鋼結構事故分析與處理

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 鋼結構事故分析與處理

——鋼結構防火與節(jié)點設計淺談 文摘]隨著國民經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，鋼結構的應用范圍日趨廣泛。由于其應用 及結構形式發(fā)展較快，也帶來一些新問題。本文簡析了鋼結構設計中的節(jié)點設計和防火問 題。 [關鍵詞]鋼結構節(jié)點設計防火 1前言 人類社會發(fā)展至今，科學技術作為第一生產(chǎn)力已日益顯示出其重要性。鋼結構作為 一種傳統(tǒng)的建筑結構產(chǎn)業(yè)，近年來在我國得到了廣泛的發(fā)展。鋼結構通常用于高層、大 跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求 能活動或經(jīng)常裝拆的結構。如：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、 住宅和臨時建筑等。這和鋼結構自身的特點如材料強度高、自重輕、塑性及韌性好、抗 震性能好、工業(yè)裝配化程度高、造型美觀、綜合經(jīng)濟效益優(yōu)以及符合綠色建筑等眾多優(yōu) 點相一致。但是，隨著科技的進步，人們對事物認識的全面深入，鋼結構的一般缺陷也 越來越顯著。縱觀鋼結構的發(fā)展歷程，我們也看到世界范圍內(nèi)的鋼結構事故頻繁發(fā)生， 給人類造成了巨大的損失，但同時也得到了諸多的經(jīng)驗教訓。 隨著人們對鋼結構認識的深入，發(fā)現(xiàn)其諸多缺陷在設計、施工和使用中都是可以補 救或避免的，因此，鋼結構事故的發(fā)生越來越取決于人為因素，即事故的發(fā)生多是由于 在設計、施工、使用過程中很多人為的錯誤積累重復而綜合引起的。 為避免事故的發(fā)生，在鋼結構設計的整個過程中都應該強調(diào)“概念設計”，它在結 構選型與布置階段尤其重要。對一些難以做出精確理性分析或規(guī)范還未規(guī)定的問題，可 依據(jù)從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗 所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可 以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、 定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分 析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。 但是，目前在鋼結構的設計中存在著兩個重要但又是很難解決的問題，一是連接節(jié) 點的形式和處理問題，二是鋼結構的防火問題，現(xiàn)已倍受人們的關注。鋼結構事故往往 是由于結構體系喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生的（構件的或整體的），在正常設計或正常使用中這 可以通過加強支撐以提高結構的剛度來解決。 2節(jié)點設計 連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中的重要內(nèi)容之一。在結構分析前就應該對節(jié)點的形 式有充分地思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是——最終設計的節(jié)點與結構分析模型中 使用的形式不完全一致，這種情況必須避免。按照傳力特性的不同，節(jié)點分剛接，鉸接 和半剛接。常用的設計參考書都有很多值得推薦的節(jié)點做法及計算公式。 連接節(jié)點有等強設計和實際受力設計這兩種常用的方法。連接的不同對結構影響甚 大，有些連接根據(jù)經(jīng)驗或計算不好辨別是剛接還是鉸接。比如，有的剛接節(jié)點雖然承受 彎矩沒有問題，但會產(chǎn)生較大的轉動，不符合結構分析中的假定，會導致實際工程變形 大于計算數(shù)據(jù)等不利結果。節(jié)點是剛接還是鉸接會影響計算模型的確定進而影響計算的 內(nèi)力值。 具體設計中需要注意的主要問題包括： （1）焊接 對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強制規(guī)定，應嚴格遵守。焊條的選用應與被連 接金屬的材質(zhì)相適應。E43對應Q235，E50對應Q345。Q235與Q345連接時，應該選 擇低強度的E43，而不是E50。焊接設計中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應盡量與被 連接構件的重心接近。其它詳細內(nèi)容可查詢規(guī)范中關于焊縫構造方面的規(guī)定。 （2）栓接 鉚接這種形式在建筑工程中現(xiàn)已很少采用。普通螺栓抗剪性能差，可以在次要結構 部位使用。高強螺栓使用日益廣泛，常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據(jù)受力特點分 承壓型和摩擦型，兩者計算方法不同。高強螺栓最小規(guī)格M12，常用M16～M30。超 大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設計中應慎重使用。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要 連接。國外在低層墻板式住宅中，也常用于主結構的連接。 （3）連接板 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。然后驗算凈截面抗剪等。 （4）梁腹板 應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。 （5）節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等，應 盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。 此外，節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需 要數(shù)控機床等設備才能完成。 節(jié)點往往是事故產(chǎn)生的源點，節(jié)點的處理不當特別是焊縫質(zhì)量問題，很容易產(chǎn)生應 力集中，從而導致局部屈曲或者形成疲勞破壞源或者脆性破壞等。對于鋼結構要定期進 行安全質(zhì)量檢查鑒定。 3鋼結構火災消防 耐火極限是撲救建筑火災的重要指標。長久以來，在滅火作戰(zhàn)中并未對范雛澄院士 提出的“釋熱速率”引起足夠的重視并開展應有的研究。不同的物質(zhì)會以怎樣的方式燃 燒，在固定的時間里能產(chǎn)生多少熱量，并對建筑造成什么危害等等諸如此類的問題，往往被遺忘和冷落。時代在發(fā)展，科技在進步，我們對火災的研究不能只停留在燃燒三要 素、滅火的四種基本方法上，而應重視和加強火災的基礎研究工作，特別是燃燒過程的 基本理論方面的研究，把重點放在燃燒動力學、火焰輻射和燃燒產(chǎn)物的熱化、物質(zhì)的可 燃性及火災傳播等方面，更進一步掌握火災過程的本質(zhì)和科學規(guī)律，并把這些研究成果 迅速轉化為消防戰(zhàn)斗力。只有這樣，我們才能更好去應對火災，消滅火災。 起其它結構相比，鋼結構發(fā)生火災是更危險的事故。因為鋼材的力學性能對溫度變 化很敏感。溫度升高時，鋼材的各項指標如屈服強度、抗拉強度、彈性模量等的總趨勢 是降低的。特別是在300℃以上時，鋼材產(chǎn)生徐變，當溫度繼續(xù)上升到400℃以上時， 其性能指標更是明顯降低而趨于零。 我們要認識到：任何結構都經(jīng)不起“火煉”，如果結構構件受到火災侵害，強度降 低或喪失了承載能力，房屋倒塌就在所難免。鋼材受火后會軟化，鋼結構在火災中失效 表現(xiàn)為瞬間倒塌。受火后房屋結構倒塌基本都無預兆，類似于脆性破壞，很難判斷倒塌 時間。 常見的建筑火災中，人員傷亡多是由于煙氣中毒窒息所致，財產(chǎn)損失也限于室內(nèi)物 品毀壞等。房屋結構在火災中會受到不同程度的損傷，產(chǎn)生局部損壞或塌陷，但很少發(fā) 生整體房屋倒塌現(xiàn)象。這是因為，一般房屋滿足《建筑防火規(guī)范》要求，結構構件本身 具有一定的抗火能力，或采取了一定的防火保護措施，一旦發(fā)生火災，在其有效的耐火 時間內(nèi)火災得到了控制和撲滅。但若未能及時滅火，結構構件受到火災的進一步侵害， 強度降低或喪失了承載能力，房屋倒塌就在所難免了。衡州大廈正是由于結構受火災時 間過長，底層結構喪失承載力而導致結構整體破壞的。 《建筑防火規(guī)范》根據(jù)房屋和結構構件重要性的不同，提出了房屋不同的防火等級 和構件不同的耐火極限，其目的主要是能保證有足夠的時間進行有效的營救和滅火，以 保護主體結構的完好性。根據(jù)理論研究，鋼材有時效硬化作用，長期使用過的鋼結構， 其材料內(nèi)部發(fā)生化學反應，強度會降低，塑性和韌性也會降低，同時脆性增強。同樣， 鋼結構受火災時，用水滅火是否會進一步降低其強度，或者出現(xiàn)脆性破壞，造成結構危 險，目前對這方面的研究尚未引起足夠的重視。 鋼材由于受火后會軟化，鋼結構在火災中失效表現(xiàn)為瞬間倒塌（類似于失穩(wěn)破壞）。 按照常規(guī)設計的房屋，應具有防火規(guī)范所要求的耐火極限，超過這一極限后，結構就很 不安全，或發(fā)生局部塌陷，或發(fā)生整體倒塌。因此，現(xiàn)場營救和滅火應根據(jù)房屋的不同 耐火極限制定不同的實施方案。對于火燒后已不安全的房屋，一般不應進入房屋內(nèi)部滅 火。 另外，應該加強在設計、施工、使用中的維護與鑒定工作，避開人為的失誤，以切 實控制和避免鋼結構事故的發(fā)生。對于鋼結構的防火問題，目前主要采取的措施是建筑 防火布局、采用耐火性能強的結構材料、結構選型、采用防火涂料等。最普遍的方式是 采用各種不同耐火性能的防火涂料。 現(xiàn)有的防火涂料主要分為厚型鋼結構防火涂料和薄型鋼結構防火涂料。厚型鋼結構 防火涂料的主要成分為無機物，穩(wěn)定性較好，耐氧化、耐輻射，可通過增加涂層厚度以 提高耐火極限，但是其裝飾效果較差，并且所占截面面積較大。而薄型鋼結構防火涂料 一般為有機物，耐老化性及降解性能較差，長期使用被氧化后又可能達不到防火效果。因此，現(xiàn)實中很有必要尋求其它方法來防火，或者尋求其它能夠?qū)摬木o密包裹、共同 作用、一起受力、耐熱耐火且不透熱的防火涂料。如在鋼構件外先涂一層熱反射材料， 再在其外涂耐高溫防火材料。對于露天鋼結構的防火保護問題，仍然需要開發(fā)新的防火 材料。 當然，在鋼結構的抗火設計計算方面，也需要進行大量的研究?，F(xiàn)有的關于鋼結構 抗火性能實驗資料的不足，火災中升溫條件的不同，影響火災具體升溫情況的諸多因素， 導致了現(xiàn)有的設計方法也有很多不確定性因素，很多計算公式大都是模擬、擬合近似的 結果。隨著社會的發(fā)展，這遠不能滿足人們對鋼結構建筑物及其它建筑的防火耐火要求。 4結束語 節(jié)點設計和防火設計在鋼結構設計中是非常重要的，一旦發(fā)生事故，帶來的后果是 極其嚴重的。因此，設計人員要不斷充實鋼結構設計思維，學習先進的設計經(jīng)驗，突破 傳統(tǒng)結構約束，以不斷適應新形勢的要求。