钢结构事故类型、原因的分析及原因分析

编者注：

本文对于钢结构事故种类及原因的分析，比较通俗易懂，又不失专业性，值得推荐。

而且对于幕墙设计单位来说，往往还有一些附属钢结构需要拆除，比如采光顶、金属屋面、坡道顶棚等，大公司还可以配置专门做钢结构的设计师，小公司可能只依靠幕墙设计师自身对钢结构的理解去设计，可能会忽略一些重要的细节，对钢结构本身造成负面影响。（再者，一般钢结构应力比控制极限为0.8-0.9，安全储备余量不是很大，如果应力比偏低，成本就会增加）。

如果没有极端情况或事故发生的话，看上去似乎很安全，一旦出现极端天气，短时间内突然出现较大的荷载（但不超过规范中最不利情况，也没有不可抗力的自然灾害），就很有可能发生事故，造成财产损失和人员伤亡，而且显然是设计原因造成的。

所以设计师一定要坚守安全底线，绝对不能在设计上出现大的原则性问题，否则，如果施工质量出现问题，危险性就会大大增加（金华某项目钢结构屋面倒塌，施工单位、设计单位、施工单位、监理单位多人被抓）。

1、钢结构事故类型及原因分析

建筑工程钢结构事故按损坏形式主要可分为以下几种类型：

以上这些情况有些是突发性的脆性破坏，有些是可以提前发现的延性破坏。

1. 不稳定和破坏

钢结构的失稳主要发生在轴压、压弯、受弯构件上，可分为局部失稳和整体失稳两大类，钢结构一旦失稳损坏，破坏发生得非常快，来不及采取补救措施，后果十分严重。

2.钢结构的脆性断裂

钢结构发生脆性破坏时，所受应力通常远小于钢材的屈服强度，破坏前无明显变形，吸收的能量很小，破坏发生突然，无意外征兆，断口光滑光亮。

3.钢结构承载力和刚度失效

钢结构的承载能力破坏是指在正常使用情况下，因材料强度超过规定值而导致结构构件或连接的破坏。

主要原因通常包括以下几点：

（1）超载或加载方式改变，超过结构构件的设计应力强度。

（2）连接件损坏等。

4.钢结构疲劳损伤

生锈和腐蚀会造成构件截面减小，承载力下降，腐蚀产生的锈坑会增加钢结构发生脆性破坏的可能性。

5. 总结

在钢结构破坏的各类类型中，失稳破坏是最常见的一种。例如泉州某酒店整体倒塌，倒塌原因在于该建筑由原有四层违章加建夹层的建筑改建为七层建筑，已达到极限承载力，处于倒塌临界状态，加之事发前对底层支撑钢柱进行了违章加固焊接，导致钢柱失稳损坏，导致建筑整体倒塌。

简单来说，事故原因是超载导致钢结构柱的稳定承载力出现问题，导致整栋房屋倒塌。一般来说，钢结构建筑与混凝土结构建筑不同，钢结构柱在失稳破坏时，通常表现为“破坏迅速”、“反应强烈”。

失稳是指结构因为受到微小的扰动，失去原有的平衡状态，而向新的平衡状态转变。这是我上学时老师教我的。失稳不同于强度破坏。举个例子，可以让大家很容易区分强度破坏和稳定性破坏。把一根吸管放在桌子上，用手压一下，吸管会不会很容易被压弯？这时候吸管就会失稳了。如果你不压，而是用两只手去拉吸管，一般人应该是坚不可摧的。如果可以，那么此时吸管所遭受的就是强度破坏。

2、为什么现实中钢结构建筑比混凝土结构、砖混结构发生事故更多？

近年来，钢结构屋面倒塌事故屡屡发生。先是齐齐哈尔某中学体育馆钢网架屋面倒塌，造成多人伤亡。紧接着，黑龙江省佳木斯市桦南县某体育馆屋面又发生倒塌。那么，作为一种成熟且常用的屋面结构，钢结构体育场屋面结构为何会如此频繁地出现问题呢？

下面，我站在一个检测鉴定行业人士的角度，对这个问题做如下分析：

一般而言，钢结构比混凝土结构、砖混结构更容易发生倒塌事故的原因有以下几点：

1、由于钢结构的均质性，设计人员比较容易计算和了解其所受的各种力，因此发生事故的概率较高。

可能这个理由有些奇怪，为什么你越能想清楚，越能算清楚，就越容易出现风险呢？

结构要站立，材料的承载能力必须大于其承受的力。最简单的例子是，一个人背负重担。这个人是“材料”，肩上的重担是“力”。一个人可以背 100 磅重的重物，但如果给他 110 磅重的重物，他就会压垮。

一个结构要倒塌，最有可能是结构所受的力超过了材料所能承受的力。这里有两个要素，一个是材料，一个是力。

同样是结构材料，为什么混凝土结构不那么容易倒塌呢？因为钢材质量更均匀，质量更有保证；混凝土材料的变异性更大。这就奇怪了，为什么质量更有保证却更容易出问题呢？

我们以挑担子为例，比如我们预计挑100个100磅的担子，需要挑选100个民工。民工有两种类型，一种体能参差不齐，有的能挑200公斤，有的能挑101公斤，绝大多数能挑150公斤；另一种是经过精挑细选，体能差别很小，最小的能举起101磅，最大的只能举起110磅。那么从这两组中挑选一个人来挑这个担子，如果这个人今天状态稍微差一点，挑不住100磅的概率，是不是更均匀反而更大呢？

材料越不均匀，为了保证安全就会浪费越多的材料。混凝土材料的质量差异比钢材更大，所以我们在使用混凝土材料时会比较保守。例如，混凝土材料通常使用不到其承受能力的 50%，而钢材可以使用 70% 甚至更高。

也就是说，作为结构材料，钢材的容错率比混凝土结构和砌体结构小得多。

2、钢结构屋面性能更佳，可以实现较大的跨度和更高效的承载能力，同时材料重量相对较轻。

不管我们采用钢结构还是混凝土结构，其所承受的活荷载（如室内家具和人的重量，屋顶的风、雪和维护荷载等）其实都是一样的。但结构所承受的荷载不仅包括活荷载，还包括其自重。钢结构中经常引起事故的关键问题就是这个自重。

例如，对于混凝土屋面，活荷载0.5，雪荷载1.0，自重5.0，总荷载（不包括其他参数）=5.0+1.0=6.0（活荷载和雪均不利）；对于轻钢屋面，活荷载0.5，雪荷载1.0，自重1.0，总荷载1.0+1.0=2.0。假设由于百年不遇的暴风雪，今年的雪量比往年增加了50%，对于混凝土结构来说，增加量为0.5/6.0=0.08，不到10%，但对于轻钢结构来说，增加量为0.5/2.0=0.25，已经高达25%。

也就是说，如果荷载也增加一点，钢结构可能已经达到致命的增加，而混凝土结构只不过是少量的水。

除了材质、力量的原因外，还有平时保养的原因。

运动场馆的屋顶一般都比较平整，如果不好好保养的话，很容易造成积水。比如屋顶上飘落一些树叶，夹杂着一些灰尘，下雨的时候会把水堵住，更严重的是会堵塞下水管道，导致屋顶积水。屋顶积水就会把屋顶压弯，屋顶压弯了，积水就更多了，恶性循环之后，屋顶就塌了。比如上海那家说是因为大雨，可能就是这个原因。

3、预制装配式钢结构施工效率高，节点多，出现故障的概率大。

混凝土结构在现场浇注，各构件用胶结料连接在一起；钢结构则是由一个个钢构件组装而成，在施工现场通过螺栓、锚栓、焊接等措施组装而成。

也就是说，同样的结构体系，钢结构的复杂程度要远高于混凝土结构，每一个环节都有可能导致结构偏差，积累多了，后期就很容易出现问题。

当然，这里面还涉及各种其他因素，比如使用过程中的维护、荷载的变化、施工时是否符合设计要求、设计是否合理、系统是否正确等等。以上只是概念和概率问题，造成这种情况的原因上面已经分析过了，大家自己分析一下也是有好处的。

土木工程行业已落日，暂时失去了对年轻人的吸引力，短期内也看不到再次繁荣的希望。但毕竟这个行业服务于人类的基本需求，对社会有益且不可或缺。不同行业冷热不均是社会常态，从业者无需自贬身份，也无需与其他行业争风吃醋。放下心来，保持内心的平静，做好手头的事情，用自己微薄的努力推动社会进步，就足以赢得尊重。