钢结构稳定事故案例和原因分析 1

来源：  唯结构  公 众 号    

绪论    

钢结构建筑面临着两大问题：一是稳定，二是防腐和防火。其中，稳定问题占了钢结构基本理论的大部分内容。长期以来，钢结构稳定问题

不断地困扰着工程设计人员，这源于学校对结构稳定理论知识讲授不足。很多设计人员有关结构稳定知识仅局限于《材料力学》和《钢结构》课程的介绍，两者主要介绍单个构件弹性和弹塑性稳定。相对于实际工程结构的复杂多变，这是远远不够的，尤其是弹塑性稳定。

接下来，我们将“从特殊到一般，从一般再到特殊”的顺序给大家逐步呈现稳定的面貌。稳定包含的内容多种，有轴压构件稳定、压弯构件稳定、扭转稳定、板件稳定、不同类型结构的整体稳定等等，如果设计人不了解各种稳定的计算方法和表现形式，可能会引发安全事故。那我们就从事故中去学习“稳定”，看看它的具体表现形式。

此部分受制于篇幅原因，小编分成了两篇内容给大家汇报因“稳定”或“稳定承载力”导致的钢结构事故。钢结构事故的原因多种多样，除稳定外，还有腐蚀防火设计、使用和维护不当、施工质量、超设计荷载、材料和构件生产缺陷、低温脆断、计算的边界条件与实际情况不符、疲劳破坏等与钢结构稳定不直接相关的因素引起的倒塌，不在此系列汇报范围之内。如有遗漏，可加客服微信，进入交流群，大家共同沟通学习。

本文很多案例图片摘于其他公众号文章，小编对这些文章作者表示由衷的感谢！

1、施工顺序有误导致的结构倒塌    

该项目为单层门式刚架结构，钢柱高度较高，柱底为铰接做法，抗弯刚度很弱，几近于机构，此时没有倒塌实属万幸；钢柱工字钢截面，未及时安装柱间交叉支撑和临时支撑，仅有刚性系杆是无法对钢柱产生侧向支撑作用的。

图1 事故案例：先安装所有的门式刚架柱

安装钢梁后，又未及时安装其水平支撑体系。风荷载诱使钢梁发生侧向变形而失稳破坏，钢梁失稳会产生较大的梁端扭转，导致柱子侧向失稳，在刚性系杆的带动下，发生整体结构的连续性倒塌。

图2 事故案例：安装钢梁后发生连续性倒塌

钢柱侧向失稳会产生较大的柱底二次弯矩，地脚锚栓被拔出。

图3 事故案例：地脚锚栓被拔出

《钢结构通用规范 GB55006-2021》7.1.4条规定：钢结构安装方法和顺序应根据结构特点、施工现场情况等确定，安装时应形成稳固的空间刚度单元。

正确施工顺序 ：支撑应与连接刚架同步安装，先施工一个或多个封闭且稳定的空间支撑体系后，再依次安装相邻钢架，安装过程中及时拉结刚性系杆，安装刚架时应采取防止刚架侧向失稳的施工措施。

在安装柱脚铰接或高度较大的钢柱时，柱底板四周需设置垫块；钢柱平面内应增设可靠的临时支撑，平面外及时与稳定体系拉结刚性系杆，并保证柱间支撑及其刚性系杆已经提前安装完毕；及时进行底板下的二次灌浆工作；待与柱连接的钢梁、水平支撑或刚性系杆安装完成后，方可撤去防止钢柱和钢梁侧向失稳的施工措施。

图4 正确的施工顺序示意图

除此之外， 单向或双向平面桁架钢屋盖 也应先施工封闭且稳定的支撑体系。

图5 单向桁架钢屋盖施工

  图6 仅有刚性系杆不能作为可靠的侧向支撑体系

综上所述，结构设计师在遇到门式刚架、钢桁架屋盖等类似项目时，应在图纸和技术交底文件中，明确相应结构的施工顺序；审核施工措施和施工设计文件，对温度敏感结构，还应增加对合拢温度的相关规定；在保证施工安全的前提下，应尽可能减小因施工不当产生的额外的构件稳定应力。

复杂钢结构项目应增加施工模拟验算，施工模拟须与实际情况相符，当设计的施工次序与实际情况不符时，应进行设计复核，变形和应力比须满足设计要求，且与正常设计结果相差不大；如果施工顺序避不可免地对构件内力产生较大影响时，应以施工模拟的内力和变形状态为基础，再施加额外的正常使用阶段荷载和地震作用，来保证全设计过程中结构和构件变形、应力比均满足要求。

图7 施工次序模拟分析

2、梁柱铰接导致的倒塌    

该项目本是框架结构体系，钢柱采用工字钢截面，但梁柱连接节点设计成了铰接形式，导致钢柱出现“稳定”问题。

  图8 事故案例：梁柱铰接而倒塌

施工人员在浇筑混凝土时，钢柱失稳发生了倒塌事故，造成人员伤亡。此类结构形式本就是违规的，大多是未经正规设计的违章建筑，但此类事故却频频出现在大众视野，科普一些建筑安全知识是有必要的。

图9 事故案例：浇筑混凝土时发生倒塌

图10所示的“框架结构”是不允许的，应保证梁柱刚接。我们知道，排架结构平面方向允许钢柱或格构柱悬臂，但规范中对柱计算长度系数、承载力和位移角等参数指标做出了明确要求，可保证柱子截面满足正常使用要求；平面外方向应采用（梁柱刚接的）框架结构或“刚性系杆+柱间支撑”的结构形式。

图10 框架结构中不允许出现数量较多的梁柱铰接节点

图11 框架结构形式

“梁柱铰接（刚性系杆）+柱间支撑”结构形式的可广泛应用于层数较少的民房、幕墙和景观建筑，如图13~16所示。此类结构形式施工简单，施焊作业少。

图12 “梁柱铰接（刚性系杆）+柱间支撑”的计算示意简图

图13 “梁柱铰接（刚性系杆）+柱间支撑”结构案例1

图14 “梁柱铰接（刚性系杆）+柱间支撑”结构案例2

图15 “梁柱铰接（刚性系杆）+柱间支撑”结构案例3

图16 “梁柱铰接（刚性系杆）+柱间支撑”结构案例4

3、地脚锚栓在施工阶段受压失稳破坏      

图17 地脚锚栓受压失稳破坏

本项目钢柱倒塌的原因是，预留的二次灌浆厚度（或柱脚底板至混凝土上表面的地脚锚栓预留厚度）较大，柱脚底板底部四周也未增设垫板。当钢柱过高或过重，地脚锚栓是按抗拉进行设计的，在初始缺陷和外部水平荷载作用下，可能会使部分地脚锚栓压屈，钢柱发生歪斜，柱底产生较大的二次弯矩也会将另一部分地脚锚栓拔断。

因此，在施工时，施工单位应控制好土建和柱脚底板的标高，按照图纸要求预留二次灌浆的厚度，待钢柱调平后，应及时在柱脚底板底部四周增设垫板，及时完成二次灌浆工作；设计单位应根据柱高和柱重、柱底是否为铰接等情况，适当增大地脚螺栓直径，对施工过程中的潜在危险和施工措施应做好施工交底工作。