第２８卷第４期 ２０１５年８月 常州工学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１５ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７１—０４３６．２０１５．４．０１９ ０钢结构工程灾难性事故案例教学剖析 齐永胜 ，赵风华 ，贺芸 （１．常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州２１３００２； ２．河海大学土木与交通学院，江苏南京２１００９８） 摘要：在“钢结构”教学中适当运用钢结构灾难性事故案例，可以起到增强土木专业学生的责 任感和使命感，激发其学习兴趣的作用。文章探讨了钢结构工程因设计、制作、施工等环节中的错 误而导致结构被彻底破坏的５个灾难性案例，并从教学和工程角度详细分析了事故发生的原因及 应该汲取的教训，分析了工程事故的复杂性，阐述了为避免和减少钢结构灾难性事故发生，进入钢 结构专业领域的学生应该具备的能力和品质。 关键词：灾难性事故；钢结构教学；钢结构设计；钢结构制造；钢结构施工 中图分类号：Ｇ６４２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７１—０４３６（２０１５）０４—００８８—０５ Ｔｈｅ Ｃａｓｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｉｓａｓｔｒｏｕｓ Ｆａｉｌｕｒｅｓ ｉｎ Ｓｔｅｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ０Ｉ Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ ’。，ＺＨＡＯ Ｆｅｎｇｈｕａ ，ＨＥ Ｙｕｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３００２； ２．ＣｏＨｅｇｃ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｍｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｒａｆｆｉｃ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｍｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｓｅｓ ｏｆ ｄｉｓａｓｔｒｏｕｓ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｓｅｎｓｅ ｏｆ ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｎｓｅ ｏｆ ｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄ ｉｎｓｐｉｒｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｉｎ ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ５ ｄｉｓａｓ— ｔｒｏｕｓ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｌｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔ ｆｒｏｍ ｍｉｓｔａｋｅｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｌｉａ－ ｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ｌｅｓｓｏｎｓ ｏｆ ｈｅ ｔｆａｉｌｕｒｅｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｈｅ ｔｃｏｍｐｌｅｘｉｙ ｔｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｎｄ ａｉｌ— ｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ａｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｑｕａｌｉｆｉｅｓ ｉｎ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔＯ ｅｎｇａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓａｓｔｒｏｕｓ ｆａｉｌｕｒｅ；ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ； ｓｔｅｅ１ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 土木工程专业的毕业生将在钢结构领域就业。而 Ｕ 引吾 钢结构因其优良的抗震性能、快速的施工速度 等优点，在我国结构工程中所占比例不断上升，参 钢结构本身，正不断地向更大跨度、更大高度、更 加复杂的方向发展，这就对钢结构领域的从业人 员，包括进人钢结构行业的土木工程专业本科毕 考发达国家钢结构在结构工程中所占的比例，其上 升空间仍然很大，将在较长时间内保持上升势头。 这种工程现实和发展趋势表明，越来越多的 收稿日期：２０１５－０２－２８ 业生提出了越来越高的要求，同时也对“钢结构” 课程的教学提出了越来越高的要求。 “钢结构”的教学历来围绕钢结构设计规范 基金项目：住房和城乡建设部科学技术项目计划（江苏地区）（２０１４一Ｋ２—０３８）；常州工学院教学改革研究课题（Ａ－３００１—１３—０１３） 作者简介：齐永胜（１９７１一），男，博士，副教授。 第４期 齐永胜，等：钢结构工程灾难性事故案例教学剖析 扰动作用下，门式刚架发生倒塌或倾覆。 ９１ 由于材料轻质高强，其构件通常较为纤细。在这 种情况下，受拉构件只要满足强度和刚度的要求 即可，因而长细比通常较大。而受压构件要同时 ２钢结构工程事故的影响因素 ２．１构件稳定性不足 满足强度、刚度、稳定性要求，并且通常是稳定条件 在控制设计，长细比通常要比受拉构件小得多。在 工程中，一旦拉、压杆颠倒配置，原本的受压杆用受 拉杆代替，根据欧拉公式Ｐ ＝，．ｉＴ２ＥＸ／（ ） －５】，受拉 因为钢材轻质高强，所以钢构件通常做得比 较纤细，这样的杆件在压力作用下，有可能发生失 稳。失稳可能导致构件承载能力完全或部分丧 杆的计算长度（ ）通常要比受压杆的计算长度大 得多，这样误用为受压杆的受拉杆能够承受的Ｐ。 要比本应由受压杆承担的设计压力小很多，杆件就 会失去稳定发生破坏，并且造成附近杆件的骨牌效 应，接连发生破坏，进而造成整个结构的破坏。 教训：这个事故可以鲜明生动地向学生阐明 钢结构中拉、压构件在本质上的区别。将来从事 钢结构领域的工作，不管是设计、制作，还是施工， 都必须认真理解钢构件设计的基本原理，并且要 认真负责，绝不允许把拉、压构件颠倒配置，以免 －类似事故再度发生。 １．３施工不当造成的事故（事故５） 宁波某轻钢门式刚架施工阶段倒塌（如图４所 示）。图中一系列门式刚架在施工过程中倒塌，发 生严重塑性变形，修复极为困难，经济损失惨重。 图４门式刚架施工倒塌 事故原因：施工顺序不当、未设置必要的支撑 等。门式刚架作为一种平面结构，在平面外的尺 寸非常小（仅仅是钢梁或钢柱的翼缘宽度），平面 外的刚度很弱，并且很容易发生倾覆。在结构正 常工作时，平面刚架体系通过纵向的柱间支撑来 承受平面外作用，并防止结构倾覆。 教训：施工中，单榀门式刚架是没有平面外承 载能力的，必须及时设置支撑（柱间和屋面支 撑），使两榀门式刚架通过支撑连接成一个有空 间刚度的“可靠承载单元”，其他榀门式刚架通过 刚性系杆与该“可靠承载单元”连接，才能避免在 失，从而引发事故。在钢构件设计中，稳定因素常 常是最主要的控制因素。在钢结构事故中，构件 或结构失稳占有很大的比例，上述５个例子，都与 构件失稳有直接或间接关系。 通过上述案例的讲授和分析，教师可引导学 生总结和讨论，力求使学生认识到稳定问题的重 要性，使其建立正确和较为全面的稳定概念，并增 强学习兴趣。在具备条件时，可为学生开设“钢 结构稳定理论”选修课，以提高学生在稳定理论 方面的素养，增强分析和解决稳定问题的能力。 ２．２设计缺乏合理性 事故１、２、３都是设计不合理所致。事故１发 生的原因在于设计师对缀条在格构式受压构件中 的重要作用认识不足，没有认识到实际工程与理 想模型的不同，从而发生了缀条破坏导致整个结 构破坏的事故。事故２是由于设计师对十字形截 面杆件扭转屈曲的可能性认识不足造成的。事故 ３是设计师误用了重型屋盖和错用了计算长度系 数的双重错误所致。设计是钢结构工程的龙头， 设计环节出了问题通常无法在其他阶段进行弥 补，这就要求钢结构设计人员具有扎实的理论基 础，对所设计的钢结构和钢构件有透彻了解，避免 发生强度、刚度、稳定性方面的原则性设计错误，从 而避免因设计失误导致的钢结构事故。 ２．３构件安装错误 设计师的设计意图归根到底要靠制造人员来 实现，制造人员缺少必要的钢结构理论知识，难以 领会设计意图，或责任感不强都可能导致构件安 装错误，使结构最终性态与设计意图不符，难以承 受既定荷载，发生类似事故４那样的整体破坏。 ２．４施工不够规范 土木工程领域存在着一定程度的重设计、轻 施工的错误倾向，实际上，钢结构的施工往往涉及 结构性态的复杂变化，可以说施工阶段的困难程 ９２ 常州工学院学报 ２０１５正 度和技术含量，一点也不比设计阶段低，甚至犹有 过之，在钢结构越来越复杂的今天就更是如此。 某些施工单位不能在透彻理解结构施工原理 的基础上制定科学合理的施工方案，或者不能严 格遵守施工规范和施工方案，就可能因施工失误 造成类似事故５那样的重大事故。 ２．５工程事故的复杂性 工程事故的原因往往较为复杂，不一定是单 一因素引起，例如上述魁北克钢桥垮塌事故，是对 格构式构件缀条作用及受力性能缺少透彻了解和 变更结构跨度后未对结构重新进行分析、论证双 重原因所致，再加上盲目信任设计专家，监管不到 位等因素共同导致了工程悲剧。再如上述轻钢梭 形屋架失稳倒塌，是错用计算长度系数和轻钢结 构误用重型屋盖的双重错误导致的结构破坏。 实际上，在一个钢结构工程的设计、制作、施 工等任一环节如果没有足够的责任心和对结构原 理缺乏必要的了解，都可能犯导致结构整体或局 部破坏的错误，造成巨大的生命财产损失。有些 错误虽然不会马上导致结构的破坏，但由于结构 工程的使用期往往长达５Ｏ年、１００年，这些问题 隐藏在结构中，在超载、飓风、大震等比较极端的 条件下就可能会发生破坏，成为工程中的极大隐 患，其危害性也显而易见，必须排除和杜绝。 ３教学方法的建议 钢结构的全过程安全涉及设计、制作、施工等 诸多环节，毕业生进入钢结构领域工作后，可能在 其中的某环节负责相关工作，要保证学生能够出色 地完成专业任务，必须培养毕业生具备完整的知识 结构、强烈的责任感和求知欲、敏锐的洞察力。 １）教师的教学工作需保证学生具备相对完 整的知识结构，是指学生在本科阶段一定要掌握 必要的力学知识和钢结构基本原理，这是成为一个 钢结构工程师的必备条件。以此为基础将来在工 作岗位上毕业生才能快速掌握完成越来越复杂和 多样化的钢结构工程所需要的其他知识和技能。 ２）应赋予学生强烈的责任感（包括一定的忧 患意识）和求知欲。原理可能是艰深的，有些构 造要求是繁琐的，但只要学生有强烈的责任感和 求知欲，发挥主观能动性，努力学习，就能克服重 重困难，尽快使自己具备相应的专业素养和技能。 这些品质可以使学生在参加工作后，继续保持强 烈的进取心，快速学习面临的钢结构工程所需要 的专业知识，成为合格的工程师。 ３）教师的教学工作应注意培养学生敏锐的 洞察力。现代钢结构变得越来越复杂，相关工作 的难度和工作量也在不断增加，为了胜任这些工 作，学生应该在具备基本原理和技能的基础上，不 断提高自己的洞察力，配合严格的专业规范和管 理条例，才能练就一双慧眼，敏锐地发现工作中可 能出现的漏洞和失误，把钢结构中可能出现的错 误和问题减少到最低限度，保证结构的安全和人 民群众生命财产的安全。 ４）为了获得更好的教学效果，教师需要把课 堂教学、工程实地教学、数值仿真软件模拟教学和 实验教学手段有机结合起来，使学生尽快了解钢 结构的基本理念，掌握钢结构的基本方法。 ４ 结论 文章通过钢结构工程中５个典型的灾难性案 例分析了在设计、制作、施工环节中导致钢结构事 故的４个主要原因，即构件稳定性不足、设计缺乏 合理陛、构件安装错误、施工不够规范，并探讨了 工程事故的复杂性。文章指出，为了培养学生良 好的专业能力，杜绝钢结构灾难性事故的发生，教 师的教学工作应该做到以下４点：①保证学生具 备相对完整的知识结构；②激发学生强烈的责任 感和求知欲；③培养学生敏锐的洞察力；④把课堂 教学、工程实地教学、数值仿真软件模拟教学和实 验教学手段有机结合起来。 ［参考文献］ ［１］中华人民共和国建设部．ＧＢＪ １７—８８钢结构设计规范［ｓ］．北 京：中国计划出版社，１９８９． ［２］中华人民共和国建设部．ＧＢ ５００１７－－２００３钢结构设计规范［ｓ］．北 京：中国计划出版社，２００３． ［３］常连芳．工程结构灾难史料选编及研究［Ｍ］．北京：中国地质 大学出版社，２００９：６—１１． ［４］陈骥．钢结构稳定理论与设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１１：ＩＶ， ［５］赵风华，齐永胜．钢结构设计原理［Ｍ］．重庆：重庆大学出版 社，２０１０：１５１． 责任编辑：唐海燕
