钢结构设计重点及事故的原因研究

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【摘要】本文根据目前钢结构的设计，介绍了钢结构设计的重点，为设计者提供了设计参考。另外总结了钢结构事故发生的主要的几个原因，针对事故原因提出了相应的预防措施。

【关键词】钢结构；设计重点；事故原因；预防措施

【作者简介】黄炯云：（1971- ）男，秦皇岛方圆港湾工程监理有限公司，工程师，从事工程监理工作。

随着我国经济的发展，全国大中型城市多高层建筑迅速增多，以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产；加工精度高、效率高、密闭性好，故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和库等大跨结构、高层和超高层建筑等。钢结构今后应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，钢结构设计成为建筑结构设计人员的重要工作。本文简单的论述了钢结构设计的要点及事故发生的主要原因。

1 设计的要点

1.1结构选型

"概念设计"在钢结构设计的整个过程中都一直被强调，它在结构选型与布置阶段尤其重要。一般情况下，结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择[1]。

框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式在钢结构中采用广泛。这些结构理论与技术大都比较成熟，当然亦有部分难题没有解决，或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。结构选型时，应考虑它们不同的特点，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。

1.2节点的设计

钢结构设计中，连接节点的设计一直都是重要的内容之一。设计者在设计前应对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接，设计者宜选择可以简单定量分析的前两者。连接的不同对结构影响甚大，比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。在设计时，铰节点形式简单，施工方便，但它使得梁跨中弯矩加大，增加用钢量，不经济；刚性节点构造复杂，但其有效的降低了跨中弯矩，节约了用钢，有较好的经济效应；而半刚性节点应用比较少，主要是其受力特性比较复杂，往往通过试验来取得较为准确的设计数据。由结构布置分析，考虑工程实际情况，三种形式，哪一种更加经济可靠，还有待于在实际工程中比较、检验。

1.3 结构分析

结构分析通常为线弹性分析，目前钢结构实际设计中，条件允许时考虑P-Δ，P-δ。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件，典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形，复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。

1.4 预估截面

钢结构设计里预估截面对整个的设计起着很重要的作用。结构布置结束后，需对梁柱和支撑等的断面形状与尺寸作初步估算和假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估，通常50

2事故的原因分析

2.1 失稳

钢结构事故原因最主要的是结构失稳。整体失稳和局部失稳是钢结构的失稳的两类。整体失稳大多数是由局部失稳造成的，当受压部位或受弯部位的长细比超过允许值时，会失去稳定。它受很多客观因素影响，如荷载变化、钢材的初始缺陷、支承情况的不同等。支撑往往被设计者或施工者所忽视，这也是造成整体失稳的原因之一。在吊装中由于吊点位置的不同，桁架或网架的杆件受力可能变号，造成失稳；脚手架倾覆、坍塌或变形大多是因为连杆不足、没有支撑造成的。值得我们警惕的是，随着钢结构的出现，就伴随着失稳事故的发生，所以无论设计或施工，保证结构稳定应铭刻在心[2]。

2.2 腐蚀

腐蚀一直被认为是钢结构的慢性病。钢材的抗腐蚀性能较差，尤其是处于湿度较大、有侵蚀性介质的环境中，会较快地生锈腐蚀，削弱了构件的承载力。我国在一次钢筋混凝土屋架、木屋架、钢木屋架和钢屋架等的事故统计中发现，钢屋架出现倒塌事故占38.62％，而由于腐蚀并缺乏维修的原因占比重很大。过去对于外露钢材仅仅是喷涂(刷)两道防锈漆，实践证明，由于施工中不可能用涂料把空气完全隔绝，在使用时也缺乏定期维护措施，所以这种作法效果并不显著。用镀锌、喷铝等消极作法，其成本和效果也不太理想。近年来冶金行业采用在冶炼中加入适量的磷、铜、铬和镍，形成耐腐蚀的合金钢，能在表面上形成致密的防锈层，起到隔离覆盖作用，不失为一种积极作法。

2.3 火灾

众所周知，钢材性能随温度升降而变化，耐温性较差，当温度达到430-540℃之间时，钢材的屈服点、抗拉强度和弹性模量将急剧下降，失去承载能力。用耐火材料对钢结构进行必要的维护，是钢结构研究的一个重要课原地垂直塌落，形成“扁饼”效应。这起震惊世界的事故，其直接原因是火灾。建筑物的耐火能力取决于建筑构件耐火性能的好坏，在火灾发生时其承载能力应能延续一定时间，使人们能安全疏散、抢救物资和扑灭火灾。目前钢结构用钢尽量采用耐火高强度钢，例如15MnV钢就是在16Mn钢的基础上加人适量的钒(0.04％-0.12％)，可使钢的高温硬度提高。另一方面应采用高效防腐涂料，特别是防火防腐合一的涂料。

【参考文献】

[1]施米德，陈婉。体系建筑。北京：中国建筑工业出版社。1980：46-50。

[2]雷宏钢。钢结构事故分析与处理。北京，中国建材工业出版社。2003：32~46。