钢结构事故.ppt

LOGO钢结构事故实例及分析钢结构事故实例及分析Company Logo提纲提纲引言引言一事故实例及其分析事故实例及其分析二事故原因总结分析事故原因总结分析三感想及思考感想及思考四Company Logo一一.引言引言v 进入进入21世纪以来，钢结构在结构工程带给了我们举世纪以来，钢结构在结构工程带给了我们举世瞩目的成就，特别是大跨桥梁及其超高层结构、世瞩目的成就，特别是大跨桥梁及其超高层结构、大跨度空间结构，例如：大跨度空间结构，例如：跨度1991米的日本明石海峡大桥 台湾508米的101大厦 直径320米的英国千禧穹顶v 但是世界范围内的钢结构事故频频发生，惨痛的教但是世界范围内的钢结构事故频频发生，惨痛的教训一再重复，给经济和社会带来巨大的损失，如：训一再重复，给经济和社会带来巨大的损失，如：2001年的“911”事故造成约3000人死亡，直接经济损失75亿美元，间接损失近万亿美元Company Logo二二.事故实例及其分析事故实例及其分析事故事故1“911”事件视频事件视频Company Logo事故事故1“911”事件事件事故背景事故背景3 1事故过程事故过程3 2事故分析事故分析3 3事故总结事故总结3 4Company Logo1.1 事故背景事故背景v 纽约世界贸易中心(图1)建筑时间19661973年,共110 层,总高412m,两座塔楼相同,结构主体为全钢筒中筒结构。(图2)外筒为密距柱,9 层以上柱距仅1.02 m,9 层以下柱距3.06 m,内筒为电梯井和辅助用房.内外筒距离为18 m 和10.7 m,之间由楼板联系。楼板(图3)用空腹桁架,面层用混凝土,构成预制组合结构板,板间用钢筋相连,空腹桁架的下弦与框架柱的连接处安装了减震器。该楼总用钢量是78000t，单位用钢量186.6 Kg/Company Logo图图1Company Logo图图2Company Logo图图3Company Logo1.2 事故过程事故过程v 该事故发生在结构的使用使用过程 8时45分北楼被撞，飞机重量156t，起火 18分钟后，南楼被撞，机重104t，起火 北楼持续时间103分钟，垂直倒塌 南楼持续时间62分钟，垂直倒塌Company Logo1.3 事故分析事故分析1.外因外因：飞机撞击巨大冲击力火灾产生大量热能倒塌原因倒塌原因 2.内因：内因：部分梁柱被剪断，形成薄弱层钢材软化，该楼层失稳上部倒塌冲击力，形成多米诺骨牌效应Company Logo1.3.1 外因外因飞机撞击力约为41 700 kN,撞击动能约为(2.272.96)10e9Ja.产生强烈的晃动和超常的位移 b.水平撞击力增大底层柱脚的弯矩和剪力c.塔楼顶部产生了偏斜 如图4爆炸共释放热量为1.23 10e10J,爆炸温度为2 525 a.爆炸产生巨大冲击力，导致楼面在冲击力下受剪破坏b.巨大的热量散发过程中极大提高周围的温度Company Logo图图4Company Logo1.3.2 内因内因部分梁柱受到飞机冲击和爆炸冲击后导致局部失局部失稳稳，楼板受剪破坏，最后形成该楼层的整体失稳整体失稳，丧失整体性和承载力整体性和承载力，形成薄弱层。在高温作用下，尽管涂有防火涂料防火涂料，在一定时间内，钢材仍要软化，最后丧失承载力及稳定性稳定性。上部结构在重力作用下向下施加压力，由于薄弱层丧失承载力，上部整体下降，并伴随重力加速度加速，形成更大的冲击力，从而使下层柱失稳失稳，形成整体失稳，形成多米诺骨牌效应（图5）Company Logo图图5Company Logo1.4 事故总结事故总结“911”总结总结 结构体系要提高整结构体系要提高整 体延性和抗冲击体延性和抗冲击力力 人为事故不可预测人为事故不可预测 承认该结构的优点承认该结构的优点 提高结构提高结构 防火概防火概念念 提高安全性，加强提高安全性，加强 灾难中的救援措施灾难中的救援措施 引入高科技预引入高科技预 警和监测系统警和监测系统 将该类标志性建筑的将该类标志性建筑的 安全列于经济之上安全列于经济之上 Company Logo事故事故2大跨度压型钢板拱壳屋顶倒塌事故大跨度压型钢板拱壳屋顶倒塌事故 v沈阳市苏家屯区某农贸市场，总面积为沈阳市苏家屯区某农贸市场，总面积为1.31万万m2，营业大厅的屋顶采用双拱型压型钢板拱，营业大厅的屋顶采用双拱型压型钢板拱壳结构，面积约壳结构，面积约4 000 m2，跨度方向短为南跨度方向短为南北向，长为北向，长为78m，宽，宽25m，矢高，矢高1：5,下部下部边缘结构为钢筋混凝土框架结构，山墙为带钢边缘结构为钢筋混凝土框架结构，山墙为带钢筋抗风柱拱型框架，顶部柱高筋抗风柱拱型框架，顶部柱高2.7m，四周包括，四周包括山墙在内每个框架柱上均设斜柱支撑。山墙在内每个框架柱上均设斜柱支撑。2.1 事故背景事故背景Company Logo2.2 事故过程事故过程v 1999 年年11 至至2000 年年1 月，沈阳地区连月，沈阳地区连续下了几场大雪，累计降雪量达续下了几场大雪，累计降雪量达72.5mm，为几十年来所罕见，在降雪过程中相伴北风，为几十年来所罕见，在降雪过程中相伴北风，最大风速为最大风速为14.7m/s。2000 年年1 月该营月该营业大厅北跨塌落，南跨未塌但已有变形。业大厅北跨塌落，南跨未塌但已有变形。v塌落前屋顶压型拱板在靠近山墙处撕裂，裂塌落前屋顶压型拱板在靠近山墙处撕裂，裂缝逐渐增大，经缝逐渐增大，经35h 后，整体坍塌。后，整体坍塌。Company Logo2.3 事故分析事故分析Company Logo事故分析（续）事故分析（续）设计当时我国压型钢板拱壳结构的设计不合不合理理的采用引进国外软件结合我国钢结构设计规范设计，但按照国外的设计计算理论，对结构的局部稳定局部稳定在设计荷载下有相当大的安全储备。施工板带之间的连接咬合口，拱板之间咬合不牢，拱条间的连系很差，缺乏整体性整体性，这是倒塌事故的重要原因；螺钉锚接质量差，螺钉大多锈蚀严重且锚固安装不牢锚固安装不牢。使用南大厅积雪最深处超过670mm，位置靠近顶部矢高附近，西北风作用下拱跨中北半跨的积雪被刮到南半跨形成半跨偏载半跨偏载。Company Logo2.4 事故总结事故总结设计设计 施工施工 使用使用养护养护 采用平面采用平面拱理论及普拱理论及普通钢结构稳通钢结构稳定公式设计定公式设计压型钢板拱压型钢板拱型屋顶结构型屋顶结构是不安全的。是不安全的。应用空间壳应用空间壳体的有限元体的有限元理论理论。保证拱板保证拱板之间咬合牢之间咬合牢固，紧密联固，紧密联接，是保证接，是保证工程质量的工程质量的关键。关键。使用过程使用过程中结构要注中结构要注意雪载火灾意雪载火灾使用时的安使用时的安全，加强除全，加强除雪防火措施。雪防火措施。精心维护精心维护是保证该类是保证该类结构屋顶正结构屋顶正常使用的一常使用的一个条件个条件，如如除锈，铆钉除锈，铆钉螺栓的保护螺栓的保护等。等。Company Logo事故事故3 网架工程网架工程倒塌倒塌事故实例事故实例v 京福高速公路山东薛城加油站服务区网架工程为焊京福高速公路山东薛城加油站服务区网架工程为焊接空心球节点棋盘形四角锥网架接空心球节点棋盘形四角锥网架,平面尺寸平面尺寸13.2m*17.99m,网格数为网格数为5*7,网格尺寸网格尺寸2.64m*2.57m,(图图6)网架高网架高1.0m,支承方式为上铉周支承方式为上铉周边支承。边支承。v 杆件及空心球节点的材料均采用杆件及空心球节点的材料均采用I 级钢级钢(Q 235)。网架上铉为网架上铉为200*6。图纸注明网架杆件与节点的连。图纸注明网架杆件与节点的连接焊缝为贴角焊缝接焊缝为贴角焊缝,焊缝厚焊缝厚7.5mm,焊条规定为焊条规定为T42 型。型。3.1 事故背景事故背景Company Logo图图6Company Logo3.2 事故过程事故过程v 网架网架00/5/28用塔吊整体吊装平移就位；用塔吊整体吊装平移就位；v 9月铺设钢筋混凝土屋面板月铺设钢筋混凝土屋面板(共计共计33 块块)。在铺完。在铺完28 块后块后,中部中部6 块板尺寸有误块板尺寸有误,重新预制重新预制,故铺屋面故铺屋面板拖至板拖至01/4/12完成；完成；v 6/810 日进行屋面保温层、找平层施工，同时网日进行屋面保温层、找平层施工，同时网架下铉架设吊顶龙骨；架下铉架设吊顶龙骨；v 6/12日连降中到大雨日连降中到大雨,13日晨网架塌落日晨网架塌落,伴有巨响。伴有巨响。网架由短跨一端塌下网架由短跨一端塌下,另端尚挂在圈梁上。另端尚挂在圈梁上。网架上下铉变形不凸出网架上下铉变形不凸出,但因腹杆弯折但因腹杆弯折,上下铉叠合在一起上下铉叠合在一起,腹杆大量出现腹杆大量出现S 形弯曲形弯曲;杆件与空心球节点连接焊缝破坏形杆件与空心球节点连接焊缝破坏形式是在焊缝热影响区钢管被拉断式是在焊缝热影响区钢管被拉断,或因焊缝未焊透或因焊缝未焊透,母材未母材未熔合使钢管由焊缝中拔出。熔合使钢管由焊缝中拔出。Company Logo3.3 事故分析事故分析设计原因设计原因网架的计算有误计算有误,整个网架的全部杆件包括上下铉和腹杆的截面面积均不足。致使在网架屋面施工过程中,实际荷载仅为设计荷载的2/3 时,网架就遭到破坏。但是,网架的塌落却是由于受压腹杆失稳受压腹杆失稳造成,当受压腹杆失稳退出工作后,整个网架迅速失稳而塌落失稳而塌落。事故原因事故原因 施工原因施工原因网架焊缝质量问题焊缝质量问题；网架上铉节点上立柱,本是中间高两边低,而施工中做成中间低两边高致使屋面积水屋面积水；网架支柱的预埋件不按图纸预埋件不按图纸设计位置放；未严格按下料尺寸焊接,产生累计误差累计误差,致使网架的支承点未落在墙的中心线上,使墙失稳墙失稳。Company Logo3.4 事故总结事故总结设计：网架设计结构的设计人员设计：网架设计结构的设计人员 必须必须掌握网架结构的设计理论掌握网架结构的设计理论,精心进行结精心进行结构计算构计算(不盲目套用其它网架工程不盲目套用其它网架工程)施工：网架结构的焊接质量要求较严,一般建筑施工队伍中的焊工应进行专业培训持合格证后方能参加网架的焊接工作。Company Logo事故事故4 门架轻钢结构厂房施工倒塌事故门架轻钢结构厂房施工倒塌事故v 某陶瓷公司原料车间厂房工程某陶瓷公司原料车间厂房工程,门式刚架轻钢结构门式刚架轻钢结构,总总长长368m,（图（图7）跨度为跨度为336m,纵向柱距纵向柱距88.5m,沿纵轴分为沿纵轴分为3 个独立段个独立段,檐口标高为檐口标高为:38轴轴14.0m;3942轴轴25.0m;4351轴轴11.1m,屋面坡度屋面坡度1 10。v 厂房梁柱均采用实腹式厂房梁柱均采用实腹式H 形等截面形等截面Q345 钢钢,其中厂其中厂房最高段房最高段3942轴屋面檩条为冷弯薄壁轴屋面檩条为冷弯薄壁Z 形钢形钢,拉拉 条为条为f 10,斜撑采用角钢斜撑采用角钢L505。柱间支撑设计了。柱间支撑设计了5f 1333 钢管钢管,并在中段并在中段4041轴布置了轴布置了5 道道f 16 柱间交叉支撑。柱间交叉支撑。4.1 事故背景事故背景Company Logo图图7Company Logo4.2 事故过程事故过程v该事故发生在施工过程当中；该事故发生在施工过程当中；v在在04 年年9 月底某日当厂房高跨月底某日当厂房高跨3942轴钢轴钢梁、钢柱已安装完毕梁、钢柱已安装完毕,连接部位的高强螺栓连接部位的高强螺栓完成初扭完成初扭,水平方向的支撑系统正在安装时水平方向的支撑系统正在安装时突遇大风突遇大风,随即厂房高跨随即厂房高跨3942轴段刚架发轴段刚架发生了整体倒塌生了整体倒塌(图图8)。Company Logo图图8Company Logo4.3 事故分析事故分析缺少缺少针对性的刚架吊装施工临时支撑临时支撑方案 施工力学的角度，大部分柱间支撑、檩条和屋面支撑均未安装支撑均未安装,整个钢结构仅靠柱脚锚栓固定,结构未形成刚性节间结构未形成刚性节间。在风力作用下,柱脚拉力超出锚栓极限强度8.46 倍,正应力超出柱型钢断面极限强度6.42 倍,导致中柱锚栓先锚栓先于柱断面拔出拔出、折折断断(如图9)；中柱荷载被分配到边跨上,而边跨柱断面弱于锚栓，因此边柱在型钢底断面处折断。Company Logo图图9Company Logo4.4 事故总结事故总结刚架柱脚螺栓应采用可靠方法定位刚架柱脚螺栓应采用可靠方法定位 保证施工工况与设计工况一致保证施工工况与设计工况一致 合理安排安装顺序合理安排安装顺序 吊装时应重视风荷载作用吊装时应重视风荷载作用 完整的检验与交接资料完整的检验与交接资料 Company Logo事故事故5某轻钢厂房倒塌事故分析某轻钢厂房倒塌事故分析 v某生产出口家具的生产车间(共4 座),为单层砖混结构建筑物,该建筑物基础采用柱下钢筋混凝土独立基础,墙下毛石条形基础,墙体采用M5 混合砂浆砌筑MU715 机制砖,构造柱混凝土强度等级为C20,屋盖采用屋盖采用24m 跨薄壁轻型钢结构跨薄壁轻型钢结构,屋面板采用压型钢板屋面板采用压型钢板,钢屋架焊接在构造柱的预钢屋架焊接在构造柱的预埋件上埋件上（图（图10）5.1 事故背景事故背景Company Logo图图10Company Logo5.2 事故过程事故过程v 该工程于该工程于2003 年施工完毕投入使年施工完毕投入使用用,2004 年年11 月月25 日因突降暴雪日因突降暴雪,积雪厚积雪厚度达度达23cm,4 座厂房先后出现严重倒塌事座厂房先后出现严重倒塌事故故,倒塌情况倒塌情况（图（图11）。）。v 4 座厂房屋架均坍塌座厂房屋架均坍塌,纵墙大部分倒塌纵墙大部分倒塌,构造构造柱、圈梁断开柱、圈梁断开,断开处钢筋颈缩、断裂断开处钢筋颈缩、断裂,部分部分预埋件钢筋断开。预埋件钢筋断开。Company Logo图图11Company Logo5.3 事故分析事故分析1.现场调查检测结果分析现场调查检测结果分析 2.结构验算结果分析结构验算结果分析3.倒塌分析倒塌分析 Company Logo5.3.1 现场调查检测结果分析现场调查检测结果分析所有屋架均出现挠曲断裂现象所有屋架均出现挠曲断裂现象设计仅一张草图，无签字盖章设计仅一张草图，无签字盖章焊缝有严重缺陷焊缝有严重缺陷主要原因主要原因Company Logo5.3.2 结构验算结果分析结构验算结果分析v 选择一榀屋架选择一榀屋架,用用PKPM 软件对该屋架各杆件的承载力、稳定性进行软件对该屋架各杆件的承载力、稳定性进行分析分析,分别计算了屋面活载和雪载对屋架产生的影响分别计算了屋面活载和雪载对屋架产生的影响,计算模型如图计算模型如图12 所示。所示。v 图图12v 荷载取值按荷载取值按建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范(GB 50009-2001)规定的规定的屋面活载屋面活载(015kN/m2)和此次暴雪和此次暴雪(气象部门统计为气象部门统计为50 年一遇年一遇)的雪载的雪载(013kN/m2)确定。钢屋架杆件尺寸、截面面积及截面特确定。钢屋架杆件尺寸、截面面积及截面特性根据现场实测取值性根据现场实测取值,材料强度按材料强度按钢结构设计规范钢结构设计规范(GB 50017-2003)取用取用,经过计算经过计算,主要杆件受力结果见表主要杆件受力结果见表1、表、表2。Company Logo表1 只考虑屋面活载(015kN/m2)时屋架部分杆件的受力结果杆件实际应力/强度设计值实际应力/强度设计值平面内稳定平面外稳定11.911.601.6523.883.403.5034.483.964.0843.082.722.8051.950.150.2761.9571.950.500.8581.2791.53101.90111.53Company Logo表2 只考虑屋面雪载(0.13 kN/m2)屋架部分杆件的受力结果杆件实际应力/强度设计值实际应力/强度设计值平面内稳定平面外稳定11.721.521.5723.653.233.3334.263.763.8842.922.582.6651.950.130.2361.9571.950.470.8181.2191.53101.90111.53Company Logo5.3.3 倒塌分析倒塌分析v 由以上现场调查、检查和计算结果可知由以上现场调查、检查和计算结果可知,该屋架在仅承受恒载和该屋架在仅承受恒载和“规范规范”(GB 50009-2001)规定的活载或仅承受恒载和规定的活载或仅承受恒载和雪载情况下雪载情况下,屋架下弦大部分杆件的应力超出该杆件的容许应力屋架下弦大部分杆件的应力超出该杆件的容许应力;屋架上弦大部分杆件的平面内、外稳定均不能满足承载要求屋架上弦大部分杆件的平面内、外稳定均不能满足承载要求,特特别是在距跨中别是在距跨中3m 附近平面内、外稳定应力比最大。附近平面内、外稳定应力比最大。v 由以上分析可知由以上分析可知,厂房倒塌的主要原因是屋架下弦大部分杆件的厂房倒塌的主要原因是屋架下弦大部分杆件的应力超出该杆件的容许应力应力超出该杆件的容许应力,屋架上弦大部分杆件的平面内、外屋架上弦大部分杆件的平面内、外稳定均不能满足承载要求稳定均不能满足承载要求,在雪载作用下在雪载作用下,屋架上弦杆件失稳及屋架上弦杆件失稳及上、下弦杆件和腹杆的承载力失效造成屋盖塌落上、下弦杆件和腹杆的承载力失效造成屋盖塌落,引起墙体的倒引起墙体的倒塌塌;屋架焊缝的缺陷削弱了屋架的承载能力。屋架焊缝的缺陷削弱了屋架的承载能力。Company Logo5.4 事故总结事故总结1234桁架方案的抗疲劳性能比较低桁架方案的抗疲劳性能比较低,疲劳强度低疲劳强度低桁架方案不能充分发挥钢材强度桁架方案不能充分发挥钢材强度,不利于采用高强不利于采用高强度钢材度钢材,也没有发挥出桁架结构的优势也没有发挥出桁架结构的优势桁架方案的焊缝和连接很多桁架方案的焊缝和连接很多,不容易保证加工质量不容易保证加工质量 实腹式结构的附属结构发生疲劳破坏实腹式结构的附属结构发生疲劳破坏,吊车梁主体吊车梁主体结构也不受影响结构也不受影响,且容易维修且容易维修,结构的使用寿命更长结构的使用寿命更长Company Logo不合理的施工管理不合理的施工方案不合理的结构形式不合理的计算方法设计孤立施工过程荷载考虑不够全面缺少对自然灾害预防缺少对结构的保养检测不够到位三、导致事故原因总结分析三、导致事故原因总结分析设计施工使用Company Logo四、感想及思考四、感想及思考施工过程施工过程使用过程使用过程设计过程设计过程 设计规范设计规范：不仅要做到大震不倒，还要做到高层的大火不倒，大跨的大雪不倒 设计过程：设计过程：统计资料选择结构形式，如柱高多少选择格构，梁跨多少选择桁架施工力学施工力学：模拟施工过程时程分析结构受力及变形施工方案施工方案：合理选择施工方案，如：雅典奥运主场馆采用外拼装再滑移就位，北奥场馆一次成型施工监测：施工监测：时程监测并分析控制施工过程，如合十舍利塔的施工灾害预警灾害预警安全防护安全防护实时监测：实时监测：如如对结构的关键部位时刻关注应力应变定期保养：定期保养：如对防火层，防锈涂料定期