钢结构坍塌事故案例分析

钢结构坍塌事故案例分析班级：土木122PPT：梁兆威演讲：关先钦组员：梁兆威关先钦工程概况某国际展览馆建筑面积达5万多㎡，主馆由A、B、C、D4个展馆组成。这4个展馆的建筑造型和结构体系完全相同，且相互独立。单个展馆的平面尺寸为172m×73m，横向两端各悬挑2.6m，纵向两侧悬挑8.85m，东侧悬挑2.6m。屋面结构采用螺栓节点网架，下弦柱点支承，网架屋面材质为Q235B，屋架最高点的标高为23.157m，矢高2.38m~4.5m。采用箱型柱，柱与屋面结构交接，采用过渡钢板加螺栓的平板压力支座，柱脚为外包式刚接柱脚。该网架结构中部为平面桁架体系，其外部在横向两端为正方四角锥网架，平面桁架之间在上下弦平面内用刚性连系杆与两侧四角锥网架体系，形成中部浅拱支撑结构体系。主馆网架结构使用滑移脚手架施工安装平台，采用高空散装法进行施工。建成后的展馆坍塌事故概况某年某月某时，A馆作业时突然倒塌。A馆当时有两组工人在同时作业，一组在建筑物西侧吊装悬挑部分锥体，另一组在更换弯曲杆件。据当事人介绍，一名施工人员在用焊机切割更换一根上弦杆时，网架发生剧烈晃动，然后中间钢柱向内倾斜，网架中部出现下陷，随后由中间沿长度方向向两边波及，网架整体落地后，上弦向东侧倾倒，整个过程不到一分钟，另据目击者描述，网架坍塌过程中，纵向中部有两根杆件相继出现“下摆“现象，疑似为下弦杆。经过事故现场进行勘察发现，网架坍塌部位主要集中在平面桁架部分；南北两端的柱大部分发生倾斜，很多钢柱与基础脱离，南面基础混凝土发生不同程度脆裂，部分柱锚被拉断；中间的平面桁架呈现由西向东多米诺骨牌式的跌倒状，杆件弯曲，多处螺栓节点被剪断；南北两端的3层网架基本上整体坍塌，东西两端的四角锥网架并未发生倒塌，但部分杆件弯曲变形；北端的钢柱随网架一同倒塌，南端的网架与支座脱离。坍塌原因分析一.设计原因二.施工原因设计原因分析1）平面桁架未设置纵向斜腹杆，结构整体稳定性差《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91第2.0.6条建议“平面形状为矩形，多支点支撑网架，可根据具体情况选用：正方四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架。”通过比较可以发现，该工程所采用的网架结构同传统的两向正交正放网架相比，其在四周增设了3层网架和正放四角锥网架，且中间的平面桁架又抽除了纵向斜腹杆，横向桁架间仅在上、下弦平面和整体稳定性都发生了很大变化。由于追求建筑上简洁、通透的效果，建筑师反对使用正放四角锥网架，坚持采用桁架结构。同时，由于建筑通透感的要求，再加上部分夹角过小，螺栓不好配，设计人员遂将受力较小的纵向桁架斜腹杆抽除，以免结构显得凌乱。在这种情形下导致结构的安全储备太低。此次因为割断一根杆件就导致大规模垮塌事故发生，也正说明了这一点。设计原因分析2）桁架间未设置交叉支撑要提高结构的整体稳定性和刚度，仅仅增加纵向斜腹杆是不够的。该展览馆屋盖中间的桁架区域面积达到126m×60.5m，如此大的区域却没有设置任何的交叉支撑。如果在上下弦各增设几道水平支撑，将中部的片体桁架分割成若干个小区域，不仅可以提高结构的稳定性，倘若一个杆件发生了破坏，也可以通过这些交叉支撑的分隔作用使破坏不会蔓延到其他区域，导致结构整体的连续性倒塌。设计原因分析3）平面桁架采用螺栓球节点桁架结构通常都是用钢管直接相贯焊接而形成相贯节点，采用螺栓球节点连接的并不多见，螺栓球节点一般用于跨度不大的轻型四角锥网架和三角锥网架。该工程如此大跨度的平面桁架，应该采用相贯节点而非螺栓球节点，可能只考虑了安装施工速度快而采用了螺栓球节点。4）纵向系杆刚度差该工程纵向水平系杆上弦采用的是Φ75.5×3.75的圆管，下弦采用Φ60×3.50的圆管，系杆长度约为2.3m，而横向桁架的上弦多为Φ159×10的圆管，下弦管截面尺寸多为Φ159×8，纵向系杆的截面相比就小了很多。施工原因分析1）施工操作方式不当，更换杆件时未采取加固措施施工人员在切割更换系杆时，施工单位并没有在事前提供更换方案，对原结构也无任何防护和保护措施，由此引起上弦杆平面外失稳而导致连续坍塌。2）螺栓球存在假拧紧现象当采用手动扳手拧紧时，高强螺栓可能达不到紧密顶紧的程度，所以此种节点连接的可靠性极大地依赖于安装质量。坍塌事故警示网架结构本身是安全储备度很高的，即使是一些杆件退出工作，也可以通过自身的内力重分布进行调节。但此项事故不得不引起人们深思，在追求结构创新、用钢量最低的同时绝不可以牺牲必要的结构冗余度。可以说，几乎所有的网架倒塌事故都是冗余度不足造成的。提高结构的冗余度从结构选型、平面布置、构造措施、施工质量等多方面综合考虑、共同控制，对于关键构件要进行重点保护，保证在结构遭受偶然荷载作用时，这些关键构件不会立即发生失效，同时外加荷载可通过其他构件的塑性发展而重新分布，从而达到提高整个建筑整体性和坚固性、防止发生连续性倒塌的目的。此次事故正是因为该结构冗余度过低，恰恰又是关键杆件被毫无防护地抽除，最终导致了网架整体的连续性垮塌。感谢您的聆听