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鋼結構的隱患及應對措施

文檔作者：王興強楊建軍姜斌文檔來源： 1．中南大學土木建筑學院 2．濟南市房屋建設綜合開發(fā)集團		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月04日
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鋼結構的隱患及應對措施
王興強 楊建軍 姜斌
(1．中南大學土木建筑學院，湖南長沙410075；2．濟南市房屋建設綜合開發(fā)集團，濟南250012)
摘要：影響鋼結構安全的因素很多，其中鋼結構的穩(wěn)定問題、鋼材銹蝕以及鋼結構耐火性差等問題成為影響安全的主要
因素。本文論述了鋼結構失穩(wěn)的原因，重點探討了在設計中如何采用科學的設計理念避免失穩(wěn)，介紹了鋼結構防腐的各項技
術措施以及結構抗火設計理念和具體的防火措施。
關鍵詞：整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)、長效防腐、耐火極限
中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1003-1324(2006)03-0028·04
隨著我國工業(yè)與民用建筑設計水平和施工水
平的提高，建筑用鋼材的多樣化，鋼結構得到了廣
泛的應用。很多大跨度場館、高層建筑、構筑物以
及中小型建筑都采用了鋼結構。無可置疑，鋼結構
有很多優(yōu)越條件，如鋼材的結構組織均勻、強度
高、彈性模量高、塑性和韌性好，適于承受沖擊和
地震荷載，鋼材的密度與強度之比較小，鋼結構與
鋼筋混凝土結構相比要輕30％~50％ ，而且鋼結構
便于機械化生產，是工程結構中工業(yè)化程度最高的
一種。但是，也不能否認，鋼結構還存在著缺陷和
隱患。對于鋼材本身的材質問題以及耐候性、耐火
性、耐腐蝕性，還存在著大量的研究課題。同時，
大量的事故表明，鋼結構構件由于強度高，所用截
面相對較小，也就容易失去穩(wěn)定。因此，耐火性差、
易銹蝕、易失穩(wěn)成為鋼結構的三大隱患，我們在采
用鋼結構時，要時刻警惕，采取合理措施保證鋼結
構安全、持久的工作。
l工程結構中鋼結構的三大隱患
1．1 失穩(wěn)
穩(wěn)定性是鋼結構的一個突出問題。鋼結構的
失穩(wěn)分兩類：整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，整體失穩(wěn)大多
數(shù)是由局部失穩(wěn)造成的，當受壓部位或受彎部位的
· 28。 2006年第3
長細比超過允許值時，會失去穩(wěn)定。在各種類型的
鋼結構中，都會遇到穩(wěn)定問題。對于這個問題處理
不好，將會造成不應有的損失?，F(xiàn)代工程史上不乏
因失穩(wěn)而造成的鋼結構事故，其中影響最大的是
1 907年加拿大魁北克一座大橋在施工中破壞，
9000噸鋼結構全部墜入河中，橋上施工的人員75
人遇難。破壞是由于懸臂的受壓下弦失穩(wěn)造成的。
而美國哈特福特城的體育館網(wǎng)架結構，平面92m×
1 10m，突然于1978年破壞而落地，破壞起因可能是
壓桿屈曲。1988年加拿大一停車場的屋蓋結構塌
落，1985年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，我國
1988年也曾發(fā)生l3．2×17．99m網(wǎng)架因腹桿穩(wěn)定位
不足而在施工過程中塌落的事故。從上可以看出，
穩(wěn)定問題是鋼結構設計中以待解決的主要問題，一
旦出現(xiàn)了鋼結構的失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟造成嚴重
的損失，而且會造成人員的傷亡，所以在鋼結構設
計中，一定要把握好這一關。
1．2腐蝕
如果失穩(wěn)是急性病的話，腐蝕則是慢性病。普
通鋼材的抗腐蝕性能較差，尤其是處于濕度較大、
有侵蝕性介質的環(huán)境中，會較快地生銹腐蝕，削弱
了構件的承載力。鋼結構的腐蝕問題正在給世界各
國的國民經(jīng)濟帶來巨大的損失。據(jù)一些工業(yè)發(fā)達國
．1Jr．~．-1-"．It- 山東建材信息網(wǎng)http：／／www．sdjc．cn
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家統(tǒng)計，每年由于鋼結構腐蝕而造成的經(jīng)濟損失約
占國民經(jīng)濟生產總值的2％ ～4％。美國1975年因
腐蝕造成的經(jīng)濟損失約為700億美元，約占當年國
民生產總值的4．2％，1982年高達1260億美元； 英
國1969年腐蝕損失為13．65億英鎊，占國民生產總
值的3．5％；日本1976年腐蝕損失為92億美元，占
國民生產總值的1．8％；據(jù)我國1995年統(tǒng)計，腐蝕
損失高達1500億元人民幣以上，約占國民生產總
值的4％。目前，全世界每年因鋼結構腐蝕造成的
經(jīng)濟損失已高達數(shù)千億美元以上。而且，鋼結構由
于腐蝕造成的事故而引起的停工、停產所造成的間
接經(jīng)濟損失，可能超過直接經(jīng)濟損失的若干倍。
1．3火災
鋼材雖為非燃燒材料，但鋼不耐火，溫度為
400"(2時，鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的一
半，溫度達到600~C時，鋼材基本喪失全部強度和
剛度。因此，當建筑采用無防火保護措施的鋼結構
時，一旦發(fā)生火災，結構很容易遭到破壞。世界各
國建筑中由于主體鋼結構發(fā)生火災而倒塌的工程事
故很多，著名的紐約世貿大廈主體為鋼結構，由于
遭恐怖襲擊后引發(fā)大火，導致大廈在十多分鐘內轟
然倒塌。
2 目前針對三大隱患采取的措施
2．1采用科學的設計理念避免鋼結構的失穩(wěn)
鋼結構的失穩(wěn)受很多客觀因素影響，如荷載
變化、鋼材的初始缺陷、支承情況的不同等。支撐
往往被設計者或施工者所忽視，這也是造成整體失
穩(wěn)的原因之一。在吊裝中由于吊點位置的不同，桁
架或網(wǎng)架的桿件受力可能變號，造成失穩(wěn)；腳手架
傾覆、坍塌或變形大多是因為連桿不足、沒有支撐
造成的。為避免鋼結構的失穩(wěn)，在設計中應遵循以
下設計原則：
2．1．1結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部
分的穩(wěn)定性要求
目前結構大多數(shù)是按照平面體系來設計的，
如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出
平面失穩(wěn)，需要從結構整體布置來解決，亦即設計
必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的出平
面穩(wěn)定計算必須和結構布置相一致。就如上述的
1988年加拿大一停車場的屋蓋結構塌落，1985年
((tla東建材
土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒
有設置適當?shù)闹味斐沙銎矫媸Х€(wěn)。由平面桁架
組成的塔架，基于同樣原因，需要注意桿件的穩(wěn)定
和橫隔設置之間的關系。
2．1．2結構計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖
相一致，這對框架結構的穩(wěn)定計算十分重要。
目前設計單層和多層框架結構時，經(jīng)常不作
框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算。在
采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計
算長度系數(shù)，應通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才
能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。然而，實
際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，
需要設定一些典型條件。GBJ17— 88規(guī)范對單層
或多層框架給出的計算長度系數(shù)采用了五條基本
假定，其中包括：“框架中所有柱子是同時喪失穩(wěn)
定的，即各柱同時達到其臨界荷載”。按照這條假
定，框架各柱計算穩(wěn)定參數(shù)的常用方法，往往是
依據(jù)一定的簡化假設或者典型情況得出的，設計
者必須確知所設計的結構符合這些假設時才能正
確應用。在實際工程中，框架計算簡圖和實用方
法所依據(jù)的簡圖不一致的情況還可舉出以下兩
種，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的
框架。這兩種情況若按規(guī)范的系數(shù)計算，都會導
致不安全的后果。所以所用的計算方法與前提假
設和具體計算對象應該相一致。
2．1．3設計結構的細部構造和構件的穩(wěn)定計算必須
相互配合，使二者有一致性。
結構計算和構造設計相符合，一直是結構設
計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞
彎矩的節(jié)點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔
度，對桁架節(jié)點應盡量減少桿件偏心這些都是設計
者處理構造細部時經(jīng)?？紤]到的。但是，當涉及穩(wěn)
定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊
考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支
座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉
動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。
支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水
平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分
析所采取的邊界條件。
2．2鋼結構的防腐措施
2．2．1常規(guī)措施
2006年第3期 ‘29 ‘
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在鋼結構構件表面涂刷非金屬涂料防銹，是
目前各國鋼結構防止銹蝕的最常用方法，這種方法
效果好，價格低廉，涂料品種較多，選擇范圍廣，
適應性強，不受構件形狀和大小的限制。但非金屬
涂料的耐久性較差，須定期進行維護。
2．2．2長效防腐措施
大型鋼結構，如橋梁、水工結構、塔器、化工
大罐、壓力容器等防腐，需要做長效防腐處理(15—
2O年以上)，一般采用熱浸鍍鋅、鍍鋁技術或熱噴
涂鋅或鋁涂層技術等。其中，最為合適的還是熱噴
涂鋁或鋅(加封閉層)涂層。
電弧噴涂技術在五十年代己經(jīng)在許多國家的
鋼結構制造與維護領域得到一定的應用，但由于當
時電弧噴涂設備技術水平的限制，電弧噴涂被認為
是一種高效率、低質量的熱噴涂方法。直到六、七
十年代美國、德國等一些工業(yè)發(fā)達國家對電弧噴涂
設備進行了比較大的改造，大大提高了涂層的質
量，推動了電弧噴涂技術在鋼結構制造的普遍應
用，我國在2O世紀9O年代末期，電弧噴涂技術才
成為近年發(fā)展最為迅速的熱噴涂技術之一。
2．2．3質量檢測
對于每一道防腐施工工序，必須提出明確的
質量技術規(guī)范。例如鋼結構預處理時的噴砂等級或
手工預處理等級，防腐施工的環(huán)境要求，油漆的施
工工藝規(guī)程，正確選擇的油漆涂層或熱噴涂涂層的
結合性能與厚度現(xiàn)場抽樣檢測，抽樣進行模擬環(huán)境
下的腐蝕實驗，涂層外觀檢查等等，均需要專人負
責。無論施工方，還是工程使用方，對防腐涂層進
行嚴格的質量檢測時，必須采用較為精密的檢測手
段和設備。
近年來冶金行業(yè)采用在冶煉中加入適量的磷、
銅、鉻和鎳，形成耐腐蝕的合金鋼，能在表面上形
成致密的防銹層，起到隔離覆蓋作用，不失為一種
積極作法。
2．3鋼結構的抗火設計措施
長期以來，建筑防火被認為是建筑師設計時
需考慮的問題，結構工程師設計時考慮結構防火
(對結構更適合稱抗火)問題的不多。確實，建筑
的防火分隔、避難層的設置、安全疏散出口的布置
等為建筑防火設計問題，目的在于減輕火災損失，
減少人員傷亡。然而，作為防火分隔的防火墻靠結
· 30‘ 2006年第3
構支承，如果火災中支承結構破壞，防火墻也起不
了防火分隔作用；還有避難層下的結構如果達不到
耐火時間要求而破壞，造成的人員傷亡將更為嚴
重；此外，建筑結構構件(如梁、樓板、樓梯等)
在火災中如果破壞，會影響人員的疏散和消防人員
進入建筑內滅火。因此我國及世界各國建筑防火設
計規(guī)范都有建筑結構構件耐火時間(或耐火極限)
的規(guī)定。要使鋼結構材料在實際應用中克服防火方
面的不足，必須進行防火處理，其目的就是將鋼結
構的耐火極限提高到設計規(guī)范規(guī)定的極限范圍。防
止鋼結構在火災中迅速升溫發(fā)生形變塌落，其措施
是多種多樣的，關鍵是要根據(jù)不同情況采取不同方
法，如采用絕熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結
構，降低熱量傳遞的速度推遲鋼結構溫升、強度變
弱的時間等。但無論采取何種方法，其原理是一致
的。下面是幾種較為有效的鋼結構防火保護措施。
2．3．1外包層
就是在鋼結構外表添加外包層，可以現(xiàn)澆成
型，也可以采用噴涂法。現(xiàn)澆成型的實體混凝土外
包層通常用鋼絲網(wǎng)或鋼筋來加強，以限制收縮裂
縫，并保證外殼的強度。噴涂法可以在施工現(xiàn)場對
鋼結構表面涂抹砂泵以形成保護層，砂泵可以是石
灰水泥或是石膏砂漿，也可以摻入珍珠巖或石棉。
同時外包層也可以用珍珠巖、石棉、石膏或石棉水
泥、輕混凝土做成預制板，采用膠粘劑、釘子、螺
栓固定在鋼結構上。
2．3．2充水(水套)
空心型鋼結構內充水是抵御火災最有效的防
護措施。這種方法能使鋼結構在火災中保持較低的
溫度，水在鋼結構內循環(huán)，吸收材料本身受熱的熱
量。受熱的水經(jīng)冷卻后可以進行再循環(huán)，或由管道
引入涼水來取代受熱的水。
2．3．3屏蔽
鋼結構設置在耐火材料組成的墻體或頂棚內，
或將構件包藏在兩片墻之間的空隙里，只要增加少
許耐火材料或不增加即能達到防火的目的。這是一
種最為經(jīng)濟的防火方法。
2．3-4膨脹材料
采用鋼結構防火涂料保護構件，這種方法具
有防火隔熱性能好、施工不受鋼結構幾何形體限制
等優(yōu)點，一般不需要添加輔助設施，且涂層質量
裹趣瑩量山東建材信息網(wǎng)http：／／www．sdjc．cn
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混雜纖維混凝土抗彎沖擊性能
史小飛 王艷英
(1．河北道橋工程檢測有限公司，石家莊050021； 2．石家莊鐵道學院，石家莊050043)
摘要：研究了摻加異型塑鋼纖維、鋼纖維以及這兩種纖維混雜的混凝土梁的抗彎沖擊性能。測定了在不~-1纖維摻量下混凝
土梁的初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)以及沖擊能。試驗結果表明：混摻纖維比單摻纖維顯著提高了混凝土的沖擊能和延性，但
對初裂性能影響不大。
關鍵詞：異型塑鋼纖維；鋼纖維；混雜纖維；抗彎沖擊性能
中圖分類號：TU528．572 文獻標識碼：A 文章編號：1003-1324 (2006)03·0031-04
隨著社會的進步，人們對工程結構的使用性能
要求越來越高，混凝土也朝著高強度、高耐久性、高
韌性、抗高溫等方面發(fā)展。
在實際工程中，工程結構多承受動荷載，動
荷載對結構的損壞程度往往大于靜荷載，所以改
善混凝土結構的動態(tài)力學性能對提高工程的使用
效益有著重要的意義，也成為結構設計的主要考
慮因素。
眾多的研究表明【卜 1，在水泥基體中摻入纖維
可以起到增強、增韌的作用，是改善混凝土在動荷
載作用下工作性能的有效途徑。纖維混凝土較之素
混凝土突出的優(yōu)點表現(xiàn)在其動態(tài)力學性能上，沖擊
和疲勞性能是反映混凝土動態(tài)力學性能的兩個重要
指標，它們以不同的性能指標反映了在動荷載下纖
維對混凝土的增強增韌作用。
本文中對鋼纖維和異型塑鋼纖維混凝土梁的彎
曲沖擊特性進行了試驗研究，對這兩種纖維的單摻
和混摻混凝土的沖擊性能進行了比較，并且分析了
輕，還有一定的美觀裝飾作用，屬于現(xiàn)代的先進防
火技術措施。
3 結論
(1)鋼結構穩(wěn)定問題區(qū)別于強度問題。在實際
設計中，設計人員應該明確知道結構構件的穩(wěn)定性
能，以免在設計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失
(2)采取切實可行的防火措施使鋼結構的耐火
極限提高到設計規(guī)范規(guī)定的極限范圍。
(3) 在國內，電弧噴涂長效防腐技術是近年
發(fā)展起來的新興技術，受到了越來越廣泛的注意，
與涂裝技術的有機結合，將更加具有市場的優(yōu)勢。
((山東建材
參考文獻
【1】陳紹蕃．鋼結構設計原理．【M】．北京，科學出版社，2000．
23．25．
【2】夏志斌，潘有昌．結構穩(wěn)定理論．【M】．北京，高等教育出版
社．1988．11-12．
【3】陳紹蕃．鋼結構穩(wěn)定設計指南．【M】．北京，中國建筑工業(yè)出
版社，1995．
【4】朱步范，羅建華．鋼結構穩(wěn)定性設計計算要點．新疆石油
科技．1998．8(3)：-6
【5】盧家森，張其林．鋼結構穩(wěn)定問題的可靠性研究評述同
濟大學學報．
【6】((高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》
【7】((上海市鋼結構防火技術規(guī)程)
(收稿日期：2006-04-29)
2006年第3期 。31‘

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