钢结构建筑事故分析（五）失稳事故

一、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稳定性,属承载力极限状态的范围。由于钢结构强度高,用它制成的构件比较细长,截面相对较小,组成构件的板件宽而薄,因而在荷载作用下容易失稳成为钢结构最突出的一个特点。因此在钢结构设计中稳定性比强度更为重要,它往往对承载力起控制作用。

材料组成构件,构件组成结构。就钢结构的基本构件而言,可分为轴心受力构件（轴拉、轴压)、受弯构件和偏心受力构件三大类。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。

钢结构工程事故的发生,因失稳破坏者屡见不鲜。例如,1907年加拿大魁北克大桥在施工中破坏,9000 t钢结构全部坠入河中,桥上施工人员有75人遇难,其破坏是因悬臂的受压下弦失稳造成的;1970年前后世界范围内也多次出现大跨箱形截面钢梁桥事故;美国哈特福特体育馆网架结构,平面尺寸为92 m X110 m,突然于1978年破坏面落地,破坏起因是压杆屈曲;我国也不例外,1988年太原曾发生过13.2mxI7.99m网架塌落事故。

钢结构具有塑性好的显著特点,当结构因抗拉强度不足而破坏时,破坏前有先兆呈现出较大的变形。但当结构因受压稳定性不足而破坏时,可能失稳前变形很小,呈现出脆性破坏的特征,面且脆性破坏的突发性也使得失稳破坏更具危险性。因此从事钢结构的工程技术人员对此应引起高度的重视。

二、失稳的类型及特点

钢结构失稳可分为整体失稳和局部失稳。但就性质而言,又可分为以下三类

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接渡到无限邻近的屈曲平衡位形,即由直杆而出现微。此后形的进一步加大要求荷轼增加。如（图1）,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)不稳定分岔失稳结枃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(图2);承受均匀外压力的全球壳;缀条柱;薄壁型钢方管压杆等。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1）和（图2）中虚线所示的是构件有几何缺陷时荷载与变形关系。显然,图中这些虚线不再有分岔点。不同的是:（图1）中虽有缺陷,但荷载仍然可以高于临界值;而在（图2）中,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3）所示。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,故应该临界荷载作为承载的极限。

（图4）为一两端铰接的坦拱,在均布荷载q作用下有挠庋w,其荷载挠度曲线也有稳定的上升段OA,但到达曲线最高点A时会突然跳跃到一个非邻近的具有很大变形的C点,拱结构顷刻下垂。其中虚线AB是不稳定的,BC段虽然是稳定的面且一直是上升的,但此时结构已经破坏,故不能被利用。

三、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恩想。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。

1、整体失稳事故原因分析

（1）设计错误

没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。

（2）制作缺陷

制作缺陷通常包括构件的初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及爆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。

（3）钢结构在安装过程中,当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。

（4）使用不当

结构竣工投入使用后,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。

2.局部失稳事故原因分析

局部失稳主要是针对构件面言,其失稳的后果虽然没有整体失稳严重,但对以下原因引起的失稳也应引起足够的重视。

（1）设计错误

设计人员忽视甚至不进行构件的局郜稳定验算,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

（2）构透不当

通常在构件局部受集中力较大的部位,原测上应设置构造加劲助。另外,为了保证构件在运转过程中不变形也须设置横隅、加劲助等。但实际工程中,加劲助数量不足构造不当的现象比较普遍

（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。

（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。

四、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。笔者认为,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

防止钢结构失稳事故的发生,设计人员启负着最重要的职责。强化稳定设讨理念十分必要。

(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,糈心布置临时支撑,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

方面,使用单位要注意对已建钢结构的定期检查和维护;另一力面,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银本上得到解决。

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