钢结构工程事故典型案例浅析

林振杨

（中机第一设计研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

随着经济的飞速发展、建筑技术水平的提高，由于钢结构受力性能优越和材料环保的优点，钢结构工程越来越多。 尤其是21 世纪以来， 钢结构技术为人们创造了令人瞩目的成果，在大跨度、超高层建筑领域钢结构大放异彩。 但是由于各种钢结构施工事件频繁出现，沉痛的历史教训不断重复，给社会和企业造成了极大的经济损失， 严重干扰了钢构行业的健康发展，更是威胁了广大人民群众的生命财产安全[1]。 表1 中列举了一些典型工程实例。

表1 国内外钢结构工程事故实例

钢结构工程事故的分析，有助于我们认识钢结构的破坏形式及原因，为预防钢结构工程事故的发生采取相关措施。本文选择几例典型钢结构工程事故进行分析， 总结钢结构事故的警示教训，提出预防钢结构事故的对策，供设计、施工和使用单位参考。

2 钢结构事故类型及原因分析

2.1 事故类型

钢结构可能的损坏形态主要包括：钢结构整体失稳状态， 结构构件部分失稳状态，结构构件塑性损伤，结构构件脆性损伤，结构构件疲劳损伤。 按照破坏形式，钢结构事故的形式主要包括：整体坍塌，局部崩塌，脆断事件，结构变形事故，断裂事故，连接错位等形式[2]。 以上事故形式也可以概括为以下两大类：（1）整体事故，包括结构的整体坍塌、错位、变形等；（2）部分事故，包括结构构件失稳损坏、连接节点失效、结构错位、变形和部分坍塌等。

2.2 事故原因

钢结构工程一般可分成3 个阶段，即设计阶段、施工安装阶段和运行维护阶段[3]。 3 个阶段钢结构工程事故发生的常见原因如下。

1）设计阶段：建模错误，结构计算参数有误；对结构承受的荷载作用估计不足；未能按照国家钢结构工程设计的规范和标准设计；结构分析简图不合理；构造标准不符合要求；对建筑材料使用规定不恰当；结构构件选型和设计方案不合理等。

2）制作施工阶段：安装方式不当；钢材品质低下；结构构件强度刚度不够；未能严格遵守按施工图进行施工；安装工序不对、施工操作失误；制作尺寸误差较大；安装焊缝质量低下；擅自修改设计图纸，使得建筑结构的受力与设计意图不相符；未能严格遵守有关技术标准检查验收；有偷工减料现象；缺乏熟练的技能人员和高素质管理者；吊装、定位、校正等方式均不准确；临时支撑结构强度刚度不够；操作稳定性性较低；防火防腐措施不合格等。

3）使用维护的阶段：地震、大火、风灾、雪灾天然灾害；战乱、恐怖主义侵袭等人造灾难；养护要求不良、材性变化（锈蚀、疲劳）；违反运行要求（超载、乱开洞）；改建方法不对；建筑物地基严重下沉；工业生产要求变化和生产操作错误等。

3 钢结构事故典型案例分析

3.1 纽约世贸中心大楼倒塌

3.1.1 项目简况

纽约世界贸易中心建于1966 年，1973 年完成， 共110 层，地上建筑总高度为411 m，地下建筑高为21 m，标准楼平面尺寸为63.5 m×63.5 m，建筑主要采用全钢筒中筒结构体系。 外筒为间距较密的柱列，建筑9 层以上部分柱距为1.02 m，9 层以下部分柱距为3.06 m，结构内筒为楼梯、电梯等附属用房，结构外筒与内筒的距离为18 m 和10.7 m， 内外筒间由空腹桁架楼板连接。 在空腹桁架的上下弦和外框架的连接处均设定有阻尼器[4]。

3.1.2 事故概况及原因分析

2001 年9 月11 日，美国纽约世贸中心被由恐怖主义分子所挟持的客机击中，整个大厦全部起火后垂直倒塌，事故中，结构所承受的荷载作用，包含了飞机冲击作用、爆炸燃烧、楼板超载等极其偶然的负荷，结构整体破坏时间历经1～2 h，属于结构延性破坏。 大厦在遭受飞机撞击后，形成了薄弱层，然后在航空燃油剧烈燃烧的高温作用下， 支撑大厦的钢结构构件丧失承载力而引起的。 事故原因一般可分为外因和内因，外因为： 飞机碰撞而产生的强大冲击力； 火灾事故所生成大批热量。 内因为：结构部分梁柱构件被剪断，成为薄弱层；钢筋软化，楼面局部失稳；上部倒塌形成的冲击力，产生了多米诺骨牌效应。

3.1.3 事故教训及警示

美国世贸中心的恐袭灾难， 必然给工程设计和建造规范标准造成一系列的重大改变，例如，紧急通信系统必须更新升级以确保迅速通告各类工作人员撤离和告知最安全可靠的撤离通道；防火措施和防止恐怖袭击再一次受到重视；在设计超高层建筑物时，也应适当充分考虑撞击等偶然负荷的影响。

3.2 法国戴高乐机场候机楼屋顶倒塌事件

3.2.1 工程概况法国戴高乐机场候机大楼是由钢、 玻璃以及混凝土内壳组成一个650 m 长椭圆形管。 它是个与众不同的结构形式，其体系的复杂程度使它受到的力的分配和传力途径很难想象和计算分析。其屋盖由长26.2 m，宽4 m，厚0.3 m 的曲线形的混凝土壳体单元所构成。 全跨由3 个预制结构所构成，左右两部分的最外侧均由曲线形的钢结构进行了结构加固， 用每隔一定长度的直撑杆件将曲线形的钢结构与混凝土外壳相连接。混凝土壳体坐落在纵向的两根梁上， 纵向梁则的支撑和约束在柱子上面。 屋盖壳体上很规则的开有几个小孔，而在破坏的地方则开了较大的孔洞，以便于登机桥通行。

3.2.2 事件概况及原因分析

2004 年5 月23 日，法国戴高乐候机楼2E 候机厅顶棚出现了倒塌事件， 事发时好几吨的水泥碎块从候机厅的屋顶落下后，散落在大概50 m×30 m 的地面范围内，事故独立调查组发布的调查报告指出， 工程设计之初考虑的偶然性安全系数不够造成了结构的整体强度储备很低。 引起结构坍塌的还存在多种因素：（1）结构配筋的缺失或错放，使壳体内部出现了一些裂纹， 而这种裂纹又使原本在恒荷载及外界作用 （如高温）下就极其“柔性”的结构构件继续破坏；（2）结构构件缺少一定的冗余约束， 在结构部分出现损坏时缺乏另外的途径来传导压力；（3）撑杆与壳体连接处具有很高的冲剪应力；（4）横纵梁及其与立柱的节点连接均很脆弱[5]。

3.2.3 事故教训及警示

此事故提醒人们应当特别注意因冲剪损坏而导致建筑倒塌的危险性。 设计时应当着重避免冲剪损坏；构件局部破坏时因结构整体体缺乏冗余度，而无从实现内力的重新分布；软弱结构对钢筋错放问题的敏感性； 温度变化所导致的内力重分布等。 对与众不同的复杂结构，应当由单独的设计机构，在更严格的建模和分析结果上加以校对审核。

3.3 南方特大冰雪灾害钢结构事故

3.3.1 概况

2008 年1 月以来，受强降雪灾害的冲击，我国南方各地许多高压输电铁塔和移动通信铁塔坍塌，严重影响了各地的供电正常运行和人民群众的生产生活。铁塔结构的破坏有的是全部坍落，有的则是向中间弯倒，有的铁塔颈部出现扭折，损坏形式各异。另外，受强降雪灾害许多轻钢构厂房整体坍塌，有的刚架梁、立柱严重屈曲失稳，有的檩条、墙板扭曲断裂，屋面板严重坍塌，刚架柱脚全部拔出，整个厂区结构几乎彻底毁坏，企业损失惨重[6]。

3.3.2 事故成因

分析本次事故产生的因素有很多方面，一方面降雪、冻雨灾害是造成事故产生的外在诱因，另一方面工程设计、生产、施工和使用维护等方面所产生的安全隐患是事故发生的内在因素。 具体来说，包括了如下几个方面：（1）设计要求条件与现场实际情况不相符；（2）设计假定和计算简图不恰当；（3）屋面系统结构和节点不合理；（4）防腐除锈措施不完善；（5）构件连接焊缝质量不良。

3.3.3 事故教训及警示

此次事件应该引起了钢结构从业人员的关注， 在钢结构设计中，雪压取值也应考虑加大，新修订的GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》中的基本雪压就改为了100 年重现期的雪压取值。 在钢结构运营维护过程中，要做好对厂房的定期检查与保养， 做好对雪灾的预防， 及时做出反应，尽可能快地对结构屋面进行清雪减压。

4 钢结构事故预防措施

根据钢结构工程事故原因的分析，针对工程项目各阶段，提出钢结构工程事故预防对策如下。

设计阶段措施：（1）按照国家制定的建筑设计和施工技术规范、标准的要求，完善建筑设计的审查机制；（2）现代建筑设计应回归“适用、经济、美观”的设计理念，钢结构应具备一定的冗余度；（3）设计时要选择合理的结构体系，并充分考虑最不利的荷载组合，对结构加以优化设计时，也要确保结构整体的安全裕度；（4）对较复杂性钢结构工程,应使用两个及以上的计算软件完成计算校核。

施工阶段措施：（1）针对复杂构件的安装，要编制专项安装施工计划，并做好仿真分析设计；（2）安装施工方案必须经过设计单位的确认， 必要时应邀请专家对安装方案进行分析评审；（3） 执行质量检验标准规范、 施工管理必须认真负责；（4）主要管理钢材的质量和节点连接焊缝质量；（5）对技术经验不足的工程从业人员要加强专业培训。

营运维护阶段措施：（1）完善消防安全控制，减少火灾事故风险，预防火灾事故；（2）定期检查钢结构的使用状况，如锈蚀、疲劳、变更使用条件、乱开洞等；（3）针对恶劣天气，需对钢结构采取必要的安全措施。

最后，通过完善企业的经营标准，建立健全质量检验与监理体系，以防止企业重效益轻质量，不公平竞争等，进一步注重结构安全，力求零责任事故，以推动钢结构产业的健康与迅速发展。

5 结语

从钢结构工程发生的事故案例中， 总结出防范钢结构工程事故的关键点在于：设计过程中对荷载作用的充分考虑，结构选型和选材合理，适当预留安全冗余度。 施工安装过程对图纸要求和规范标准的规定要严格遵守， 施工方案和安装顺序合理，施工安装质量过硬。 钢结构建筑使用过程中注意定期检查维护，发现问题及时采取有效的处理措施。