yè)生產(chǎn)要求變化和生產(chǎn)操作錯誤等。

3 鋼結(jié)構(gòu)事故典型案例分析

3.1 紐約世貿(mào)中心大樓倒塌

3.1.1 項目簡況

紐約世界貿(mào)易中心建于1966 年，1973 年完成， 共110 層，地上建筑總高度為411 m，地下建筑高為21 m，標準樓平面尺寸為63.5 m×63.5 m，建筑主要采用全鋼筒中筒結(jié)構(gòu)體系。 外筒為間距較密的柱列，建筑9 層以上部分柱距為1.02 m，9 層以下部分柱距為3.06 m，結(jié)構(gòu)內(nèi)筒為樓梯、電梯等附屬用房，結(jié)構(gòu)外筒與內(nèi)筒的距離為18 m 和10.7 m， 內(nèi)外筒間由空腹桁架樓板連接。 在空腹桁架的上下弦和外框架的連接處均設(shè)定有阻尼器[4]。

3.1.2 事故概況及原因分析

2001 年9 月11 日，美國紐約世貿(mào)中心被由恐怖主義分子所挾持的客機擊中，整個大廈全部起火后垂直倒塌，事故中，結(jié)構(gòu)所承受的荷載作用，包含了飛機沖擊作用、爆炸燃燒、樓板超載等極其偶然的負荷，結(jié)構(gòu)整體破壞時間歷經(jīng)1～2 h，屬于結(jié)構(gòu)延性破壞。 大廈在遭受飛機撞擊后，形成了薄弱層，然后在航空燃油劇烈燃燒的高溫作用下， 支撐大廈的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失承載力而引起的。 事故原因一般可分為外因和內(nèi)因，外因為： 飛機碰撞而產(chǎn)生的強大沖擊力； 火災(zāi)事故所生成大批熱量。 內(nèi)因為：結(jié)構(gòu)部分梁柱構(gòu)件被剪斷，成為薄弱層；鋼筋軟化，樓面局部失穩(wěn)；上部倒塌形成的沖擊力，產(chǎn)生了多米諾骨牌效應(yīng)。

3.1.3 事故教訓(xùn)及警示

美國世貿(mào)中心的恐襲災(zāi)難， 必然給工程設(shè)計和建造規(guī)范標準造成一系列的重大改變，例如，緊急通信系統(tǒng)必須更新升級以確保迅速通告各類工作人員撤離和告知最安全可靠的撤離通道；防火措施和防止恐怖襲擊再一次受到重視；在設(shè)計超高層建筑物時，也應(yīng)適當充分考慮撞擊等偶然負荷的影響。

3.2 法國戴高樂機場候機樓屋頂?shù)顾录?/h3>

3.2.1 工程概況法國戴高樂機場候機大樓是由鋼、 玻璃以及混凝土內(nèi)殼組成一個650 m 長橢圓形管。 它是個與眾不同的結(jié)構(gòu)形式，其體系的復(fù)雜程度使它受到的力的分配和傳力途徑很難想象和計算分析。其屋蓋由長26.2 m，寬4 m，厚0.3 m 的曲線形的混凝土殼體單元所構(gòu)成。 全跨由3 個預(yù)制結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，左右兩部分的最外側(cè)均由曲線形的鋼結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)加固， 用每隔一定長度的直撐桿件將曲線形的鋼結(jié)構(gòu)與混凝土外殼相連接?；炷翚んw坐落在縱向的兩根梁上， 縱向梁則的支撐和約束在柱子上面。 屋蓋殼體上很規(guī)則的開有幾個小孔，而在破壞的地方則開了較大的孔洞，以便于登機橋通行。

3.2.2 事件概況及原因分析

2004 年5 月23 日，法國戴高樂候機樓2E 候機廳頂棚出現(xiàn)了倒塌事件， 事發(fā)時好幾噸的水泥碎塊從候機廳的屋頂落下后，散落在大概50 m×30 m 的地面范圍內(nèi)，事故獨立調(diào)查組發(fā)布的調(diào)查報告指出， 工程設(shè)計之初考慮的偶然性安全系數(shù)不夠造成了結(jié)構(gòu)的整體強度儲備很低。 引起結(jié)構(gòu)坍塌的還存在多種因素：（1）結(jié)構(gòu)配筋的缺失或錯放，使殼體內(nèi)部出現(xiàn)了一些裂紋， 而這種裂紋又使原本在恒荷載及外界作用 （如高溫）下就極其“柔性”的結(jié)構(gòu)構(gòu)件繼續(xù)破壞；（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件缺少一定的冗余約束， 在結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)損壞時缺乏另外的途徑來傳導(dǎo)壓力；（3）撐桿與殼體連接處具有很高的沖剪應(yīng)力；（4）橫縱梁及其與立柱的節(jié)點連接均很脆弱[5]。

3.2.3 事故教訓(xùn)及警示

此事故提醒人們應(yīng)當特別注意因沖剪損壞而導(dǎo)致建筑倒塌的危險性。 設(shè)計時應(yīng)當著重避免沖剪損壞；構(gòu)件局部破壞時因結(jié)構(gòu)整體體缺乏冗余度，而無從實現(xiàn)內(nèi)力的重新分布；軟弱結(jié)構(gòu)對鋼筋錯放問題的敏感性； 溫度變化所導(dǎo)致的內(nèi)力重分布等。 對與眾不同的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當由單獨的設(shè)計機構(gòu)，在更嚴格的建模和分析結(jié)果上加以校對審核。

3.3 南方特大冰雪災(zāi)害鋼結(jié)構(gòu)事故

3.3.1 概況

2008 年1 月以來，受強降雪災(zāi)害的沖擊，我國南方各地許多高壓輸電鐵塔和移動通信鐵塔坍塌，嚴重影響了各地的供電正常運行和人民群眾的生產(chǎn)生活。鐵塔結(jié)構(gòu)的破壞有的是全部坍落，有的則是向中間彎倒，有的鐵塔頸部出現(xiàn)扭折，損壞形式各異。另外，受強降雪災(zāi)害許多輕鋼構(gòu)廠房整體坍塌，有的剛架梁、立柱嚴重屈曲失穩(wěn)，有的檁條、墻板扭曲斷裂，屋面板嚴重坍塌，剛架柱腳全部拔出，整個廠區(qū)結(jié)構(gòu)幾乎徹底毀壞，企業(yè)損失慘重[6]。

3.3.2 事故成因

分析本次事故產(chǎn)生的因素有很多方面，一方面降雪、凍雨災(zāi)害是造成事故產(chǎn)生的外在誘因，另一方面工程設(shè)計、生產(chǎn)、施工和使用維護等方面所產(chǎn)生的安全隱患是事故發(fā)生的內(nèi)在因素。 具體來說，包括了如下幾個方面：（1）設(shè)計要求條件與現(xiàn)場實際情況不相符；（2）設(shè)計假定和計算簡圖不恰當；（3）屋面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點不合理；（4）防腐除銹措施不完善；（5）構(gòu)件連接焊縫質(zhì)量不良。

3.3.3 事故教訓(xùn)及警示

此次事件應(yīng)該引起了鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員的關(guān)注， 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，雪壓取值也應(yīng)考慮加大，新修訂的GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的基本雪壓就改為了100 年重現(xiàn)期的雪壓取值。 在鋼結(jié)構(gòu)運營維護過程中，要做好對廠房的定期檢查與保養(yǎng)， 做好對雪災(zāi)的預(yù)防， 及時做出反應(yīng)，盡可能快地對結(jié)構(gòu)屋面進行清雪減壓。

4 鋼結(jié)構(gòu)事故預(yù)防措施

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程事故原因的分析，針對工程項目各階段，提出鋼結(jié)構(gòu)工程事故預(yù)防對策如下。

設(shè)計階段措施：（1）按照國家制定的建筑設(shè)計和施工技術(shù)規(guī)范、標準的要求，完善建筑設(shè)計的審查機制；（2）現(xiàn)代建筑設(shè)計應(yīng)回歸“適用、經(jīng)濟、美觀”的設(shè)計理念，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)具備一定的冗余度；（3）設(shè)計時要選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，并充分考慮最不利的荷載組合，對結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化設(shè)計時，也要確保結(jié)構(gòu)整體的安全裕度；（4）對較復(fù)雜性鋼結(jié)構(gòu)工程,應(yīng)使用兩個及以上的計算軟件完成計算校核。

施工階段措施：（1）針對復(fù)雜構(gòu)件的安裝，要編制專項安裝施工計劃，并做好仿真分析設(shè)計；（2）安裝施工方案必須經(jīng)過設(shè)計單位的確認， 必要時應(yīng)邀請專家對安裝方案進行分析評審；（3） 執(zhí)行質(zhì)量檢驗標準規(guī)范、 施工管理必須認真負責；（4）主要管理鋼材的質(zhì)量和節(jié)點連接焊縫質(zhì)量；（5）對技術(shù)經(jīng)驗不足的工程從業(yè)人員要加強專業(yè)培訓(xùn)。

營運維護階段措施：（1）完善消防安全控制，減少火災(zāi)事故風險，預(yù)防火災(zāi)事故；（2）定期檢查鋼結(jié)構(gòu)的使用狀況，如銹蝕、疲勞、變更使用條件、亂開洞等；（3）針對惡劣天氣，需對鋼結(jié)構(gòu)采取必要的安全措施。

最后，通過完善企業(yè)的經(jīng)營標準，建立健全質(zhì)量檢驗與監(jiān)理體系，以防止企業(yè)重效益輕質(zhì)量，不公平競爭等，進一步注重結(jié)構(gòu)安全，力求零責任事故，以推動鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的健康與迅速發(fā)展。

5 結(jié)語

從鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)生的事故案例中， 總結(jié)出防范鋼結(jié)構(gòu)工程事故的關(guān)鍵點在于：設(shè)計過程中對荷載作用的充分考慮，結(jié)構(gòu)選型和選材合理，適當預(yù)留安全冗余度。 施工安裝過程對圖紙要求和規(guī)范標準的規(guī)定要嚴格遵守， 施工方案和安裝順序合理，施工安裝質(zhì)量過硬。 鋼結(jié)構(gòu)建筑使用過程中注意定期檢查維護，發(fā)現(xiàn)問題及時采取有效的處理措施。