钢结构的失稳事故讲解.ppt

第7章 钢结构的失稳事故 7.1 失稳概念 失稳也称为屈曲，是指钢结构或构件丧 失了整体稳定性或局部温度性，属承载力 极限状态的范围 就钢结构的基本构建而言，可分为轴心 受力构件、受弯构件和偏心受力构建三大 类其中轴心受拉构件和偏心受拉构件不 存在稳定问题，其余构件除强度、刚度外 ，稳定问题是重点问题 7.2 失稳的类型和特点 1. 平衡分岔失稳 分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳 2. 极值点失稳 建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发 展到一定程度时丧失稳定的承载能力 3. 跃越失稳 即无平衡分岔点，又无极值点，结构由一 个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，其 间出现很大变形 1. 平衡分岔失稳 完善的(即无缺陷、挺直的)轴心受压构件和 完善的中面受压平板的失稳都属于平衡分 岔失稳问题属于这一类的还有理想的受 弯构件以及受压的圆柱壳等 平衡分岔失稳也叫分支点失稳，还可称为 第一类稳定问题它可分为稳定分岔失稳 和不稳定分岔失稳两种 (1)稳定分岔失稳 这类屈曲的特点是有一稳定的平衡状态，结 构在到达临界状态时，从未屈曲的平衡位形 过渡到无限邻近的屈曲平衡位形，即由直杆 而出现微弯。

此后变形的进一步加大，要求 荷载增加如图，直杆轴心受压和平面在中 面受压都属于此类情况，板有较显著的屈曲 后强度，目前在门式刚架设计中已得到利用 (2)不稳定分岔失稳 结构屈曲后只能在远比临界荷载低的荷载 下维持平衡位形例如承受均匀轴向荷载 的柱壳；承受均匀外压力的全球壳；缀条 柱；薄壁型钢方管压杆等(如图) 此类屈 曲也叫“有限干扰屈曲”，因为在有限干扰 作用下，在达到分岔屈曲荷载前就可能由 半屈曲平衡位形转到非邻近的屈曲平衡位 形 在此强调一点，稳定分岔失稳和不稳定分 岔失稳对缺陷的敏感性截然不同图中虚线所 示的是构件有几何缺陷时荷载与变形关系稳 定分岔失稳虽有缺陷，但荷载仍然可以高于临 界值；而不稳定分岔失稳，荷载的极低值比无 缺陷时大幅度降低因此不稳定分岔失稳对缺 陷特别敏感设计该类结构时若无视缺陷影响 ，必将带来严重后果 2. 极值点失稳 极值点失稳也称为第二类稳定问题，如图具有极值点失 稳的偏心受压构件的荷载挠度曲线只有极值点B，没有出 现如理想轴压构件那样在同一点存在两种不同变形状态的 分岔点，构件弯曲变形的性质没有改变，故此失稳称为极 值点失稳。

它是指用建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑 性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力像双向受弯构 件、双向弯曲压弯构件的弹塑性弯扭失稳都属于极值点失 稳对于实际的轴压构件，由于初弯曲、初偏心等几何缺 陷的存在也应属于偏心受压构件的范畴因此极值点失稳 现象十分普遍 3. 跃越失稳 此类屈曲的特点是：既无平衡分岔点，又无极值点，但和 不稳定分岔失稳又有一些相似之处其结构由一个平衡 位形突然跳到另一个平衡位形，其间出现很大的变形， 且都是从丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡，然后重 新获得稳定平衡属于此类失稳的有铰接坦拱、扁壳、 扁平的网壳结构等此类屈曲虽然在发生跃越后荷载可 以大于临界值，但实际工程中不允许出现这样大的变形 由于过大的变形会导致结构破坏．故应该以临界荷载 作为承载的极限 7.3 失稳破坏的原因分析 稳定问题是钢结构最突出的问题，长期以来，许 多工程技术人员对强度概念认识清晰，对稳定概念 认识淡薄，并且存在强度重于稳定的错误思想因 此，在大量的接连不断的钢结构失稳事故中付出了 血的代价，得到了严重的教训钢结构的失稳事故 分为整体失稳事故和局部失稳事故两大类，其各自 产生的原因如下。

7.3.1 整体失稳事故原因分析 设计错误，制作缺陷，临时支撑不足， 使用不当 7.3.2 局部失稳事故原因分析 设计错误，构造不当，原始缺陷， 吊点位置不合理 1. 设计错误 设计错误主要与设计人员的水平有关如 缺乏稳定概念；稳定验算公式错误；只验 算基本构件的稳定，忽视整体结构的稳定 验算；计算简图及支座约束与实际受力不 符，设计安全储备过小等等 7.3.1 整体失稳事故原因分析 2. 制作缺陷 制作缺陷通常包括构件的初弯曲、初偏心 、热轧冷加工以及焊接产生的残余变形等 这些缺陷将对钢结构的稳定承载力产生 显著影响 7.3.1 整体失稳事故原因分析 3．临时支撑不足 钢结构在安装过程中，尚未完全形成整体结 构之前，属几何可变体系，构件的稳定性很差 因此必须设置足够的临时支撑体系来维持安 装过程中的整体稳定性若临时支撑设置不合 理或者数量不足，轻则会使部分构件丧失稳定 ，重则造成整个结构在施工过程中倒塌或倾覆 7.3.1 整体失稳事故原因分析 4. 使用不当 结构竣工投人使用后，使用不当或意外因 素也是导致失稳事故的主因例如，使用方 随意改造使用功能；改变构件的受力状态； 由积灰或增加悬吊设备引起的超载；基础的 不均匀沉降和温度应力引起的附加变形；意 外的冲击荷载等等。

7.3.1 整体失稳事故原因分析 1. 设计错误 设计人员忽视甚至不进行构件的局部稳定 验算，或者验收方法错误，致使组成构件 的各类板件宽厚比和高厚比大于规范限值 7.3.2 局部失稳事故原因分析 2. 构造不当 通常在构件局部受集中力较大的部位，原 则上应设置构造加劲肋另外，为了保证 构件在运转过程中不变形也须设置横隔、 加劲肋等但实际工程中，加劲肋数量不 足、构造不当的现象比较普遍 7.3.2 局部失稳事故原因分析 3. 原始缺陷 原始缺陷包括钢材的负公差严重超规，制 作过程中焊接等工艺产生的局部鼓曲和波 浪形变形等 7.3.2 局部失稳事故原因分析 4. 吊点位置不合理 在吊装过程中，尤其是大型的钢结构构件 ，吊点位置的选定十分重要吊点位置不 同，构件受力的状态也不同有时构件内 部过大的压应力将会导致构件在吊装过程 中局部失稳因此，在钢结构设计中，针 对重要构件应在图纸中说明起吊方法和吊 点位置 7.3.2 局部失稳事故原因分析 7.4 失稳事故的处理与防范 当钢结构发生整体失稳事故而倒塌后，整 个结构已经报废，事故的处理已没有价值， 只剩下责任的追究问题；但对于局部失稳事 故可以采取加固或更换板件的做法。

钢结构 失稳事故应以防范为主，以下原则应该遵守 1. 设计人员应强化稳定设计理念 2. 制作单位应力求减少缺陷 3. 施工单位应确保安装过程中的安全 4. 使用单位应正确使用钢结构建筑物 1. 设计人员应强化稳定设计理念 防止钢结构失稳事故的发生，设计人员肩负着最重要的职 责强化稳定设计理念十分必要 (1) 结构的整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定 性要求，尤其是支撑体系的布置 (2) 结构稳定计算方法的前提假定必须符合实际受力情况， 尤其是支座约束的影响 (3) 构件的稳定计算与细部构造的稳定计算必须配合，尤其 要有强节点的概念 (4) 强度问题通常采用一阶分析，而稳定问题原则上应采用 二阶分析 (5) 叠加原理适用于强度问题，不适用于稳定问题 (6) 处理稳定问题应有整体观点，应考虑整体稳定和局部稳 定的相关影响 2．制作单位应力求减少缺陷 在常见的众多缺陷中，初弯曲、初偏心、 残余应力对稳定承载力影响最大，因此， 制作单位应通过合理的工艺和质量控制措 施将缺陷减低到最小程度 3. 施工单位应确保安装过程中的安全 施工单位只有制定科学的施工组织设计， 采用合理的吊装方案，精心布置临时支撑 ，才能防止钢结构安装过程中失稳，确保 结构安全。

4. 使用单位应正常使用钢结构建筑物 一方面，使用单位要注意对已建钢结构的 定期检查和维护；另一方面，当需要进行 工艺流程和使用功能改造时，必须与设计 单位或有关专业人士协商，不得擅自增加 负荷或改变构件受力 总之，通过各方的共同努力，钢结构失稳 事故可以从根本上得到解决 7.5 典型事故实例分析 例7.1 加拿大魁北克大桥因失稳而坠毁 1907年，在加拿大境内首次建造的三跨悬臂桥，该桥的两个边 跨各长152. 4m，中跨长548.64m，中跨包括了由两个边跨各 悬伸出的长度为714.45m的杆系结构岂料在架桥过程中， 悬伸出的由四部分分肢组成的格构式组合截面的下弦压杆 ，因新设置的角钢缀条过于柔弱，四个角钢缀条总的截面 积只占构件全截面面积的11％因此缀条不能有效地将四 部分分肢组成具有足够抗弯刚度的受压弦杆，组装好的钢 桥在合龙之前，挠度的发展已无法控制，分肢屈曲在先， 随之弦杆整体失稳，9000t重的钢桥全部坠人河中，有75名 员工遇难该桥重建时，曾于1916年因施工问题又一次发 生倒塌事故 例7.2 美国哈特福特城的体育馆因压杆失稳而倒塌 1. 工程简介及事故概况 美国东部康乃狄克州啥特福特市的一座体育馆，采用四柱支承的正放四 角锥网架，网格为9.14m x9.14m，高6.5m。

网架每边从柱挑出13.71m 网架主要杆件由四个等肢角钢组成十字形截面，根据承重需要，最大角 钢为 L 20322，最小为L898，再分式腹杆为单角钢L1278肢宽 152mm发203mm的角钢采用A572(屈服点为350N/mm2)，其他较小的角 钢采用A36(屈服点为250N/mm2)，杆件采用高强螺栓连接在构造上， 网架上弦及腹杆中心线交于一点，而再分斜杆与上弦则通过由十字截面 伸出的钢板相连接此钢板弯成角度，结果使再分斜杆中心线交点与上 弦中心线有30cm的偏差（如图） 1978年1月，美国东部下了一场暴风雪，事故发生前一个星期哈特福特 市还不断下着雪和雨，造成了体育馆建成后最大的积雪荷载18日凌晨 ，体育馆突然发出一阵隆隆响声，接着整个屋盖塌落，中间部分下凹像 个锅底，四角悬挑部分则向上翘起 (1)设计原因 设计上最严重的错误是网架的所有上弦压杆没有 足够的支撑，致使压杆稳定承载力不足原设计 假定上弦杆及斜腹杆在中点都有再分杆作为支撑 ，上弦杆的计算长度是网格的一半，即4 57m同 时，网格中点的屋面荷载假定由再分杆传递，上 弦杆都是中心受压，不承受弯矩然而，实际上 由于再分杆没有真正起到支撑作用，使上弦杆的 承载能力大大削弱，其中最严重的是在网架周边 的上弦杆。

倒塌的另一个重要原因，是作用在网架结构上的 总荷载被低估了20％原设计均布荷载为3.42kN/m2 ，而核实后的荷载为4.08kN/m2对网架进行的极限 荷载分析表明，屋盖自重再加上0.73～0.98kN/m2， 就可达到网架结构的极限荷载根据屋盖倒塌那天 的气象资料，屋盖雪荷载估计在0.58～0.98kN/m2范 围内 网架中十字形截面压杆扭转屈曲也是引起网架破坏的主要 原因根据扭转屈曲理论，推导出的十字形压杆的临界扭转 应力，发现大部分情况下是由此应力起控制作用由于设计 者没有注意到这一点，使得压杆实际承载力比设计值低倒 塌的网架中，大量十字形杆件都呈现扭曲现象静力分析表 明，在静载作用下，会有74根杆件产生压曲，如将这些杆件 的两端节点上加上临界压力，求得的网架中心挠度为29.7cm ，接近施工时所测到的30～33cm；进行的总承载能力计算， 估计还能增加0.58～0 .73kN/m2，也接近于屋盖倒塌时屋面的 积雪荷载 哈特福特体育馆的屋盖体系将屋面系统与网架分 开，应该说是一个设计上的缺陷由檩条、屋面板 等组成的屋面系统，在水平面内是一个刚度很大的 盘体，如果屋面设在网架上弦平面内，可以对网架 起一定的支撑作用，而屋面抬高之后削弱了这种作 用，同时，传到屋面上的风力只有通过立柱才能传 到上弦平面，因而在上弦节点。