鋼結(jié)構(gòu)工程事故典型案例淺析

林振楊

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、建筑技術(shù)水平的提高，由于鋼結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)越和材料環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)工程越來越多。 尤其是21 世紀(jì)以來， 鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)為人們創(chuàng)造了令人矚目的成果，在大跨度、超高層建筑領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)大放異彩。 但是由于各種鋼結(jié)構(gòu)施工事件頻繁出現(xiàn)，沉痛的歷史教訓(xùn)不斷重復(fù)，給社會(huì)和企業(yè)造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失， 嚴(yán)重干擾了鋼構(gòu)行業(yè)的健康發(fā)展，更是威脅了廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。 表1 中列舉了一些典型工程實(shí)例。

表1 國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)工程事故實(shí)例

鋼結(jié)構(gòu)工程事故的分析，有助于我們認(rèn)識(shí)鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式及原因，為預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)工程事故的發(fā)生采取相關(guān)措施。本文選擇幾例典型鋼結(jié)構(gòu)工程事故進(jìn)行分析， 總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)事故的警示教訓(xùn)，提出預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)事故的對(duì)策，供設(shè)計(jì)、施工和使用單位參考。

2 鋼結(jié)構(gòu)事故類型及原因分析

2.1 事故類型

鋼結(jié)構(gòu)可能的損壞形態(tài)主要包括：鋼結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)狀態(tài)， 結(jié)構(gòu)構(gòu)件部分失穩(wěn)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性損傷，結(jié)構(gòu)構(gòu)件脆性損傷，結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞損傷。 按照破壞形式，鋼結(jié)構(gòu)事故的形式主要包括：整體坍塌，局部崩塌，脆斷事件，結(jié)構(gòu)變形事故，斷裂事故，連接錯(cuò)位等形式[2]。 以上事故形式也可以概括為以下兩大類：（1）整體事故，包括結(jié)構(gòu)的整體坍塌、錯(cuò)位、變形等；（2）部分事故，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件失穩(wěn)損壞、連接節(jié)點(diǎn)失效、結(jié)構(gòu)錯(cuò)位、變形和部分坍塌等。

2.2 事故原因

鋼結(jié)構(gòu)工程一般可分成3 個(gè)階段，即設(shè)計(jì)階段、施工安裝階段和運(yùn)行維護(hù)階段[3]。 3 個(gè)階段鋼結(jié)構(gòu)工程事故發(fā)生的常見原因如下。

1）設(shè)計(jì)階段：建模錯(cuò)誤，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)有誤；對(duì)結(jié)構(gòu)承受的荷載作用估計(jì)不足；未能按照國家鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析簡圖不合理；構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)不符合要求；對(duì)建筑材料使用規(guī)定不恰當(dāng)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型和設(shè)計(jì)方案不合理等。

2）制作施工階段：安裝方式不當(dāng)；鋼材品質(zhì)低下；結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度剛度不夠；未能嚴(yán)格遵守按施工圖進(jìn)行施工；安裝工序不對(duì)、施工操作失誤；制作尺寸誤差較大；安裝焊縫質(zhì)量低下；擅自修改設(shè)計(jì)圖紙，使得建筑結(jié)構(gòu)的受力與設(shè)計(jì)意圖不相符；未能嚴(yán)格遵守有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢查驗(yàn)收；有偷工減料現(xiàn)象；缺乏熟練的技能人員和高素質(zhì)管理者；吊裝、定位、校正等方式均不準(zhǔn)確；臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度不夠；操作穩(wěn)定性性較低；防火防腐措施不合格等。

3）使用維護(hù)的階段：地震、大火、風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)天然災(zāi)害；戰(zhàn)亂、恐怖主義侵襲等人造災(zāi)難；養(yǎng)護(hù)要求不良、材性變化（銹蝕、疲勞）；違反運(yùn)行要求（超載、亂開洞）；改建方法不對(duì)；建筑物地基嚴(yán)重下沉；工業(yè)生產(chǎn)要求變化和生產(chǎn)操作錯(cuò)誤等。

3 鋼結(jié)構(gòu)事故典型案例分析

3.1 紐約世貿(mào)中心大樓倒塌

3.1.1 項(xiàng)目簡況

紐約世界貿(mào)易中心建于1966 年，1973 年完成， 共110 層，地上建筑總高度為411 m，地下建筑高為21 m，標(biāo)準(zhǔn)樓平面尺寸為63.5 m×63.5 m，建筑主要采用全鋼筒中筒結(jié)構(gòu)體系。 外筒為間距較密的柱列，建筑9 層以上部分柱距為1.02 m，9 層以下部分柱距為3.06 m，結(jié)構(gòu)內(nèi)筒為樓梯、電梯等附屬用房，結(jié)構(gòu)外筒與內(nèi)筒的距離為18 m 和10.7 m， 內(nèi)外筒間由空腹桁架樓板連接。 在空腹桁架的上下弦和外框架的連接處均設(shè)定有阻尼器[4]。

3.1.2 事故概況及原因分析

2001 年9 月11 日，美國紐約世貿(mào)中心被由恐怖主義分子所挾持的客機(jī)擊中，整個(gè)大廈全部起火后垂直倒塌，事故中，結(jié)構(gòu)所承受的荷載作用，包含了飛機(jī)沖擊作用、爆炸燃燒、樓板超載等極其偶然的負(fù)荷，結(jié)構(gòu)整體破壞時(shí)間歷經(jīng)1～2 h，屬于結(jié)構(gòu)延性破壞。 大廈在遭受飛機(jī)撞擊后，形成了薄弱層，然后在航空燃油劇烈燃燒的高溫作用下， 支撐大廈的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失承載力而引起的。 事故原因一般可分為外因和內(nèi)因，外因?yàn)椋?飛機(jī)碰撞而產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力； 火災(zāi)事故所生成大批熱量。 內(nèi)因?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)部分梁柱構(gòu)件被剪斷，成為薄弱層；鋼筋軟化，樓面局部失穩(wěn)；上部倒塌形成的沖擊力，產(chǎn)生了多米諾骨牌效應(yīng)。

3.1.3 事故教訓(xùn)及警示

美國世貿(mào)中心的恐襲災(zāi)難， 必然給工程設(shè)計(jì)和建造規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)造成一系列的重大改變，例如，緊急通信系統(tǒng)必須更新升級(jí)以確保迅速通告各類工作人員撤離和告知最安全可靠的撤離通道；防火措施和防止恐怖襲擊再一次受到重視；在設(shè)計(jì)超高層建筑物時(shí)，也應(yīng)適當(dāng)充分考慮撞擊等偶然負(fù)荷的影響。

3.2 法國戴高樂機(jī)場候機(jī)樓屋頂?shù)顾录?/h3>

3.2.1 工程概況法國戴高樂機(jī)場候機(jī)大樓是由鋼、 玻璃以及混凝土內(nèi)殼組成一個(gè)650 m 長橢圓形管。 它是個(gè)與眾不同的結(jié)構(gòu)形式，其體系的復(fù)雜程度使它受到的力的分配和傳力途徑很難想象和計(jì)算分析。其屋蓋由長26.2 m，寬4 m，厚0.3 m 的曲線形的混凝土殼體單元所構(gòu)成。 全跨由3 個(gè)預(yù)制結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，左右兩部分的最外側(cè)均由曲線形的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加固， 用每隔一定長度的直撐桿件將曲線形的鋼結(jié)構(gòu)與混凝土外殼相連接。混凝土殼體坐落在縱向的兩根梁上， 縱向梁則的支撐和約束在柱子上面。 屋蓋殼體上很規(guī)則的開有幾個(gè)小孔，而在破壞的地方則開了較大的孔洞，以便于登機(jī)橋通行。

3.2.2 事件概況及原因分析

2004 年5 月23 日，法國戴高樂候機(jī)樓2E 候機(jī)廳頂棚出現(xiàn)了倒塌事件， 事發(fā)時(shí)好幾噸的水泥碎塊從候機(jī)廳的屋頂落下后，散落在大概50 m×30 m 的地面范圍內(nèi)，事故獨(dú)立調(diào)查組發(fā)布的調(diào)查報(bào)告指出， 工程設(shè)計(jì)之初考慮的偶然性安全系數(shù)不夠造成了結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度儲(chǔ)備很低。 引起結(jié)構(gòu)坍塌的還存在多種因素：（1）結(jié)構(gòu)配筋的缺失或錯(cuò)放，使殼體內(nèi)部出現(xiàn)了一些裂紋， 而這種裂紋又使原本在恒荷載及外界作用 （如高溫）下就極其“柔性”的結(jié)構(gòu)構(gòu)件繼續(xù)破壞；（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件缺少一定的冗余約束， 在結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)損壞時(shí)缺乏另外的途徑來傳導(dǎo)壓力；（3）撐桿與殼體連接處具有很高的沖剪應(yīng)力；（4）橫縱梁及其與立柱的節(jié)點(diǎn)連接均很脆弱[5]。

3.2.3 事故教訓(xùn)及警示

此事故提醒人們應(yīng)當(dāng)特別注意因沖剪損壞而導(dǎo)致建筑倒塌的危險(xiǎn)性。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)著重避免沖剪損壞；構(gòu)件局部破壞時(shí)因結(jié)構(gòu)整體體缺乏冗余度，而無從實(shí)現(xiàn)內(nèi)力的重新分布；軟弱結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋錯(cuò)放問題的敏感性； 溫度變化所導(dǎo)致的內(nèi)力重分布等。 對(duì)與眾不同的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)由單獨(dú)的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，在更嚴(yán)格的建模和分析結(jié)果上加以校對(duì)審核。

3.3 南方特大冰雪災(zāi)害鋼結(jié)構(gòu)事故

3.3.1 概況

2008 年1 月以來，受強(qiáng)降雪災(zāi)害的沖擊，我國南方各地許多高壓輸電鐵塔和移動(dòng)通信鐵塔坍塌，嚴(yán)重影響了各地的供電正常運(yùn)行和人民群眾的生產(chǎn)生活。鐵塔結(jié)構(gòu)的破壞有的是全部坍落，有的則是向中間彎倒，有的鐵塔頸部出現(xiàn)扭折，損壞形式各異。另外，受強(qiáng)降雪災(zāi)害許多輕鋼構(gòu)廠房整體坍塌，有的剛架梁、立柱嚴(yán)重屈曲失穩(wěn)，有的檁條、墻板扭曲斷裂，屋面板嚴(yán)重坍塌，剛架柱腳全部拔出，整個(gè)廠區(qū)結(jié)構(gòu)幾乎徹底毀壞，企業(yè)損失慘重[6]。

3.3.2 事故成因

分析本次事故產(chǎn)生的因素有很多方面，一方面降雪、凍雨災(zāi)害是造成事故產(chǎn)生的外在誘因，另一方面工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和使用維護(hù)等方面所產(chǎn)生的安全隱患是事故發(fā)生的內(nèi)在因素。 具體來說，包括了如下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)要求條件與現(xiàn)場實(shí)際情況不相符；（2）設(shè)計(jì)假定和計(jì)算簡圖不恰當(dāng)；（3）屋面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)不合理；（4）防腐除銹措施不完善；（5）構(gòu)件連接焊縫質(zhì)量不良。

3.3.3 事故教訓(xùn)及警示

此次事件應(yīng)該引起了鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員的關(guān)注， 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雪壓取值也應(yīng)考慮加大，新修訂的GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的基本雪壓就改為了100 年重現(xiàn)期的雪壓取值。 在鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營維護(hù)過程中，要做好對(duì)廠房的定期檢查與保養(yǎng)， 做好對(duì)雪災(zāi)的預(yù)防， 及時(shí)做出反應(yīng)，盡可能快地對(duì)結(jié)構(gòu)屋面進(jìn)行清雪減壓。

4 鋼結(jié)構(gòu)事故預(yù)防措施

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程事故原因的分析，針對(duì)工程項(xiàng)目各階段，提出鋼結(jié)構(gòu)工程事故預(yù)防對(duì)策如下。

設(shè)計(jì)階段措施：（1）按照國家制定的建筑設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求，完善建筑設(shè)計(jì)的審查機(jī)制；（2）現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)應(yīng)回歸“適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的設(shè)計(jì)理念，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)具備一定的冗余度；（3）設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，并充分考慮最不利的荷載組合，對(duì)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，也要確保結(jié)構(gòu)整體的安全裕度；（4）對(duì)較復(fù)雜性鋼結(jié)構(gòu)工程,應(yīng)使用兩個(gè)及以上的計(jì)算軟件完成計(jì)算校核。

施工階段措施：（1）針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的安裝，要編制專項(xiàng)安裝施工計(jì)劃，并做好仿真分析設(shè)計(jì)；（2）安裝施工方案必須經(jīng)過設(shè)計(jì)單位的確認(rèn)， 必要時(shí)應(yīng)邀請(qǐng)專家對(duì)安裝方案進(jìn)行分析評(píng)審；（3） 執(zhí)行質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、 施工管理必須認(rèn)真負(fù)責(zé)；（4）主要管理鋼材的質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)連接焊縫質(zhì)量；（5）對(duì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足的工程從業(yè)人員要加強(qiáng)專業(yè)培訓(xùn)。

營運(yùn)維護(hù)階段措施：（1）完善消防安全控制，減少火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防火災(zāi)事故；（2）定期檢查鋼結(jié)構(gòu)的使用狀況，如銹蝕、疲勞、變更使用條件、亂開洞等；（3）針對(duì)惡劣天氣，需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)采取必要的安全措施。

最后，通過完善企業(yè)的經(jīng)營標(biāo)準(zhǔn)，建立健全質(zhì)量檢驗(yàn)與監(jiān)理體系，以防止企業(yè)重效益輕質(zhì)量，不公平競爭等，進(jìn)一步注重結(jié)構(gòu)安全，力求零責(zé)任事故，以推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的健康與迅速發(fā)展。

5 結(jié)語

從鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)生的事故案例中， 總結(jié)出防范鋼結(jié)構(gòu)工程事故的關(guān)鍵點(diǎn)在于：設(shè)計(jì)過程中對(duì)荷載作用的充分考慮，結(jié)構(gòu)選型和選材合理，適當(dāng)預(yù)留安全冗余度。 施工安裝過程對(duì)圖紙要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要嚴(yán)格遵守， 施工方案和安裝順序合理，施工安裝質(zhì)量過硬。 鋼結(jié)構(gòu)建筑使用過程中注意定期檢查維護(hù)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取有效的處理措施。