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鋼結(jié)構(gòu)的隱患及應(yīng)對措施

文檔作者：王興強楊建軍姜斌文檔來源： 1．中南大學(xué)土木建筑學(xué)院 2．濟(jì)南市房屋建設(shè)綜合開發(fā)集團(tuán)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月04日
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鋼結(jié)構(gòu)的隱患及應(yīng)對措施
王興強 楊建軍 姜斌
(1．中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙410075；2．濟(jì)南市房屋建設(shè)綜合開發(fā)集團(tuán)，濟(jì)南250012)
摘要：影響鋼結(jié)構(gòu)安全的因素很多，其中鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題、鋼材銹蝕以及鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因，重點探討了在設(shè)計中如何采用科學(xué)的設(shè)計理念避免失穩(wěn)，介紹了鋼結(jié)構(gòu)防腐的各項技
術(shù)措施以及結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計理念和具體的防火措施。
關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(shè)計水平和施工水
平的提高，建筑用鋼材的多樣化，鋼結(jié)構(gòu)得到了廣
泛的應(yīng)用。很多大跨度場館、高層建筑、構(gòu)筑物以
及中小型建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)。無可置疑，鋼結(jié)構(gòu)
有很多優(yōu)越條件，如鋼材的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比要輕30％~50％ ，而且鋼結(jié)構(gòu)
便于機械化生產(chǎn)，是工程結(jié)構(gòu)中工業(yè)化程度最高的
一種。但是，也不能否認(rèn)，鋼結(jié)構(gòu)還存在著缺陷和
隱患。對于鋼材本身的材質(zhì)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)的三大隱患，我們在采
用鋼結(jié)構(gòu)時，要時刻警惕，采取合理措施保證鋼結(jié)
構(gòu)安全、持久的工作。
l工程結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)的三大隱患
1．1 失穩(wěn)
穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題。鋼結(jié)構(gòu)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(dāng)受壓部位或受彎部位的
· 28。 2006年第3
長細(xì)比超過允許值時，會失去穩(wěn)定。在各種類型的
鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)有的損失。現(xiàn)代工程史上不乏
因失穩(wěn)而造成的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計中以待解決的主要問題，一
旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重
的損失，而且會造成人員的傷亡，所以在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)
計中，一定要把握好這一關(guān)。
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(zhì)的環(huán)境中，會較快地生銹腐蝕，削弱
了構(gòu)件的承載力。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題正在給世界各
國的國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的損失。據(jù)一些工業(yè)發(fā)達(dá)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(jié)構(gòu)腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失約
占國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的2％ ～4％。美國1975年因
腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約為700億美元，約占當(dāng)年國
民生產(chǎn)總值的4．2％，1982年高達(dá)1260億美元； 英
國1969年腐蝕損失為13．65億英鎊，占國民生產(chǎn)總
值的3．5％；日本1976年腐蝕損失為92億美元，占
國民生產(chǎn)總值的1．8％；據(jù)我國1995年統(tǒng)計，腐蝕
損失高達(dá)1500億元人民幣以上，約占國民生產(chǎn)總
值的4％。目前，全世界每年因鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的
經(jīng)濟(jì)損失已高達(dá)數(shù)千億美元以上。而且，鋼結(jié)構(gòu)由
于腐蝕造成的事故而引起的停工、停產(chǎn)所造成的間
接經(jīng)濟(jì)損失，可能超過直接經(jīng)濟(jì)損失的若干倍。
1．3火災(zāi)
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(dá)到600~C時，鋼材基本喪失全部強度和
剛度。因此，當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)
時，一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞。世界各
國建筑中由于主體鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)而倒塌的工程事
故很多，著名的紐約世貿(mào)大廈主體為鋼結(jié)構(gòu)，由于
遭恐怖襲擊后引發(fā)大火，導(dǎo)致大廈在十多分鐘內(nèi)轟
然倒塌。
2 目前針對三大隱患采取的措施
2．1采用科學(xué)的設(shè)計理念避免鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)
鋼結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，在設(shè)計中應(yīng)遵循以
下設(shè)計原則：
2．1．1結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，
如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出
平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計
必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平
面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。就如上述的
1988年加拿大一停車場的屋蓋結(jié)構(gòu)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(shè)置適當(dāng)?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(shè)置之間的關(guān)系。
2．1．2結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算十分重要。
目前設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)計中為了簡化計算工作，
需要設(shè)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(dá)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(shè)或者典型情況得出的，設(shè)計
者必須確知所設(shè)計的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時才能正
確應(yīng)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(dǎo)
致不安全的后果。所以所用的計算方法與前提假
設(shè)和具體計算對象應(yīng)該相一致。
2．1．3設(shè)計結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須
相互配合，使二者有一致性。
結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)
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(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔
度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計
者處理構(gòu)造細(xì)部時經(jīng)常考慮到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)
定性能時，構(gòu)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(nèi)轉(zhuǎn)
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(zhuǎn)，同時允許梁在水
平平面內(nèi)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件表面涂刷非金屬涂料防銹，是
目前各國鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)性強，不受構(gòu)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(jìn)行維護(hù)。
2．2．2長效防腐措施
大型鋼結(jié)構(gòu)，如橋梁、水工結(jié)構(gòu)、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(shù)或熱噴
涂鋅或鋁涂層技術(shù)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(shù)在五十年代己經(jīng)在許多國家的
鋼結(jié)構(gòu)制造與維護(hù)領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用，但由于當(dāng)
時電弧噴涂設(shè)備技術(shù)水平的限制，電弧噴涂被認(rèn)為
是一種高效率、低質(zhì)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(dá)國家對電弧噴涂
設(shè)備進(jìn)行了比較大的改造，大大提高了涂層的質(zhì)
量，推動了電弧噴涂技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)制造的普遍應(yīng)
用，我國在2O世紀(jì)9O年代末期，電弧噴涂技術(shù)才
成為近年發(fā)展最為迅速的熱噴涂技術(shù)之一。
2．2．3質(zhì)量檢測
對于每一道防腐施工工序，必須提出明確的
質(zhì)量技術(shù)規(guī)范。例如鋼結(jié)構(gòu)預(yù)處理時的噴砂等級或
手工預(yù)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(jié)合性能與厚度現(xiàn)場抽樣檢測，抽樣進(jìn)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(fù)
責(zé)。無論施工方，還是工程使用方，對防腐涂層進(jìn)
行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測時，必須采用較為精密的檢測手
段和設(shè)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(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計措施
長期以來，建筑防火被認(rèn)為是建筑師設(shè)計時
需考慮的問題，結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)防火
(對結(jié)構(gòu)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(shè)置、安全疏散出口的布置
等為建筑防火設(shè)計問題，目的在于減輕火災(zāi)損失，
減少人員傷亡。然而，作為防火分隔的防火墻靠結(jié)
· 30‘ 2006年第3
構(gòu)支承，如果火災(zāi)中支承結(jié)構(gòu)破壞，防火墻也起不
了防火分隔作用；還有避難層下的結(jié)構(gòu)如果達(dá)不到
耐火時間要求而破壞，造成的人員傷亡將更為嚴(yán)
重；此外，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如梁、樓板、樓梯等)
在火災(zāi)中如果破壞，會影響人員的疏散和消防人員
進(jìn)入建筑內(nèi)滅火。因此我國及世界各國建筑防火設(shè)
計規(guī)范都有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火時間(或耐火極限)
的規(guī)定。要使鋼結(jié)構(gòu)材料在實際應(yīng)用中克服防火方
面的不足，必須進(jìn)行防火處理，其目的就是將鋼結(jié)
構(gòu)的耐火極限提高到設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限范圍。防
止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生形變塌落，其措施
是多種多樣的，關(guān)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(jié)
構(gòu)，降低熱量傳遞的速度推遲鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施。
2．3．1外包層
就是在鋼結(jié)構(gòu)外表添加外包層，可以現(xiàn)澆成
型，也可以采用噴涂法?，F(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(jié)構(gòu)表面涂抹砂泵以形成保護(hù)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(yù)制板，采用膠粘劑、釘子、螺
栓固定在鋼結(jié)構(gòu)上。
2．3．2充水(水套)
空心型鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)充水是抵御火災(zāi)最有效的防
護(hù)措施。這種方法能使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中保持較低的
溫度，水在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)置在耐火材料組成的墻體或頂棚內(nèi)，
或?qū)?gòu)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(dá)到防火的目的。這是一
種最為經(jīng)濟(jì)的防火方法。
2．3-4膨脹材料
采用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料保護(hù)構(gòu)件，這種方法具
有防火隔熱性能好、施工不受鋼結(jié)構(gòu)幾何形體限制
等優(yōu)點，一般不需要添加輔助設(shè)施，且涂層質(zhì)量
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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(xué)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(jié)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(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-1324 (2006)03·0031-04
隨著社會的進(jìn)步，人們對工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)多承受動荷載，動
荷載對結(jié)構(gòu)的損壞程度往往大于靜荷載，所以改
善混凝土結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能對提高工程的使用
效益有著重要的意義，也成為結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)性能上，沖擊
和疲勞性能是反映混凝土動態(tài)力學(xué)性能的兩個重要
指標(biāo)，它們以不同的性能指標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)防
火技術(shù)措施。
3 結(jié)論
(1)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題區(qū)別于強度問題。在實際
設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該明確知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性
能，以免在設(shè)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(jié)構(gòu)的耐火
極限提高到設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限范圍。
(3) 在國內(nèi)，電弧噴涂長效防腐技術(shù)是近年
發(fā)展起來的新興技術(shù)，受到了越來越廣泛的注意，
與涂裝技術(shù)的有機結(jié)合，將更加具有市場的優(yōu)勢。
((山東建材
參考文獻(xiàn)
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(收稿日期：2006-04-29)
2006年第3期 。31‘

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