钢结构工程事故分析与处理.ppt

第五章钢结构工程事故分析与处理 第一节钢结构工程质量事故分析与处理第二节钢结构材料事故原因分析与处理第三节钢结构变形事故原因分析与处理第四节铆钉 螺栓连接缺陷事故分析与处理第五节钢结构诱蚀事故分析及处理第六节钢结构构件裂缝事故分析与处理 第五章钢结构工程事故分析与处理 第七节钢结构脆性断裂事故分析与预防第八节钢结构倒塌事故实例分析与处理第九节钢结构火灾事故预防与分析第十节钢结构的加固本章小结 第一节钢结构工程质量事故分析与处理 一 钢结构工程事故的类型钢结构工程质量事故可分为两大类 整体事故一包括结构整体倒塌 错位 变形等 局部事故一包括构件失稳 连接失效 构件错位 变形以及局部倒塌事故等常见的钢结构工程质量事故有以下五类 1 钢结构连接损伤事故 2 钢柱损坏及地脚螺栓事故 3 起重机梁工程事故 4 钢屋盖工程事故 5 空间钢网架工程事故 第一节钢结构工程质量事故分析与处理 二 钢结构工程质量事故的原因 一 钢结构工程事故常见原因钢结构工程质量事故的常见原因如图5 1所示 二 钢网架事故的主要原因钢网架事故的主要原因见表5 1三 钢结构事故的统计分析钢结构事故是由于其本身存在着缺陷并在其他因素作用下发展而形成的 从这种意义上说 钢结构产生缺陷和出现事故的原因大体是相同的 缺陷往往是事故的前兆 第一节钢结构工程质量事故分析与处理 四 钢结构质量事故处理应注意的事项及方法 一 事故处理注意事项 1 注意环境温度的影响 加固焊接应在0 C以上环境进行 2 注意高温对结构安全的影响 负荷条件下 做电焊加固或加热校正变形 应注意被处理构件过热而承载能力降低的情况 3 正确选择焊接工艺 力求减少焊接变形 降低焊接应力 4 选择合理的连接方式 钢结构加固补强优先采用电焊连接 在焊接确有困难时 可用高强螺栓或铆钉 不得已的情况下可用精制螺栓 不准使用粗制螺栓作加固连接件 轻 第一节钢结构工程质量事故分析与处理 钢结构在负荷条件下 不准采用电焊加固 二 常用事故处理方法 1 结构补强 当结构或构件的承载力或刚度等达不到规定要求时 常采用结构补强处理 钢结构补强的方法很多 施工也较简单 如加焊钢板或型钢就可补强结构或构件 2 局部割除更换 钢结构局部损坏或有严重质量缺陷又无法修复时 可采用此法 更换部分常用焊接方法与原有部分连接 3 增设支撑 例如屋盖中钢屋架变形过大或屋架内压杆计算长度过大等均可采用此法处理 第一节钢结构工程质量事故分析与处理 4 纠偏复位 钢结构或构件的变形或错位过大时常用此法处理 5 钢结构或构件连接修复 加固 包括焊接 铆接 螺栓连接等质量缺陷或损伤的修复 加固 6 减小内力 当钢结构或钢构件承载力不足时 可用减小内力的方法处理 具体的措施有结构卸荷 改变计算图形等 7 其他方法 如更换不合格材料或构件 修改设计等 第二节钢结构材料事故原因分析与处理 一 钢结构材料事故产生的原因钢结构材料事故是指由于材料本身的原因引发的事故 材料事故可概括为两大类 裂缝事故和倒塌事故 裂缝事故主要出现在钢结构基本构件中 倒塌事故则指因材质原因引起的结构局部倒塌和整体倒塌 钢结构材料事故产生的原因如下 1 设计时选材不合理 2 钢材质量不合格 3 制作时工艺参数不合理 钢材与焊接材料不匹配 4 螺栓质量不合格 5 铆钉质量不合格 第二节钢结构材料事故原因分析与处理 6 焊接材料质量不合格 7 安装时管理混乱 导致材料混用或随意替代 二 钢结构材料事故的处理措施钢结构材料事故的处理措施如图5 2所示 三 钢结构材料事故实例 例5 1 某车间单层厂房架下弦角钢裂缝 例5 2 哈尔滨市某钢桥因材质问题开裂 第三节钢结构变形事故原因分析与处理 一 钢结构变形事故的类型钢结构的变形可分为总体变形和局部变形两类 总体变形是指整个结构的外形和尺寸发生变化 出现弯曲 畸变和扭曲等 局部变形是指结构构件在局部区域内出现变形 例如构件凹凸变形 板边折皱波浪变形 端面的角变位等 总体变形与局部变形在实际的工程结构中有可能单独出现 但更多的是组合出现 无论何种变形都会影响到结构的美观 降低构件的刚度和稳定性 给连接和组装带来困难 尤其是附加应力的产生 将严重降低构件的承载力 影响到整体结构的安全 第三节钢结构变形事故原因分析与处理 二 钢结构变形事故的原因钢结构变形事故的原因如图5 6所示 三 钢结构变形事故的处理钢结构的变形处理 应根据变形的大小采取不同的处理方法 如果变形大小未超过容许破坏程度 可不作处理 钢结构构件的容许破坏程度 应针对不同材质通过使用情况的大量调查研究 积累资料 并按实际破坏情况进行必要的验算和试验工作后 综合分析拟定 当构件的变形不大时 可采用冷加工和热加工矫正 当变形较大 而又很难校正时 应采用加固或调换新件进行修复 对变形构件应按构件的实际变形情况进行强度验算 截面上局部变形可按扣除变形部分的 第三节钢结构变形事故原因分析与处理 截面进行强度验算 强度不足时 也应采取加固措施 一 热加工法矫正变形 二 冷加工法矫正变形四 钢结构变形事故实例 例5 3 某焊接主梁腹板局部变形 例5 4 某组合梁产生翘形 第四节铆钉 螺栓连接缺陷事故分析与处理 一 铆钉 螺栓连接常见缺陷与检查方法 一 常见缺陷铆钉连接常见的缺陷有 铆钉松动 钉头开裂 铆钉被剪断 漏铆以及个别铆钉连接处贴合不紧密 高强螺栓连接常见的缺陷有 螺栓断裂 摩擦型螺栓连接滑移 连接盖板断裂 构件母材断裂 二 检查方法铆钉与螺栓连接检查 着重于铆钉和螺栓是否在使用阶段切断 松动和掉头 同时也要检查建造时留下的缺陷 1 铆钉检查采用目测或敲击 常用方法是两者相结合 所用工具有手锤 塞尺 弦线和10倍以上的放大镜 第四节铆钉 螺栓连接缺陷事故分析与处理 2 螺栓质量缺陷检查除了目测和敲击外 尚需用扳手测试 对于高强螺栓要用测力扳手等工具测试 3 要正确判断铆钉和螺栓是否松动或断裂 需要有一定的实践经验 故对重要的结构检查 至少换人重复检查1 2次 并做好记录 第四节铆钉 螺栓连接缺陷事故分析与处理 二 铆钉 螺栓连接缺陷处理 一 铆打连接缺陷处理措施铆钉连接缺陷处理措施如图5 10所示 二 螺检连接缺陷处理措施螺栓连接缺陷处理措施如图5 11所示 三 铆钉 螺栓连接缺陷事故实例 例5 5 某工程高强螺栓超拧事故 例5 6 高强螺栓因疲劳而断裂 第五节钢结构诱蚀事故分析及处理 一 钢结构锈蚀类型钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏过程称为腐蚀 又叫钢材锈蚀 钢材锈蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种 1 化学腐蚀是大气或工业废气中含的氧气 碳酸气 硫酸气或非电解质液体与钢材表面作用 氧化作用 产生氧化物引起的锈蚀 2 电化学腐蚀是由于钢材内部有其他金属杂质 具有不同电极电位 在与电解质或水 潮湿气体接触时 产生原电池作用 使钢材腐蚀 绝大多数钢材锈蚀是电化学腐蚀或化学腐蚀与电化学腐蚀同时作用形成的 第五节钢结构诱蚀事故分析及处理 3 铁锈 吸湿性强 吸收大量水分后体积膨胀 形成疏松结构 易被腐蚀性气体和液体渗人 使腐蚀继续扩展到内部 4 钢材腐蚀速度与环境湿度 温度及有害介质浓度有关 在湿度大 温度高 有害介质浓度高的条件下 钢材腐蚀速度加快 二 钢结构锈蚀处理措施钢结构防腐蚀方法很多 如使用耐蚀钢材 钢材表面氧化处理 表面用金属镀层保护和涂层涂料保护等 对于已有腐蚀的钢结构腐蚀处理 采用涂层防腐蚀是可以实现的 涂层防腐蚀不仅效果好 而且价廉 品种多 适用范围广 施工 第五节钢结构诱蚀事故分析及处理 方便 基本不会增加结构质量 还可以给构件以各种色彩 涂层防腐蚀耐久性虽差一点 但在一定周期内注意维护是可耐久的 所以仍被广泛采用 涂层 俗称 油漆 能防止钢材腐蚀 是因为涂层有坚实的薄膜 使构件与周围腐蚀介质隔离 涂层有绝缘性能够阻止离子活动 防腐蚀涂层要起作用 必须在涂刷前将钢材表面腐蚀性物质和涂膜破坏因素彻底除掉 原有钢结构的涂层防腐蚀处理较新建钢结构复杂 很难用单一涂层材料和统一处理方法来解决 必须根据实际情况选择涂层材料 决定除锈和涂刷程序 根据锈蚀面积来决定局部维护涂层还是全面维修涂层 一般锈蚀面积超过1 3的要全面 第五节钢结构诱蚀事故分析及处理 重新做涂层 周期性的 一般视情况3 5年 全面涂层维修是十分必要的 钢结构防锈蚀涂层处理包括旧漆膜处理 表面处理 涂层选择 三 钢结构锈蚀事故实例 例5 7 悬索结构屋顶塌落 第六节钢结构构件裂缝事故分析与处理 一 钢结构构件裂缝形成的原因钢结构构件裂缝在钢结构制作 安装和使用阶段都会出现 大致可归结为下列原因 1 构件材质差 2 荷载或安装 温度和不均匀沉降作用 产生的应力超过构件承载能力 3 金属可焊性差或焊接工艺不妥 在焊接残余应力下开裂 4 构件在动力荷载和反复荷载作用下疲劳损伤 5 构件遭受意外冲撞 第六节钢结构构件裂缝事故分析与处理 二 钢结构构件裂缝处理钢结构构件裂缝处理措施如图5 13所示 三 钢结构构件裂缝事故实例 例5 8 某钢厂均热炉车间有的柱在起重机肢柱头部位出现裂缝 第七节钢结构脆性断裂事故分析与预防 一 钢结构脆性断裂事故产生的原因钢结构的脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力 低于钢材屈服强度或抗拉强度 情况下发生的突然断裂破坏 脆性断裂是钢结构极限状态中最危险的破坏形式 由于脆性断裂具有突发性 往往会导致灾难性后果 因此 作为钢结构专业技术人员 应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范 钢结构脆性断裂事故产生的原因如图5 15所示 第七节钢结构脆性断裂事故分析与预防 二 钢结构脆性断裂事故预防措施随着现代钢结构的发展以及高强钢材的大量采用 防止其脆性断裂已显得十分重要 钢结构脆性断裂事故预防措施如下 1 合理选择钢材 2 合理设计 3 合理制作与安装 4 合理使用与维修 第八节钢结构倒塌事故实例分析与处理 一 单层厂房屋盖倒塌 例5 9 杆件材料用错造成屋盖倒塌 l 工程事故概况 某工厂锻压车间系5跨27m 柱距6m的全钢结构厂房 钢屋架上放置钢筋混凝土屋面板 在厂房设备已安装完成但尚未使用前 发生7榀屋架与屋面板等倒塌事故 倒塌面积约1200平方米 事故部位局部平面示意见图5 16 2 事故调查与原因分析 3 事故处理措施 对已倒塌的屋架进行整形恢复 更换压杆 对于没有塌落尚可使用的屋架 对其受压腹杆及节点进行补强处理 第八节钢结构倒塌事故实例分析与处理 二 网架屋盖坍塌 例5 10 某仓库网架全部坍塌 1 工程事故概况 天津某仓库 平面尺寸为48m 72m 屋盖采用了正放四角锥螺栓球节点网架 网格与高度均为3 0m 支承在周边柱距6m的柱子上 网架工程2004年10月31日竣工 11月3日通过阶段验收 于12月4日突然全部坍塌 塌落时屋面的保温层及GRC板已全部施工完毕 找平层正在施工 屋盖实际荷载估计约2 1kN m2 2 事故原因分析 现场调查发现 除个别杆件外 网架连同GRC板全部塌落在地 因支座与柱顶预埋件为焊接 虽然支座已倾斜 但大部分没有坠落 并有部分上弦杆与腹杆与之 第八节钢结构倒塌事故实例分析与处理 相连 上弦跨中附近大直径压杆未出现压曲现象 下弦拉杆也未见被拉断 腹杆的损坏较普遍 杆件压曲 杆件与球的连接断裂 此外杆件与球连接部分的破坏随处可见 多数为螺栓弯曲 该网架内力计算采用非规范推荐的简化计算方法 该简化计算方法所适用的支承条件与本工程不符 与精确计算法相比较 两种计算方法所得结果相差很大 个别杆件内力相差高达200 以上 按网架倒塌时的实际荷载计算 与支座相连的周圈4根腹杆应力达 559 6N mm2 超过其实际临界力 这些杆件失稳压屈后 网架中其余杆件之间发生内力重分布 一些杆件内力增加很多 超过其承载力 最终导致网架由南至 第八节钢结构倒塌事故实例分析与处理 北全部坠落 施工安装质量差也是造成网架整体塌落的原因 网架螺栓长度与封板厚度 套筒长度不匹配 导致螺栓可拧人深度不足 加工安装误差大 使螺栓与球出现假拧紧 网架坍塌前 支座上一腹杆松动 而该腹杆此时内力只有56 0kN 远远小于该杆的高强螺栓的极限承载力 从现场发现了一些螺栓从螺孔中拔出的现象 另外 螺孔间夹角误差超标 使螺栓偏心受力 施工中支座处受拉腹杆断面受损 都使得网架安全储备降低 加速了网架的整体坍塌 3 事故处理措施 清除原有倒塌的网架 屋盖结构重新设计 安装 仍采用网架结构 第九节钢结构火灾事故预防与分析 一 火灾对钢结构的危害钢结构作为一种结构体系 既有优点也存在不容忽视的缺点 除耐腐蚀性差外 耐火性差也是钢结构的一大缺点 一旦发生火灾 钢结构很容易遭受破坏而倒塌 最为典型的案例为美国纽约世贸中心大楼在2001年 9 11 事件中的轰然倒塌 这是历史上火灾给钢结构带来的最大灾难 二 钢结构防火方法就目前应用情况看 钢结构防火方法的选择是以构件的耐火极限要求为依据的 并且防火涂料是最为流行的做法 钢构件防火方法如图5 17所示 第九节钢结构火灾事故预防与分析 三 钢结构火灾事故分析 例5 11 美国纽约世贸大楼被撞发生火灾 1 工程概况 纽约世界贸易中心由两幢110层方形塔楼及四幢裙房组成 塔楼地下6层 地上110层 楼层平面的外轮廓尺寸为63 5m 63 5m 服务性核心区的平面尺寸为42m 42m 标准层高为3 66m 两座塔楼都是采用框筒体系 外圈为密柱深梁框筒 由240根钢柱组成 柱距1 02m 内部核心区为47根钢柱形成的框架 用以承担重力荷载 框筒柱采用450mm 450mm方管 从上到下 外形尺寸不变 靠改变壁厚来适应不同的受力条件 总用钢量为192000t 为了增强框筒的竖向抗剪强度 减少框筒的剪力滞后效应 利用每隔 第九节钢结构火灾事故预防与分析 32层所布置的设备楼层 沿框筒各设置了一道7m高的钢板圈梁 结构动力特性分析表明 其基本周期为10s 极大风速下结构顶点的侧移值为1 02m 自1973年建成的统计分析表明 记录到阵风作用下的结构顶点侧移最大值为0 46m 表明结构顶点侧移角仅为1 890 它足以说明框筒体系抗侧力的高效性能 2 倒塌原因 大楼倒塌的原因是复合性的 因为单一的水平撞击或者大楼发生常规性火灾都不可能造成整个结构垮塌 1 内因 钢结构作为一种结构体系 尤其在超高层建筑中有无与伦比的优势 但耐火性能差是自身致命的缺陷 试验表明 低碳钢在200 C以下钢材性能变化不大 在200 C 第九节钢结构火灾事故预防与分析 以上 随温度升高弹性模量降低 强度下降 变形增大 500 C时弹性模量为常温的50 700 C时基本失去承载能力 本次撞击北楼的波音767飞机装载51t燃油 撞击南楼的波音777飞机装载35t燃油 尽管世贸中心大楼的钢结构采用了防火涂料等防护物 但在如此罕见的熊熊大火面前也无能为力 在爆炸 断电 消防系统失灵 火势无法及时扑灭的情况下 高温使其软化 最终导致结构塌落 2 外因 飞机撞击大楼 就形成的水平冲击力而言 属不可抗力 本次撞击大楼的波音777飞机起飞质量104t 波音767飞机起飞质量156t 飞行速度约每小时1000km 在如此巨大的冲击下 大楼虽然晃动近1m但未立即倾倒 无论内部还是 第九节钢结构火灾事故预防与分析 外部并无严重塌落 这充分证明大楼原结构的设计和施工没有问题 另外 世贸中心大楼采用外筒结构体系 该体系存在剪力滞后效应 且外柱截面仅为450mm 450mm 厚度仅为7 5 12 5mm 因此抵抗水平撞击的能力较差 若采用截面及厚度较大的巨型钢柱 钢一混凝土组合柱或采用约翰 考克大厦的巨型外交叉支撑 也许飞机在撞击时会在大楼的外部发生爆炸 不会进人楼内引发火灾 灾难也许能够避免 第十节钢结构的加固 一 钢结构加固的基本要求 1 钢结构的加固设计应综合考虑其经济效益 应不损伤原结构 以避免不必要的拆除或更换 2 钢结构加固设计应与实际施工方法紧密结合 并应采取有效措施保证新增截面 构件和部件与原结构连接可靠 形成整体共同工作 应避免对未加固部分或构件造成不利影响 3 钢结构的加固应根据可靠性鉴定所评定的可靠性等级和结论进行 经鉴定评定其承载力 包括强度 稳定性 疲劳等 变形 几何偏差等 不满足或严重不满足现行钢结构设计规范的规定时 必须进行加固方可继续使用 4 加固后钢结构的安全等级应根据结构破坏后果的严重 第十节钢结构的加固 程度 结构的重要性 等级 和加固后建筑物功能是否改变 结构使用年限确定 5 对于高温 腐蚀 冷脆 振动 地基不均匀沉降等原因造成的结构损坏 应先提出其相应的处理对策后再进行加固 6 对于可能出现倾斜 失稳或倒塌等不安全因素的钢结构 在加固之前 应采取相应的临时安全措施 以防止事故的发生 7 钢结构在加固施工过程中 若发现原结构或相关工程隐蔽部位有未预计损伤或严重缺陷时 应立即停止施工 会同加固设计者采取有效措施进行处理后方能继续施工 第十节钢结构的加固 二 钢结构加固施工注意事项钢结构加固施工注意事项见表5 4 三 钢结构加固的方法钢结构加固的常用方法有结构卸荷加固法 改变结构计算简图加固法 加大构件截面加固法等 四 火灾后的钢结构加固火灾损伤钢结构的修复加固工作首先是进行结构变形的复原 然后是进行承载力不足的加固 钢结构火灾变形的复原一般采用千斤顶复原法 具体步骤为 1 首先测定钢结构的变形量 确定复原程度 第十节钢结构的加固 2 确定千斤顶作用位置及千斤顶数量 3 安装千斤顶 4 操作千斤顶 将钢结构变形顶升复位 5 进行承载力加固 加固结束后再拆除千斤顶 五 钢结构加固实例 例5 12 钢托架卸荷加固 例5 13 钢柱加固 压弯构件 本章小结 一 钢结构工程质量事故产生的常见原因1 设计方面的原因 2 制作方面的原因 3 安装方面的原因 4 使用方面的原因 二 钢结构质量事故处理应注意的事项1 注意环境温度的影响 2 注意高温对结构安全的影响 3 正确选择焊接工艺 4 选择合理的连接方式 本章小结 三 钢结构材料事故的处理1 复检各项指标 2 焊缝处理 3 构件钢板夹层缺陷处理 四 钢结构变形事故的原因1 原材料变形 2 冷加工时变形 3 焊接 火焰切割变形 4 制作 组装变形 5 运愉 堆放 安装变形 6 使用过程中变形 本章小结 五 铆钉 螺栓连接常见缺陷1 铆打连接常见缺陷 1 铆打松动 2 打头开裂 3 铆打被剪断 4 漏铆以及个别铆打连接处贴合不紧密 2 高强螺检连接常见缺陷 均螺检断裂 2 摩擦型螺检连接滑移 3 连接盖板断裂 4 构件母材断裂 本章小结 六 钢结构构件裂缝产生的原因1 构件材质差 2 荷载或安装 温度和不均匀沉降作用 产生的应力超过构件承载能力 3 金属可焊性差或焊接工艺不妥 4 构件在动力荷载和反复荷载作用下疲劳损伤 5 构件遭受意外冲撞 本章小结 七 钢结构脆性断裂事故产生的原因1 材质缺陷 2 应力集中 3 钢板厚度 4 使用环境 八 钢结构加固的方法1 结构却荷加固法 2 改变结构计算简图加固法 3 加大构件截面加固法 图5 1钢结构工程质量事故产生的原因 表5 1钢网架事故的主要原因 表5 1钢网架事故的主要原因 图5 2钢结构材料事故处理措旅 图5 6钢结构变形事故的原因 图5 10铆钉连接缺陷处理措施 图5 11螺栓连接缺陷处理措施 图5 13钢结构构件裂缝处理措施 图5 15钢结构脆性断裂事故产生的原因 图5 16倒塌区局部平面示意图 图5 17钢构件防火方法 表5 4钢结构加固施工注竟事项