鋼結(jié)構(gòu)事故分析與處理

——鋼結(jié)構(gòu)防火與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)淺談
文摘]隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍日趨廣泛。由于其應(yīng)用
及結(jié)構(gòu)形式發(fā)展較快，也帶來一些新問題。本文簡析了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和防火問
題。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)防火
1前言
人類社會發(fā)展至今，科學(xué)技術(shù)作為第一生產(chǎn)力已日益顯示出其重要性。鋼結(jié)構(gòu)作為
一種傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)，近年來在我國得到了廣泛的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大
跨度、體型復(fù)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)如材料強(qiáng)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(jì)效益優(yōu)以及符合綠色建筑等眾多優(yōu)
點(diǎn)相一致。但是，隨著科技的進(jìn)步，人們對事物認(rèn)識的全面深入，鋼結(jié)構(gòu)的一般缺陷也
越來越顯著�？v觀鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，我們也看到世界范圍內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)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(yàn)教訓(xùn)。
隨著人們對鋼結(jié)構(gòu)認(rèn)識的深入，發(fā)現(xiàn)其諸多缺陷在設(shè)計(jì)、施工和使用中都是可以補(bǔ)
救或避免的，因此，鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)、施工、使用過程中很多人為的錯誤積累重復(fù)而綜合引起的。
為避免事故的發(fā)生，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個過程中都應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“概念設(shè)計(jì)”，它在結(jié)
構(gòu)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(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)
所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可
以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、
定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時，它也是判斷計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(diǎn)的形式和處理問題，二是鋼結(jié)構(gòu)的防火問題，現(xiàn)已倍受人們的關(guān)注。鋼結(jié)構(gòu)事故往往
是由于結(jié)構(gòu)體系喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生的（構(gòu)件的或整體的），在正常設(shè)計(jì)或正常使用中這
可以通過加強(qiáng)支撐以提高結(jié)構(gòu)的剛度來解決。
2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前就應(yīng)該對節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)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(diǎn)分剛接，鉸接
和半剛接。常用的設(shè)計(jì)參考書都有很多值得推薦的節(jié)點(diǎn)做法及計(jì)算公式。
連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)這兩種常用的方法。連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚
大，有些連接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算不好辨別是剛接還是鉸接。比如，有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受
彎矩沒有問題，但會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定，會導(dǎo)致實(shí)際工程變形
大于計(jì)算數(shù)據(jù)等不利結(jié)果。節(jié)點(diǎn)是剛接還是鉸接會影響計(jì)算模型的確定進(jìn)而影響計(jì)算的
內(nèi)力值。
具體設(shè)計(jì)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(qiáng)制規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格遵守。焊條的選用應(yīng)與被連
接金屬的材質(zhì)相適應(yīng)。E43對應(yīng)Q235，E50對應(yīng)Q345。Q235與Q345連接時，應(yīng)該選
擇低強(qiáng)度的E43，而不是E50。焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應(yīng)盡量與被
連接構(gòu)件的重心接近。其它詳細(xì)內(nèi)容可查詢規(guī)范中關(guān)于焊縫構(gòu)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(jié)構(gòu)
部位使用。高強(qiáng)螺栓使用日益廣泛，常用8.8s和10.9s兩個強(qiáng)度等級。根據(jù)受力特點(diǎn)分
承壓型和摩擦型，兩者計(jì)算方法不同。高強(qiáng)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(shè)計(jì)中應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yàn)算凈截面抗剪等。
（4）梁腹板
應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。
（5）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等，應(yīng)
盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時固定。
此外，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需
要數(shù)控機(jī)床等設(shè)備才能完成。
節(jié)點(diǎn)往往是事故產(chǎn)生的源點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的處理不當(dāng)特別是焊縫質(zhì)量問題，很容易產(chǎn)生應(yīng)
力集中，從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)要定期進(jìn)
行安全質(zhì)量檢查鑒定。
3鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)消防
耐火極限是撲救建筑火災(zāi)的重要指標(biāo)。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(yīng)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(jìn)步，我們對火災(zāi)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(yīng)重視和加強(qiáng)火災(zāi)的基礎(chǔ)研究工作，特別是燃燒過程的
基本理論方面的研究，把重點(diǎn)放在燃燒動力學(xué)、火焰輻射和燃燒產(chǎn)物的熱化、物質(zhì)的可
燃性及火災(zāi)傳播等方面，更進(jìn)一步掌握火災(zāi)過程的本質(zhì)和科學(xué)規(guī)律，并把這些研究成果
迅速轉(zhuǎn)化為消防戰(zhàn)斗力。只有這樣，我們才能更好去應(yīng)對火災(zāi)，消滅火災(zāi)。
起其它結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)是更危險(xiǎn)的事故。因?yàn)殇摬牡牧W(xué)性能對溫度變
化很敏感。溫度升高時，鋼材的各項(xiàng)指標(biāo)如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(dāng)溫度繼續(xù)上升到400℃以上時，
其性能指標(biāo)更是明顯降低而趨于零。
我們要認(rèn)識到：任何結(jié)構(gòu)都經(jīng)不起“火煉”，如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到火災(zāi)侵害，強(qiáng)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(jié)構(gòu)在火災(zāi)中失效
表現(xiàn)為瞬間倒塌。受火后房屋結(jié)構(gòu)倒塌基本都無預(yù)兆，類似于脆性破壞，很難判斷倒塌
時間。
常見的建筑火災(zāi)中，人員傷亡多是由于煙氣中毒窒息所致，財(cái)產(chǎn)損失也限于室內(nèi)物
品毀壞等。房屋結(jié)構(gòu)在火災(zāi)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?yàn)�，一般房屋滿足《建筑防火規(guī)范》要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身
具有一定的抗火能力，或采取了一定的防火保護(hù)措施，一旦發(fā)生火災(zāi)，在其有效的耐火
時間內(nèi)火災(zāi)得到了控制和撲滅。但若未能及時滅火，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到火災(zāi)的進(jìn)一步侵害，
強(qiáng)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(jié)構(gòu)受火災(zāi)時
間過長，底層結(jié)構(gòu)喪失承載力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞的。
《建筑防火規(guī)范》根據(jù)房屋和結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性的不同，提出了房屋不同的防火等級
和構(gòu)件不同的耐火極限，其目的主要是能保證有足夠的時間進(jìn)行有效的營救和滅火，以
保護(hù)主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，
其材料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，強(qiáng)度會降低，塑性和韌性也會降低，同時脆性增強(qiáng)。同樣，
鋼結(jié)構(gòu)受火災(zāi)時，用水滅火是否會進(jìn)一步降低其強(qiáng)度，或者出現(xiàn)脆性破壞，造成結(jié)構(gòu)危
險(xiǎn)，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(jié)構(gòu)在火災(zāi)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(shè)計(jì)的房屋，應(yīng)具有防火規(guī)范所要求的耐火極限，超過這一極限后，結(jié)構(gòu)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(yīng)根據(jù)房屋的不同
耐火極限制定不同的實(shí)施方案。對于火燒后已不安全的房屋，一般不應(yīng)進(jìn)入房屋內(nèi)部滅
火。
另外，應(yīng)該加強(qiáng)在設(shè)計(jì)、施工、使用中的維護(hù)與鑒定工作，避開人為的失誤，以切
實(shí)控制和避免鋼結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生。對于鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)防火涂料和薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。厚型鋼結(jié)構(gòu)
防火涂料的主要成分為無機(jī)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(jié)構(gòu)防火涂料
一般為有機(jī)物，耐老化性及降解性能較差，長期使用被氧化后又可能達(dá)不到防火效果。因此，現(xiàn)實(shí)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(gòu)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(jié)構(gòu)的防火保護(hù)問題，仍然需要開發(fā)新的防火
材料。
當(dāng)然，在鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)計(jì)算方面，也需要進(jìn)行大量的研究。現(xiàn)有的關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)
抗火性能實(shí)驗(yàn)資料的不足，火災(zāi)中升溫條件的不同，影響火災(zāi)具體升溫情況的諸多因素，
導(dǎo)致了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法也有很多不確定性因素，很多計(jì)算公式大都是模擬、擬合近似的
結(jié)果。隨著社會的發(fā)展，這遠(yuǎn)不能滿足人們對鋼結(jié)構(gòu)建筑物及其它建筑的防火耐火要求。
4結(jié)束語
節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和防火設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是非常重要的，一旦發(fā)生事故，帶來的后果是
極其嚴(yán)重的。因此，設(shè)計(jì)人員要不斷充實(shí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思維，學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，突破
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束，以不斷適應(yīng)新形勢的要求。