鋼結(jié)構(gòu)事故分析論文

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 鋼結(jié)構(gòu)事故分析與預(yù)防

  摘要：建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的事故按破壞形式可分為：鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，鋼結(jié)構(gòu)承載力和剛度失效，鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞等幾種。本文首先論述了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和應(yīng)用前景，繼而分析了產(chǎn)生事故的原因并提出了預(yù)防措施。 關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；事故；穩(wěn)定；斷裂；缺陷   一．鋼結(jié)構(gòu)的前景 　　鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有強度高、自重輕、塑性和韌性好、裝配化程度高、施工周期短、建筑垃圾少、環(huán)境污染小等優(yōu)點．因此，在經(jīng)濟發(fā)達國家的應(yīng)用比較普遍，不僅大跨度橋梁和建筑、高層建筑等基本上都采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼一混組合結(jié)構(gòu)，中小跨度橋梁和普通建筑也有許多采用鋼結(jié)構(gòu)，甚至民用住宅也采用裝配式的鋼結(jié)構(gòu)。國內(nèi)過去由于鋼產(chǎn)量低，鋼材品種少，價格偏高，而勞動力相對便宜，因此鋼結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟上缺乏競爭力。只有那些混凝土不能勝任的大跨度或高聳結(jié)構(gòu)，才采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼～混組合結(jié)構(gòu)。近二十多年來，我國鋼結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)中得到了更為廣泛的應(yīng)用，在材料、加工工藝、施工技術(shù)、理論分析和設(shè)計方法等諸方面都有了飛速發(fā)展和進步，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)已成為當前的一大“熱點”，展現(xiàn)了其廣闊的、具有強大生命力的前景。實際上，鋼結(jié)構(gòu)的形式與應(yīng)用范圍是非常廣泛的，在形式上有普鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)等；應(yīng)用范圍，既有民用建筑鋼結(jié)構(gòu)、公共建筑鋼結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)，又有特種構(gòu)筑物(塔桅、儲藏庫、管道支架、棧橋等)鋼結(jié)構(gòu)等，既可應(yīng)用于高度達400多米以上的高層建筑，跨度達200多米的空間結(jié)構(gòu)，又可應(yīng)用于幾米跨度的建筑結(jié)構(gòu)。但鋼結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用中，也會存在一些質(zhì)量問題，會發(fā)生一些工程事故，所以應(yīng)采取一些積極措施加以預(yù)防。 　　 二．鋼結(jié)構(gòu)的事故與分析 　　建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的事故按破壞形式可分為：鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，鋼結(jié)構(gòu)承載力和剛度失效，鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞等幾種。 1、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn) 　　鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)主要發(fā)生在軸壓、壓彎和受彎構(gòu)件。它可分為兩類．喪失局部穩(wěn)定和喪失整體穩(wěn)定性。 (1)影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部穩(wěn)定性的主要原因有： 　　①局部受力部位加勁肋構(gòu)造措施 　　不合理當在構(gòu)件的局部受力部位，如支座、較大集中荷載作用點，沒有設(shè)支承加勁肋，使外力直接傳給較薄的腹扳而產(chǎn)生局部失穩(wěn)。構(gòu)件運輸單元的兩端以及較長要件的中間如沒有設(shè)置橫隔，截面的幾何形狀不變難以保證且易喪局部穩(wěn)定性。 　　②吊裝時吊點位置選擇不當 　　在吊裝過程中，由于吊點位置選擇不當，會造成構(gòu)件局部較大的壓應(yīng)力，從而導致局部失穩(wěn)。所以鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計時，圖紙應(yīng)詳細說明正確的起吊方法和吊點位置。 　?、蹣?gòu)件局部穩(wěn)定不滿足要求 　　如構(gòu)件I字形、槽形截面翼緣的寬厚比和腹扳的離厚比大于限值時，易發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象；在組合截面構(gòu)件設(shè)計中尤應(yīng)注意。 (2)影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體穩(wěn)定性的主要原因有： 　?、贅?gòu)件有各類初始缺陷在構(gòu)件的穩(wěn)定性分析中，各類初始缺陷對其極限承載力的影響比較顯著。 　?、谑┕づR時支撐體系不夠在結(jié)構(gòu)的安裝過程中，由于結(jié)構(gòu)并未完全形成一個設(shè)計要求的受力整體或其整體剛度較弱，因而需要設(shè)置一些臨時支撐體系來維持結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體穩(wěn)定。 　?、蹣?gòu)件受力條件的改變鋼結(jié)構(gòu)使用荷載和使用條件的改變，如超載、節(jié)點的破壞、溫度的變化、基礎(chǔ)的不均勻沉降、意外的沖擊荷載、結(jié)構(gòu)加固過程中計算簡圖的改變等，引起受壓構(gòu)件應(yīng)力增加，或使受拉構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簶?gòu)件，從而導致構(gòu)件整體失穩(wěn)。 　?、軜?gòu)件整體穩(wěn)定不滿足要求影響 　　它的主要參數(shù)為長細比。應(yīng)注意載面兩個主軸方向的計算長度可能有所不同，以及構(gòu)件兩端實際支承情況與計算支承間的區(qū)別。     案例：世界上曾經(jīng)有過不少橋梁失穩(wěn)事故．俄羅斯的克夫達敞開式橋，于1875年因上弦桿壓桿失穩(wěn)而引起全橋破壞；加拿大的魁北克橋于1907年在架設(shè)過程中由于懸臂端下弦桿的腹板翹曲而引起嚴重破壞事故；蘇聯(lián)的莫茲爾橋，于1925年試車時由于壓桿失穩(wěn)而發(fā)生事故；澳大利亞墨爾本附近的西門橋，于1970年在架設(shè)拼攏整孔左右兩半(截面)鋼箱梁時，上翼板在跨中央失穩(wěn)，導致112m的整跨倒塌．現(xiàn)在，盡管各國的橋梁設(shè)計規(guī)范中對鋼橋穩(wěn)定(包括整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定)問題的檢算都有所規(guī)定，但鋼橋失穩(wěn)問題還偶有所聞。 2、鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂 　　鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂是其極限狀態(tài)中最危險的破壞形式之一。它發(fā)生往往很突然，沒有明顯的塑性變形，而破壞時構(gòu)件的名義應(yīng)力很低，有時只有其屈服強度的0.2倍。影響鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的原因主要有： (1)構(gòu)件制作加工缺陷 　　構(gòu)件的高應(yīng)力集中會使構(gòu)件在局部產(chǎn)生復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，它們也將影響構(gòu)件局部的塑性和韌性，限制其塑性變形，從而提高構(gòu)件脆性斷裂的可能。 (2)鋼材抗脆性斷裂性能差 　　鋼材的塑性、韌性和對裂紋的敏感性都影響其抗脆性斷裂性能，其中沖擊韌性起決定作用。低合金鋼材的抗脆性斷裂性能比普通碳素鋼優(yōu)越；普通碳素鋼中鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼的抗脆性斷裂性能依次降低。 (3)低溫和動載 　　隨著溫度降低，鋼材的屈服強度fy和抗拉強度fu會有所升高，而鋼材的塑性指標截面收縮率山卻有所降低，即鋼材會變脆。動載對鋼結(jié)構(gòu)的破壞，往往是很突然的，無明顯塑性變形，呈現(xiàn)脆性破壞特征。     案例：我國哈爾濱的濱洲線松花江橋是鉚接結(jié)構(gòu)，77 m跨的有8孔，33．5 m跨的有11孔．1901年由俄國建造，1914年發(fā)現(xiàn)裂紋．中蘇雙方試驗結(jié)果表明，該橋使用的鋼材(從比利時買進的馬丁爐鋼)，脫氧不夠，氧化鐵及硫增加了鋼材的脆性，特別是金相顆粒不均勻，所以不適合低溫加工，其玲脆臨界溫度為o℃，而使用時最低氣溫為一40℃，這是造成裂縫的主要原因當時得出結(jié)論有四點：(1)該橋的實際負荷不大；(2)大部分裂紋不在受力處；(3)鋼材的金相分析表明材質(zhì)不均勻；(4)各部分構(gòu)件受力情況較好，所以鋼橋可以繼續(xù)使用． 3、鋼結(jié)構(gòu)承載力和剛度失效 (1)鋼結(jié)構(gòu)剛度失效 　　鋼結(jié)構(gòu)剛度失效指產(chǎn)生影響其繼續(xù)承載或正常使用的塑性變形或振動。其主要原因為：     ①結(jié)構(gòu)支撐體系不夠  　　支撐體系是保證結(jié)構(gòu)整體和局部剛度的重要組成部分。它不僅對抵制水平荷載和抗地震作用、抗振動有利，而且直接影響結(jié)構(gòu)正常使用。     ②結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度不滿足設(shè)計要求： 　　如軸壓構(gòu)件不滿足長細比要求：受彎構(gòu)件不滿足充許撓度要求：壓彎構(gòu)件不滿足上述兩方面要求等。 (2)鋼結(jié)構(gòu)承載力失效     鋼結(jié)構(gòu)承載力失效指正常使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強度被超越而導致破壞。其主要原因為：     ①連接件強度不滿足要求  　　焊接連接件的強度取決于焊接材料強度及其與母材的匹配、焊接工藝、焊縫質(zhì)量和缺陷及其檢查和控制、焊接對母材熱影響區(qū)強度的影響等；焊栓連接強度的影響原因為：螺栓及其附件材料的質(zhì)量以及熱得理效果、螺栓連接的施工技術(shù)工藝的控制，特別是高強螺栓預(yù)應(yīng)力和摩擦面的處理、螺栓孔引起被連接構(gòu)件截面的削弱和應(yīng)力集中等。     ②使用荷載和條件的改變  　　包括計算荷載的超越、部分構(gòu)件退出工作引起其他構(gòu)件增載、意外沖擊荷載、溫度變化引起的附加應(yīng)力、基礎(chǔ)不均勻沉降引起的附加應(yīng)力等。 　?、垆摬牡膹姸葟姸戎笜瞬缓细?　　在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中有兩個強度指標：屈服強度fy和抗拉強度fu；另外，當結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受較大剪力或扭矩時，鋼材抗剪強度fv也是重要指標。 4、鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞 　　鋼結(jié)構(gòu)疲勞分析時，習慣上當循環(huán)次數(shù)N<105時稱為低周疲勞：N>105時稱為高周疲勞。如果鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際循環(huán)應(yīng)力特征和實際循環(huán)次數(shù)超過設(shè)計時所采取的參數(shù)，就可能發(fā)生疲勞破壞。此外影響鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的原因還有：結(jié)構(gòu)構(gòu)件中有較大應(yīng)力集中區(qū)域；所用鋼材的抗疲勞性能差；鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工制作時有缺陷其中裂紋缺陷對鋼材疲勞強度的影響比較大；鋼材的冷熱加工、焊接工藝所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形對鋼材疲勞強度也會產(chǎn)生較大影響。 　　案例：1967年12月，美國西弗吉尼亞一座建造于1928年大橋突然斷裂塌落，檢查發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵部位——腹桿孔眼受力劣化并有應(yīng)力腐蝕造成的疲勞斷裂。 5、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕破壞 　　普通鋼材的抗腐蝕能力比較差，這一直是工程上關(guān)注的重要問題。腐蝕使鋼結(jié)構(gòu)桿件凈截面面積減損，降低結(jié)構(gòu)承載力和可靠度，腐蝕形成的“銹坑”使鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的可能性增大，尤其是抗冷脆性能下降。一般來說鋼結(jié)構(gòu)下列部位容易發(fā)生銹蝕：經(jīng)常干濕交替又未包混凝土的構(gòu)件：埋入地下的地面附近部位，如柱腳等；可能存積水或遭受水蒸汽侵蝕部位：組合截面凈空小于12mm，難于涂刷油漆的部位；屋蓋結(jié)構(gòu)、柱與屋架節(jié)點、吊車梁與柱節(jié)點部位；易積灰又濕度大的構(gòu)件部位等。由于鋼結(jié)構(gòu)以鋼板和型鋼為主要材料，必須使用物理化學性能合格的鋼材，并對鋼板型鋼間的連接加以嚴格的控制。 　　 預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)事故發(fā)生的措施     要防止鋼結(jié)構(gòu)的事故，必須對鋼結(jié)構(gòu)的制作，焊接、高強螺栓的連接、安裝、防腐等進行嚴格的質(zhì)量控制。 1、鋼結(jié)構(gòu)制作時質(zhì)量控制主要有： 　　(1)應(yīng)保證鋼材的屈服強度、抗拉強度、伸長率、截面收縮率和硫、磷等有害元素的極限含量，對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證碳的極限含量，必要時，尚應(yīng)保證冷彎試驗合格。 　　(2)要嚴格控制鋼材切割質(zhì)量，切割前應(yīng)清除切割區(qū)內(nèi)鐵銹、油污，切割后斷口處不得有裂紋和大于1.0mm的缺棱，并應(yīng)清除邊緣熔瘤、飛濺物和毛刺等。 　　(3)要觀察檢查構(gòu)件外觀，以構(gòu)件正面無明顯凹面和損傷為合格。 　　(4)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝時頂緊面貼緊不少于75％，且邊緣最大間隙不超過0.8mm。     (5)構(gòu)件制作允許偏差均應(yīng)符合《建筑安裝工程質(zhì)量檢驗評定標準》。 2、鋼結(jié)構(gòu)焊接時質(zhì)量控制主要有： 　　(1)焊條、焊劑和施焊用的保護氣體等必須符合設(shè)計要求和鋼結(jié)構(gòu)焊接的專門規(guī)定。 　　(2)焊工必須經(jīng)考試合格，取得相應(yīng)施焊條件的合格證書。 　　(3)承受拉力或壓力且要求與母材等強度的焊縫必須經(jīng)超聲波、X射線探傷檢驗符合國家有關(guān)規(guī)定。 　　(4)焊縫表面嚴禁有裂紋、夾渣、焊瘤、弧坑、針狀氣孔和熔合性飛濺物等缺陷。氣孔、咬邊必須符合施工規(guī)范規(guī)定。 　　(5)焊縫的外觀應(yīng)進行質(zhì)量檢查，要求焊波較均勻，明顯處的焊渣和飛濺物應(yīng)清除干凈。焊縫尺寸的允許偏差和檢驗方法均應(yīng)符合規(guī)范要求。 3、鋼結(jié)構(gòu)高強螺栓連接時質(zhì)量控制主要有： 　　(1)高強螺栓的型式、規(guī)格和技術(shù)條件必須符合設(shè)計要求和有關(guān)標準規(guī)定。高強螺栓必須經(jīng)試驗確定扭矩系數(shù)或復(fù)驗螺栓預(yù)拉力。當結(jié)果符合鋼結(jié)構(gòu)用高強螺栓的專門規(guī)定時，方 準使用。 　　(2)構(gòu)件的高強螺栓連接面的摩擦系數(shù)必須符合設(shè)計要求。表面嚴禁有氧化鐵皮、毛刺、焊疤和油污。 　　(3)高強螺栓必須分兩次擰緊、初擰、終擰質(zhì)量必須符合施工規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)用高強螺栓的專門規(guī)定。  　　(4)高強螺栓接頭外觀要求：正面螺栓穿入方向一致，外露長度不少于2扣。 4、鋼結(jié)構(gòu)安裝時質(zhì)量控制主要有： 　　(1)構(gòu)件必須符合設(shè)計要求和施工規(guī)范規(guī)定，由于運輸、堆放和吊裝造成的構(gòu)件變形必須矯正。 　　(2)墊鐵規(guī)格、位量更正確，與柱底面和基礎(chǔ)接觸緊貼平穩(wěn)，點焊牢固。座漿墊鐵的砂漿強度必須符合規(guī)定。 　　(3)構(gòu)件中心，標高基準點等必須符合規(guī)定。 　　(4)結(jié)構(gòu)外觀表面干凈，結(jié)構(gòu)大面無焊疤、油污和泥砂。 　　(5)磨光頂緊的構(gòu)件安裝面要求頂緊面緊貼不少于70％，邊緣最大間隙不超過0.8mm。 　　(6)安裝的允許偏差和檢難方法均應(yīng)按國家的有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。 5、鋼結(jié)構(gòu)防腐處理質(zhì)量控制應(yīng)做到： 　　(1)油漆、稀釋劑和固化劑種類和質(zhì)量必須符合設(shè)計要求。 　　(2)涂漆基層鋼材表面嚴禁有銹皮、并無焊渣、焊疤、灰塵、油污和水等雜質(zhì)。用鏟刀檢查經(jīng)酸洗和噴丸(砂)工藝處理的鋼材表面必須露出金屬色澤。 　　(3)觀察檢查有無誤涂、漏涂、脫皮和反銹。 　　(4)涂刷均勻，色澤一致，無皺皮和流墜，分色線清楚整齊。 　　(5)干漆膜厚度要求125m(室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu))或150m(室外鋼結(jié)構(gòu))。 　　 參考文獻： 　　[1] 傅偉永.鋼結(jié)構(gòu)事故的原因及防止.建筑.2006(8). 　　[2] 葉梅新，黃瓊.鋼結(jié)構(gòu)事故研究.長沙鐵道學院學報.2002,20(4). 　　[3] 周東星，劉全利.鋼結(jié)構(gòu)事故類型原因分析及預(yù)防措施.中國建筑金屬結(jié)構(gòu).2007(3).