鋼結(jié)構(gòu)常見(jiàn)質(zhì)量事故分析

史文娟

南京市政公用工程質(zhì)量檢測(cè)中心站　江蘇南京210000

引言

    鋼結(jié)構(gòu)因其受力可靠、強(qiáng)度大、截面小、質(zhì)量輕、抗震性能好、施工周期短、適合工廠化加工、又是綠色環(huán)保材料等許多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于單層及多層工業(yè)廠房、吊車(chē)梁、大型體育場(chǎng)館、大跨度橋梁、高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、可移動(dòng)結(jié)構(gòu)和輕型鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。在長(zhǎng)期的工程應(yīng)用實(shí)踐中，人們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)的材料性能、設(shè)計(jì)方法、制作安裝工藝、防腐處理和維護(hù)加固等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，由于設(shè)計(jì)、制作、施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種缺陷，加上超載、重復(fù)荷載、高溫、低溫、潮濕、腐蝕性介質(zhì)以及不善的使用管理等外界因素的作用，鋼結(jié)構(gòu)也有可能遭受各種損壞，從而導(dǎo)致質(zhì)量事故。

1、鋼結(jié)構(gòu)的缺陷

    1.1鋼材材料自身缺陷

    鋼材的質(zhì)量主要取決于冶煉、澆注和軋制過(guò)程中的質(zhì)量控制，如果某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)使鋼材質(zhì)量下降并含有這樣或那樣的缺陷。常用的鋼材缺陷有以下幾種：發(fā)裂、夾層、微孔、白點(diǎn)、內(nèi)部破裂、氧化鐵皮、斑疤、夾雜、劃痕、切痕、過(guò)熱、過(guò)燒、脫炭、機(jī)械性能不合格、化學(xué)成分不合格或嚴(yán)重偏析。

    在以上提到的缺陷中，有些可以通過(guò)簡(jiǎn)單的處理來(lái)恢復(fù)性能,但是有些缺陷卻引起了各類(lèi)裂紋，裂紋的產(chǎn)生給結(jié)構(gòu)帶來(lái)許多初始缺陷影響．特別是在處于該應(yīng)力狀態(tài)或在承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中將會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)的局部脆性斷裂口。這里對(duì)裂紋的產(chǎn)生作幾點(diǎn)歸納：

    （1）由于某種應(yīng)力作用而引起的開(kāi)裂．這種裂紋主要是在鋼構(gòu)件加工制作中冷加工、熱處理、焊接、切割以及鋼材‘軋制過(guò)程中不均勻收縮引起的裂紋；

    (2)冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，由于冶煉過(guò)程中脫氧處理等工藝使鋼錠中夾有氣泡縮孔以及一些非金屬雜物；

    (3)鋼材處于高溫和壓應(yīng)力作用下。由于碳?xì)涞母�蝕使表面開(kāi)裂。

    1.2加工制作中可能存在的缺陷

    加工制作中可能存在的缺陷主要包括：

    (1)構(gòu)件加工制作可能產(chǎn)生的各種缺陷主要有以下幾點(diǎn)：選用鋼材的性能不合格；切割、沖孔、冷加工帶來(lái)的硬化及微裂紋：構(gòu)件熱加工引起的殘余應(yīng)力；放樣尺寸存在的誤差。

    (2)焊接工藝中可能存在的缺陷，其缺陷主要有以下幾方面：熱影響區(qū)母材的塑性、韌性降低，鋼材硬化、變脆和開(kāi)裂；焊接殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變；各種焊接缺陷如，裂紋、氣孔、夾渣、焊瘸、燒穿、弧坑、咬邊、未熔合及未焊透等。

    (3)螺栓連接可能存在的缺陷，用于鋼結(jié)構(gòu)連接的螺栓可以分為普通螺栓和高強(qiáng)螺栓。螺栓連接也給鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)一些缺陷，常見(jiàn)缺陷有：開(kāi)孔引起的截面削弱：普通螺栓在動(dòng)荷載下發(fā)生松動(dòng)；高強(qiáng)螺栓連接預(yù)應(yīng)力松弛引起的滑移變形。

    1.3鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)輸、安裝和使用維護(hù)中可能存在的缺陷

    (1)運(yùn)輸中引起結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件產(chǎn)生的較大變形和損傷；

    (2)結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程中引起的結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件產(chǎn)生較大的變形和局部失穩(wěn)：

    (3)安裝過(guò)程中沒(méi)有設(shè)置或沒(méi)有足夠設(shè)置臨時(shí)支撐或錨固，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件產(chǎn)生較大的變形、喪失穩(wěn)定性，甚至傾覆：

    (4)施工連接的質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)要求；

    (5)使用期間由于地基的不均勻沉降等原因造成的結(jié)構(gòu)損壞：

    (6)沒(méi)有定期維護(hù)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，影響其可靠性。

    2.4一些傳統(tǒng)概念帶來(lái)的缺陷

    (1)對(duì)一些特殊構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度的選取一些年輕的剛走上設(shè)計(jì)崗位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，對(duì)結(jié)構(gòu)一穩(wěn)定概念的缺乏，從而可能對(duì)一些特殊構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度選取不當(dāng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。下面舉一個(gè)例子，圖2所示的一個(gè)舍搖擺柱的單層單跨鋼結(jié)構(gòu)廠房。其柱的計(jì)算長(zhǎng)度的選取，習(xí)慣性思維是對(duì)柱1、拄2的計(jì)算長(zhǎng)度按框架有側(cè)移來(lái)選取，而搖擺柱則按兩端鉸接選取。而按照結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析可以知道柱l和柱2對(duì)搖擺柱有一個(gè)支援作用，對(duì)自身的穩(wěn)定有所弱化，其計(jì)算長(zhǎng)度會(huì)大于我們選取的值，而搖擺柱受柱1、柱2的支援有所加強(qiáng)，其計(jì)算長(zhǎng)度會(huì)小于選取值。從以上可知按習(xí)慣性的思維將可能帶來(lái)柱l、柱2失穩(wěn)破壞。

    (2)超靜定次數(shù)越多結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備不一定越大

    傳統(tǒng)概念認(rèn)為超靜定次數(shù)越多安全儲(chǔ)備越大，然而澳大利亞學(xué)者對(duì)平板網(wǎng)架進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，測(cè)得一部分桿的初始內(nèi)力為桿所能承受的力的7％一l2％，初始內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)偏心、螺栓連接處的滑移等因素合在一起，使網(wǎng)架的承載能力比理論計(jì)算值低13％一37％，并且超靜定次數(shù)越高差距越大。

3、鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量事故常見(jiàn)的破壞形式

    鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量事故的破壞形式大致可以分為以下幾類(lèi)，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞、鋼結(jié)構(gòu)的剮度破壞、鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、鋼結(jié)構(gòu)的疲勞、鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂以及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，當(dāng)然在有些工程事故中會(huì)同時(shí)發(fā)生幾種形式的破壞，因?yàn)楦鱾�(gè)又是聯(lián)系的一種破壞可能引起另一種破壞。

    3.1鋼結(jié)構(gòu)的承載力、剛度失效

    承載力失效是在正常使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度被超過(guò)而導(dǎo)致破壞，其主要原因有：鋼材強(qiáng)度指標(biāo)不合格：連接強(qiáng)度不滿足要求：使用荷載和條件的改變。

    結(jié)構(gòu)剛度失效是結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生影響其繼續(xù)承載或正常使用的塑性變形或振動(dòng)，其主要原因：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度不滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)支撐體系不夠。

    3.2鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)

    從我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(GB50017—2001)中可以知道鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定包括兩類(lèi)：一類(lèi)是結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，另一類(lèi)是結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定。

    我們知道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定主要與鋼材的牌號(hào)、鋼材的截面形式、結(jié)構(gòu)所受力的作用位置、以及結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力分布情況、結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比、結(jié)構(gòu)的側(cè)向支承情況等因素有關(guān)。此外在施工中由于結(jié)構(gòu)沒(méi)有安裝完畢沒(méi)能形成空間受力體系，很容易發(fā)生局部構(gòu)件的整體失穩(wěn)，所以在施工中要做好按施工規(guī)范中給出的臨時(shí)支撐的設(shè)置要求進(jìn)行臨時(shí)支撐的設(shè)置。

    結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部穩(wěn)定通過(guò)限制結(jié)構(gòu)寬厚比來(lái)達(dá)到保證結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定。為了較為經(jīng)濟(jì)合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在寬厚比不滿足要求時(shí)，我們?yōu)榱吮ＷC結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定加設(shè)加勁肋。所以為保證結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定和安全，我們必須在結(jié)構(gòu)局部受力較大的部位如支座，較大集中荷載作用位置等設(shè)置支承加勁肋。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)選擇合理的吊點(diǎn)也能很好的防止局部失穩(wěn)的產(chǎn)生。

    3.3鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞

    鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞往往是在循環(huán)應(yīng)力往復(fù)作用下發(fā)生的。在鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析中，習(xí)慣把循環(huán)次數(shù)N<105稱(chēng)為低周疲勞，而把N>105稱(chēng)為高周疲勞。一些如吊車(chē)梁、橋梁等經(jīng)常承受動(dòng)力荷載的鋼結(jié)構(gòu)在其工作期限內(nèi)所經(jīng)受的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)l05級(jí)。影響疲勞的主要因素有：選用鋼材的抗疲勞性能差：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中有較大的應(yīng)力集中：鋼結(jié)構(gòu)加工制作中引起的結(jié)構(gòu)的初始微裂縫、殘余應(yīng)力及殘余變形。

    3.4鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂破壞

    脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)極限破壞模式中最危險(xiǎn)的形式之一，在脆性破壞中結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的塑性變形，破壞是突發(fā)的且破壞時(shí)構(gòu)件的名義應(yīng)力很低，一般低于鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，有的只有鋼材屈服強(qiáng)度的0.2倍。影響鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的因素有很多，歸納起來(lái)主要有：選用的鋼材抗脆性能差；構(gòu)件的加工制作缺陷；構(gòu)件的應(yīng)力集中或構(gòu)件較厚構(gòu)件可能使結(jié)構(gòu)承受三向拉應(yīng)力狀態(tài)或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在低溫或者沖擊荷載作用下。

    3.5鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞

    普通鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力比較差，所以鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕一直是工程上關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)世界上每年約有產(chǎn)量的30％—40％的鋼鐵因?yàn)楦�蝕而失效，所以防腐對(duì)于節(jié)約鋼材防止工程事故有重大意義。

    鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中要定期檢查，如發(fā)現(xiàn)基本金屬有腐蝕，要采用測(cè)量工具或測(cè)厚儀查明削弱程度，通過(guò)計(jì)算采取更換或進(jìn)行加固等措施。

4、結(jié)論

    對(duì)鋼結(jié)構(gòu)缺陷的認(rèn)識(shí)以及對(duì)鋼結(jié)構(gòu)破壞模式的切實(shí)了解有助于我們?cè)趯?shí)際施工中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題能夠很好的避免一些事故的發(fā)生。通過(guò)以上的闡述我們也可以知道要避免工程事故的發(fā)生應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

    (1)鋼材的正確選用。選材不當(dāng)可能導(dǎo)致材料工作環(huán)境的變化，會(huì)引起重大工程事故。如一些要求選用負(fù)溫沖擊韌性的材料，而采用常溫材料，這將導(dǎo)致材料的脆性破壞。

    (2)把好加工制作關(guān)。我們知道鋼材的冷、熱加工都將給材料帶來(lái)殘余應(yīng)力和殘余變形。殘余應(yīng)力和殘余變形的存在將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載能力的下降，對(duì)承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)還可能引起疲勞破壞。同時(shí)，加工制作過(guò)程也會(huì)降低材

料的塑性、韌性若不能把好質(zhì)量關(guān)還將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性破壞。

    (3)對(duì)構(gòu)件的運(yùn)輸應(yīng)做適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，在進(jìn)場(chǎng)前做好檢查。運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)載，以及沖擊荷載可能引起構(gòu)件的塑性變形，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)安裝偏差，安裝的偏差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力模型與計(jì)算模型的不吻合，使部分構(gòu)件偏于不安全，從而引起工程事故。

    (4)施工中應(yīng)做好施工臨時(shí)支撐設(shè)施的搭建。在結(jié)構(gòu)未形成空間受力體系時(shí)，結(jié)構(gòu)在其平面外的穩(wěn)定很差．若沒(méi)有架設(shè)臨時(shí)支撐，將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面外的整體傾覆。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)