Стальные конструкции широко применяются благодаря своим преимуществам: однородность и высокая прочность материала, высокая надежность конструкции, высокая скорость строительства и хорошая сейсмостойкость. В частности, стальные конструкции относятся к конструкциям с пластичным разрушением, их значительная предварительная деформация позволяет заранее обнаружить опасность и предотвратить ущерб.

Однако многочисленные обрушения зданий в последние годы показывают, что стальные конструкции могут привести к серьезным последствиям из-за нерационального проектирования, скрытых дефектов материала или неправильной эксплуатации и обслуживания. В статье на основе статистических данных по случаям обрушения проводится анализ рисков безопасности стальных конструкций, а также предлагаются рекомендации по предотвращению рисков.
Особенности рисков стальных конструкций
Несмотря на явные преимущества стальных конструкций, они также имеют ряд особенностей, связанных с рисками, таких как:
✦ Проблемы устойчивости. Из-за высокой прочности стали и относительно тонких стержней, вопросы устойчивости наиболее актуальны при проектировании и строительстве.
✦ Проблема хрупкого разрушения. Пластичность и вязкость стали при нормальной температуре достаточно высоки, но с понижением температуры они постепенно снижаются, а наличие дефектов материала и сварных швов увеличивает риск хрупкого разрушения стальных конструкций.
✦ Низкая огнестойкость. При температуре окружающей среды выше 400 ℃ прочность и модуль упругости обычной конструкционной стали начинают резко снижаться; при 650 ℃ сталь практически теряет несущую способность.
✦ Низкая коррозионная стойкость. Распространенные виды коррозии стали: атмосферная коррозия, коррозия в среде и коррозия под напряжением. По результатам зарубежных испытаний скорость коррозии незащищенной стали, подверженной атмосферному воздействию с двух сторон, составляет 8-17 мм/год.
Широкое применение стальных конструкций, а также их объем и существующие проблемы приводят к частым авариям. Соответствующие риски аварий имеют следующие особенности:
1) Наибольшее количество аварий приходится на промышленные здания (включая обычные легкие стальные фермы).
2) Большинство аварий происходит в период эксплуатации.
3) Наиболее частым типом аварий является полное обрушение стальной конструкции.
4) Наиболее частой формой разрушения является потеря устойчивости стальной конструкции, кроме того, значительную долю составляют аварии из-за хрупкого разрушения и разрушения сварных соединений.
5) Наиболее частой причиной аварий является качество изготовления и монтажа.
Анализ причин обрушения и опрокидывания и меры по предотвращению рисков
1. Анализ причин разрушения в результате обрушения/опрокидывания
Проблема устойчивости является наиболее актуальной проблемой стальных конструкций. Аварии, связанные с потерей устойчивости стальных конструкций, делятся на две категории: аварии, связанные с общей потерей устойчивости, и аварии, связанные с локальной потерей устойчивости. Причины каждой из них приведены ниже.
(1) Анализ причин аварий, связанных с общей потерей устойчивости
① Ошибки проектирования. Ошибки проектирования в основном связаны с уровнем квалификации проектировщиков. Например, отсутствие понимания концепции устойчивости, ошибки в формулах расчета устойчивости, проверка устойчивости только основных элементов, игнорирование проверки устойчивости всей конструкции, несоответствие расчетной схемы и условий опирания фактическим условиям нагружения, недостаточный запас прочности и т.д.
② Дефекты изготовления. Дефекты изготовления обычно включают начальный изгиб, начальный эксцентриситет, остаточные деформации от горячей и холодной обработки давлением, а также остаточные деформации от взрывной сварки и т.д.
③ Неправильное устройство временных опор при монтаже стальных конструкций или их недостаточное количество может привести к потере устойчивости отдельных элементов или к обрушению/опрокидыванию всей конструкции в процессе строительства.
④ Неправильная эксплуатация. После завершения строительства и ввода в эксплуатацию неправильная эксплуатация или непредвиденные обстоятельства также являются основными причинами аварий, связанных с потерей устойчивости. Например, самовольная перепланировка пользователем; изменение условий нагружения элементов; перегрузка из-за скопления пыли или добавления подвесного оборудования; неравномерная осадка фундамента и дополнительные деформации из-за температурных напряжений; непредвиденные ударные нагрузки и т.д.
(2) Анализ причин аварий, связанных с локальной потерей устойчивости
Локальная потеря устойчивости, в основном, относится к отдельным элементам, и хотя последствия такой потери устойчивости менее серьезны, чем общая потеря устойчивости, к ней следует относиться с должным вниманием.
① Ошибки проектирования. Проектировщики игнорируют или не проводят проверку локальной устойчивости элементов, или используют неверные методы проверки, что приводит к превышению нормативных значений отношения ширины и толщины, а также отношения высоты и толщины для различных пластин, составляющих элементы.
② Неправильная конструкция. Как правило, в местах приложения больших сосредоточенных сил необходимо устанавливать конструктивные ребра жесткости, а также для обеспечения неизменности формы элементов в процессе эксплуатации необходимо устанавливать диафрагмы и ребра жесткости. Однако на практике часто наблюдается недостаточное количество ребер жесткости или неправильная конструкция.
③ Первоначальные дефекты. Включают в себя значительное превышение допустимых отрицательных отклонений от размеров стали, местные выпуклости и волнистость, образовавшиеся в процессе производства в результате сварки и других технологических процессов.
④ Неправильное расположение точек подвеса. Выбор места расположения точек подвеса крупноразмерных элементов стальных конструкций имеет большое значение, так как избыточные напряжения сжатия внутри элемента могут привести к локальной потере устойчивости элемента во время монтажа.
2. Меры по предотвращению рисков обрушения/опрокидывания
Для предотвращения риска потери устойчивости стальных конструкций необходимо соблюдать следующие принципы:
(1) Проектировщики должны укрепить концепцию устойчивого проектирования
Проектировщики несут главную ответственность за предотвращение аварий, связанных с потерей устойчивости стальных конструкций. Очень важно укрепить концепцию устойчивого проектирования. ① При общей компоновке конструкции необходимо учитывать требования к устойчивости всей системы и ее составных частей, особенно к расположению опорных систем. ② Предпосылки методов расчета устойчивости должны соответствовать фактическим условиям нагружения, особенно влиянию условий опирания. ③ Расчет устойчивости элементов должен сочетаться с расчетом устойчивости конструктивных деталей, особенно с концепцией прочных узлов. ④ Решение вопросов устойчивости должно основываться на комплексном подходе, необходимо учитывать взаимосвязь общей и локальной устойчивости.
(2) Производственные предприятия должны стремиться к минимизации дефектов
Среди многочисленных распространенных дефектов наибольшее влияние на несущую способность при потере устойчивости оказывают начальный изгиб, начальный эксцентриситет и остаточные напряжения. Поэтому производственные предприятия должны применять соответствующие технологические и контрольные меры для минимизации дефектов.
(3) Строительные организации должны обеспечивать безопасность монтажных работ
Только разработка строительными организациями научной организации строительных работ, использование рациональных схем монтажа и тщательное устройство временных опор могут предотвратить потерю устойчивости стальных конструкций в процессе монтажа и обеспечить безопасность конструкции.
(4) Эксплуатирующие организации должны обеспечить нормальную эксплуатацию стальных конструкций
С одной стороны, эксплуатирующие организации должны обращать внимание на регулярную проверку и техническое обслуживание существующих стальных конструкций; с другой стороны, при необходимости изменения технологических процессов и функционального назначения необходимо согласовывать это с проектными организациями или соответствующими специалистами, и ни в коем случае нельзя самостоятельно увеличивать нагрузки или изменять условия нагружения элементов.
5) Усиление контроля на местах и ужесточение мер борьбы с правонарушениями
Часть зданий, построенных на начальном этапе урбанизации в Китае, возможно, уже не отвечает современным требованиям эксплуатации. Соответствующие ведомства должны провести проверку на предмет выявления потенциальных угроз безопасности в отношении стальных конструкций зданий, построенных и перестроенных без надлежащего проектирования, и своевременно принимать меры по устранению выявленных угроз.