钢结构事故分析与处理

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 钢结构事故分析与处理

——钢结构防火与节点设计浅谈 文摘]随着国民经济和科学技术的发展，钢结构的应用范围日趋广泛。由于其应用 及结构形式发展较快，也带来一些新问题。本文简析了钢结构设计中的节点设计和防火问 题。 [关键词]钢结构节点设计防火 1前言 人类社会发展至今，科学技术作为第一生产力已日益显示出其重要性。钢结构作为 一种传统的建筑结构产业，近年来在我国得到了广泛的发展。钢结构通常用于高层、大 跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求 能活动或经常装拆的结构。如：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、 住宅和临时建筑等。这和钢结构自身的特点如材料强度高、自重轻、塑性及韧性好、抗 震性能好、工业装配化程度高、造型美观、综合经济效益优以及符合绿色建筑等众多优 点相一致。但是，随着科技的进步，人们对事物认识的全面深入，钢结构的一般缺陷也 越来越显著。纵观钢结构的发展历程，我们也看到世界范围内的钢结构事故频繁发生， 给人类造成了巨大的损失，但同时也得到了诸多的经验教训。 随着人们对钢结构认识的深入，发现其诸多缺陷在设计、施工和使用中都是可以补 救或避免的，因此，钢结构事故的发生越来越取决于人为因素，即事故的发生多是由于 在设计、施工、使用过程中很多人为的错误积累重复而综合引起的。 为避免事故的发生，在钢结构设计的整个过程中都应该强调“概念设计”，它在结 构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以做出精确理性分析或规范还未规定的问题，可 依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验 所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可 以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、 定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分 析输出数据可靠与否的主要依据。 但是，目前在钢结构的设计中存在着两个重要但又是很难解决的问题，一是连接节 点的形式和处理问题，二是钢结构的防火问题，现已倍受人们的关注。钢结构事故往往 是由于结构体系丧失稳定性而产生的（构件的或整体的），在正常设计或正常使用中这 可以通过加强支撑以提高结构的刚度来解决。 2节点设计 连接节点的设计是钢结构设计中的重要内容之一。在结构分析前就应该对节点的形 式有充分地思考与确定。常常出现的一种情况是——最终设计的节点与结构分析模型中 使用的形式不完全一致，这种情况必须避免。按照传力特性的不同，节点分刚接，铰接 和半刚接。常用的设计参考书都有很多值得推荐的节点做法及计算公式。 连接节点有等强设计和实际受力设计这两种常用的方法。连接的不同对结构影响甚 大，有些连接根据经验或计算不好辨别是刚接还是铰接。比如，有的刚接节点虽然承受 弯矩没有问题，但会产生较大的转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形 大于计算数据等不利结果。节点是刚接还是铰接会影响计算模型的确定进而影响计算的 内力值。 具体设计中需要注意的主要问题包括： （1）焊接 对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应与被连 接金属的材质相适应。E43对应Q235，E50对应Q345。Q235与Q345连接时，应该选 择低强度的E43，而不是E50。焊接设计中不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被 连接构件的重心接近。其它详细内容可查询规范中关于焊缝构造方面的规定。 （2）栓接 铆接这种形式在建筑工程中现已很少采用。普通螺栓抗剪性能差，可以在次要结构 部位使用。高强螺栓使用日益广泛，常用8.8s和10.9s两个强度等级。根据受力特点分 承压型和摩擦型，两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16～M30。超 大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要 连接。国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接。 （3）连接板 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm。然后验算净截面抗剪等。 （4）梁腹板 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。 （5）节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等，应 尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。 此外，节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。比如钢管连接节点的相贯线的切口需 要数控机床等设备才能完成。 节点往往是事故产生的源点，节点的处理不当特别是焊缝质量问题，很容易产生应 力集中，从而导致局部屈曲或者形成疲劳破坏源或者脆性破坏等。对于钢结构要定期进 行安全质量检查鉴定。 3钢结构火灾消防 耐火极限是扑救建筑火灾的重要指标。长久以来，在灭火作战中并未对范雏澄院士 提出的“释热速率”引起足够的重视并开展应有的研究。不同的物质会以怎样的方式燃 烧，在固定的时间里能产生多少热量，并对建筑造成什么危害等等诸如此类的问题，往往被遗忘和冷落。时代在发展，科技在进步，我们对火灾的研究不能只停留在燃烧三要 素、灭火的四种基本方法上，而应重视和加强火灾的基础研究工作，特别是燃烧过程的 基本理论方面的研究，把重点放在燃烧动力学、火焰辐射和燃烧产物的热化、物质的可 燃性及火灾传播等方面，更进一步掌握火灾过程的本质和科学规律，并把这些研究成果 迅速转化为消防战斗力。只有这样，我们才能更好去应对火灾，消灭火灾。 起其它结构相比，钢结构发生火灾是更危险的事故。因为钢材的力学性能对温度变 化很敏感。温度升高时，钢材的各项指标如屈服强度、抗拉强度、弹性模量等的总趋势 是降低的。特别是在300℃以上时，钢材产生徐变，当温度继续上升到400℃以上时， 其性能指标更是明显降低而趋于零。 我们要认识到：任何结构都经不起“火炼”，如果结构构件受到火灾侵害，强度降 低或丧失了承载能力，房屋倒塌就在所难免。钢材受火后会软化，钢结构在火灾中失效 表现为瞬间倒塌。受火后房屋结构倒塌基本都无预兆，类似于脆性破坏，很难判断倒塌 时间。 常见的建筑火灾中，人员伤亡多是由于烟气中毒窒息所致，财产损失也限于室内物 品毁坏等。房屋结构在火灾中会受到不同程度的损伤，产生局部损坏或塌陷，但很少发 生整体房屋倒塌现象。这是因为，一般房屋满足《建筑防火规范》要求，结构构件本身 具有一定的抗火能力，或采取了一定的防火保护措施，一旦发生火灾，在其有效的耐火 时间内火灾得到了控制和扑灭。但若未能及时灭火，结构构件受到火灾的进一步侵害， 强度降低或丧失了承载能力，房屋倒塌就在所难免了。衡州大厦正是由于结构受火灾时 间过长，底层结构丧失承载力而导致结构整体破坏的。 《建筑防火规范》根据房屋和结构构件重要性的不同，提出了房屋不同的防火等级 和构件不同的耐火极限，其目的主要是能保证有足够的时间进行有效的营救和灭火，以 保护主体结构的完好性。根据理论研究，钢材有时效硬化作用，长期使用过的钢结构， 其材料内部发生化学反应，强度会降低，塑性和韧性也会降低，同时脆性增强。同样， 钢结构受火灾时，用水灭火是否会进一步降低其强度，或者出现脆性破坏，造成结构危 险，目前对这方面的研究尚未引起足够的重视。 钢材由于受火后会软化，钢结构在火灾中失效表现为瞬间倒塌（类似于失稳破坏）。 按照常规设计的房屋，应具有防火规范所要求的耐火极限，超过这一极限后，结构就很 不安全，或发生局部塌陷，或发生整体倒塌。因此，现场营救和灭火应根据房屋的不同 耐火极限制定不同的实施方案。对于火烧后已不安全的房屋，一般不应进入房屋内部灭 火。 另外，应该加强在设计、施工、使用中的维护与鉴定工作，避开人为的失误，以切 实控制和避免钢结构事故的发生。对于钢结构的防火问题，目前主要采取的措施是建筑 防火布局、采用耐火性能强的结构材料、结构选型、采用防火涂料等。最普遍的方式是 采用各种不同耐火性能的防火涂料。 现有的防火涂料主要分为厚型钢结构防火涂料和薄型钢结构防火涂料。厚型钢结构 防火涂料的主要成分为无机物，稳定性较好，耐氧化、耐辐射，可通过增加涂层厚度以 提高耐火极限，但是其装饰效果较差，并且所占截面面积较大。而薄型钢结构防火涂料 一般为有机物，耐老化性及降解性能较差，长期使用被氧化后又可能达不到防火效果。因此，现实中很有必要寻求其它方法来防火，或者寻求其它能够将钢材紧密包裹、共同 作用、一起受力、耐热耐火且不透热的防火涂料。如在钢构件外先涂一层热反射材料， 再在其外涂耐高温防火材料。对于露天钢结构的防火保护问题，仍然需要开发新的防火 材料。 当然，在钢结构的抗火设计计算方面，也需要进行大量的研究。现有的关于钢结构 抗火性能实验资料的不足，火灾中升温条件的不同，影响火灾具体升温情况的诸多因素， 导致了现有的设计方法也有很多不确定性因素，很多计算公式大都是模拟、拟合近似的 结果。随着社会的发展，这远不能满足人们对钢结构建筑物及其它建筑的防火耐火要求。 4结束语 节点设计和防火设计在钢结构设计中是非常重要的，一旦发生事故，带来的后果是 极其严重的。因此，设计人员要不断充实钢结构设计思维，学习先进的设计经验，突破 传统结构约束，以不断适应新形势的要求。