钢结构事故分析与处理

钢结构防火与节点设计分析

文摘]随着国民经济和科学技术的发展，钢结构的应用范围日趋广泛。由于其应用及结构形式发展较快，也带来一些新问题。本文简析了钢结构设计中的节点设计和防火问题。

[关键词]钢结构；防火；节点设计；

1前言

钢结构与混凝土结构相比，具有强度高、自重轻、塑性和韧性好、装配化程度高、施工周期短、建筑垃圾少、环境污染小等优点．因此，在经济发达国家的应用比较普遍，不仅大跨度桥梁和建筑、高层建筑等基本上都采用钢结构或钢一混组合结构，中小跨度桥梁和普通建筑也有许多采用钢结构，甚至民用住宅也采用装配式的钢结构。国内过去由于钢产量低，钢材品种少，价格偏高，而劳动力相对便宜，因此钢结构在经济上缺乏竞争力。只有那些混凝土不能胜任的大跨度或高耸结构，才采用钢结构和钢～混组合结构。近二十多年来，我国钢结构在工程建设中得到了更为广泛的应用，在材料、加工工艺、施工技术、理论分析和设计方法等诸方面都有了飞速发展和进步，应用钢结构已成为当前的一大“热点”，展现了其广阔的、具有强大生命力的前景。实际上，钢结构的形式与应用范围是非常广泛的，在形式上有普钢结构、轻钢结构、空间结构、张拉结构等；应用范围，既有民用建筑钢结构、公共建筑钢结构、工业厂房钢结构、桥梁钢结构，又有特种构筑物(塔桅、储藏库、管道支架、栈桥等)钢结构等，既可应用于高度达400多米以上的高层建筑，跨度达200多米的空间结构，又可应用于几米跨度的建筑结构。但钢结构在具体应用中，也会存在一些质量问题，会发生一些工程事故，所以应采取一些积极措施加以预防随着人们对钢结构认识的深入，发现其诸多缺陷在设计、施工和使用中都是可以补救或避免的，因此，钢结构事故的发生越来越取决于人为因素，即事故的发生多是由于在设计、施工、使用过程中很多人为的错误积累重复而综合引起的。为避免事故的发生，在钢结构设计的整个过程中都应该强调“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。但是，目前在钢结构的设计中存在着两个重要但又是很难解决的问题，一是连接节点的形式和处理问题，二是钢结构的防火问题，现已倍受人们的关注。钢结构事故往往是由于结构体系丧失稳定性而产生的（构件的或整体的），在正常设计或正常使用中这可以通过加强支撑以提高结构的刚度来解决。

2节点设计

连接节点的设计是钢结构设计中的重要内容之一。在结构分析前就应该对节点的形式有充分地思考与确定。常常出现的一种情况是——最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这种情况必须避免。按照传力特性的不同，节点分刚接，铰接和半刚接。常用的设计参考书都有很多值得推荐的节点做法及计算公式。

连接节点有等强设计和实际受力设计这两种常用的方法。连接的不同对结构影响甚大，有些连接根据经验或计算不好辨别是刚接还是铰接。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大的转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据等不利结果。节点是刚接还是铰接会影响计算模型的确定进而影响计算的内力值。

节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等，应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。此外，节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。节点往往是事故产生的源点，节点的处理不当特别是焊缝质量问题，很容易产生应力集中，从而导致局部屈曲或者形成疲劳破坏

源或者脆性破坏等。对于钢结构要定期进行安全质量检查鉴定。

3钢结构火灾消防

耐火极限是扑救建筑火灾的重要指标。长久以来，在灭火作战中并未对范雏澄院士提出的“释热速率”引起足够的重视并开展应有的研究。不同的物质会以怎样的方式燃烧，在固定的时间里能产生多少热量，并对建筑造成什么危害等等诸如此类的问题，往往被遗忘和冷落。时代在发展，科技在进步，我们对火灾的研究不能只停留在燃烧三要素、灭火的四种基本方法上，而应重视和加强火灾的基础研究工作，特别是燃烧过程的基本理论方面的研究，把重点放在燃烧动力学、火焰辐射和燃烧产物的热化、物质的可燃性及火灾传播等方面，更进一步掌握火灾过程的本质和科学规律，并把这些研究成果迅速转化为消防战斗力。只有这样，我们才能更好去应对火灾，消灭火灾。与其它结构相比，钢结构发生火灾是更危险的事故。因为钢材的力学性能对温度变化很敏感。温度升高时，钢材的各项指标如屈服强度、抗拉强度、弹性模量等的总趋势是降低的。特别是在300℃以上时，钢材产生徐变，当温度继续上升到400℃以上时，其性能指标更是明显降低而趋于零。

《建筑防火规范》根据房屋和结构构件重要性的不同，提出了房屋不同的防火等级和构件不同的耐火极限，其目的主要是能保证有足够的时间进行有效的营救和灭火，以保护主体结构的完好性。根据理论研究，钢材有时效硬化作用，长期使用过的钢结构，其材料内部发生化学反应，强度会降低，塑性和韧性也会降低，同时脆性增强。同样，钢结构受火灾时，用水灭火是否会进一步降低其强度，或者出现脆性破坏，造成结构危险，目前对这方面的研究尚未引起足够的重视。

钢材由于受火后会软化，钢结构在火灾中失效表现为瞬间倒塌（类似于失稳破坏）。按照常规设计的房屋，应具有防火规范所要求的耐火极限，超过这一极限后，结构就很不安全，或发生局部塌陷，或发生整体倒塌。因此，现场营救和灭火应根据房屋的不同耐火极限制定不同的实施方案。对于火烧后已不安全的房屋，一般不应进入房屋内部灭火。

另外，应该加强在设计、施工、使用中的维护与鉴定工作，避开人为的失误，以切实控制和避免钢结构事故的发生。对于钢结构的防火问题，目前主要采取的措施是建筑防火布局、采用耐火性能强的结构材料、结构选型、采用防火涂料等。最普遍的方式是采用各种不同耐火性能的防火涂料。

现有的防火涂料主要分为厚型钢结构防火涂料和薄型钢结构防火涂料。厚型钢结构防火涂料的主要成分为无机物，稳定性较好，耐氧化、耐辐射，可通过增加涂层厚度以提高耐火极限，但是其装饰效果较差，并且所占截面面积较大。而薄型钢结构防火涂料一般为有机物，耐老化性及降解性能较差，长期使用被氧化后又可能达不到防火效果。因此，现实中很有必要寻求其它方法来防火，或者寻求其它能够将钢材紧密包裹、共同作用、一起受力、耐热耐火且不透热的防火涂料。如在钢构件外先涂一层热反射材料，再在其外涂耐高温防火材料。对于露天钢结构的防火保护问题，仍然需要开发新的防火材料。

当然，在钢结构的抗火设计计算方面，也需要进行大量的研究。现有的关于钢结构抗火性能实验资料的不足，火灾中升温条件的不同，影响火灾具体升温情况的诸多因素，导致了现有的设计方法也有很多不确定性因素，很多计算公式大都是模拟、拟合近似的结果。随着社会的发展，这远不能满足人们对钢结构建筑物及其它建筑的防火耐火要求。

4结束语

节点设计和防火设计在钢结构设计中是非常重要的，一旦发生事故，带来的后果是极其严重的。因此，设计人员要不断充实钢结构设计思维，学习先进的设计经验，突破传统结构约束，以不断适应新形势的要求。