鋼結構事故分析論文

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 鋼結構事故分析與預防

  摘要：建筑工程中鋼結構的事故按破壞形式可分為：鋼結構失穩(wěn)，鋼結構的脆性斷裂，鋼結構承載力和剛度失效，鋼結構疲勞破壞和鋼結構的腐蝕破壞等幾種。本文首先論述了鋼結構的優(yōu)點和應用前景，繼而分析了產生事故的原因并提出了預防措施。 關鍵詞：鋼結構；事故；穩(wěn)定；斷裂；缺陷   一．鋼結構的前景 　　鋼結構與混凝土結構相比，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，在經濟發(fā)達國家的應用比較普遍，不僅大跨度橋梁和建筑、高層建筑等基本上都采用鋼結構或鋼一混組合結構，中小跨度橋梁和普通建筑也有許多采用鋼結構，甚至民用住宅也采用裝配式的鋼結構。國內過去由于鋼產量低，鋼材品種少，價格偏高，而勞動力相對便宜，因此鋼結構在經濟上缺乏競爭力。只有那些混凝土不能勝任的大跨度或高聳結構，才采用鋼結構和鋼～混組合結構。近二十多年來，我國鋼結構在工程建設中得到了更為廣泛的應用，在材料、加工工藝、施工技術、理論分析和設計方法等諸方面都有了飛速發(fā)展和進步，應用鋼結構已成為當前的一大“熱點”，展現(xiàn)了其廣闊的、具有強大生命力的前景。實際上，鋼結構的形式與應用范圍是非常廣泛的，在形式上有普鋼結構、輕鋼結構、空間結構、張拉結構等；應用范圍，既有民用建筑鋼結構、公共建筑鋼結構、工業(yè)廠房鋼結構、橋梁鋼結構，又有特種構筑物(塔桅、儲藏庫、管道支架、棧橋等)鋼結構等，既可應用于高度達400多米以上的高層建筑，跨度達200多米的空間結構，又可應用于幾米跨度的建筑結構。但鋼結構在具體應用中，也會存在一些質量問題，會發(fā)生一些工程事故，所以應采取一些積極措施加以預防。 　　 二．鋼結構的事故與分析 　　建筑工程中鋼結構的事故按破壞形式可分為：鋼結構失穩(wěn)，鋼結構的脆性斷裂，鋼結構承載力和剛度失效，鋼結構疲勞破壞和鋼結構的腐蝕破壞等幾種。 1、鋼結構失穩(wěn) 　　鋼結構的失穩(wěn)主要發(fā)生在軸壓、壓彎和受彎構件。它可分為兩類．喪失局部穩(wěn)定和喪失整體穩(wěn)定性。 (1)影響結構構件局部穩(wěn)定性的主要原因有： 　?、倬植渴芰Σ课患觿爬邩嬙齑胧?　　不合理當在構件的局部受力部位，如支座、較大集中荷載作用點，沒有設支承加勁肋，使外力直接傳給較薄的腹扳而產生局部失穩(wěn)。構件運輸單元的兩端以及較長要件的中間如沒有設置橫隔，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，會造成構件局部較大的壓應力，從而導致局部失穩(wěn)。所以鋼結構在設計時，圖紙應詳細說明正確的起吊方法和吊點位置。 　?、蹣嫾植糠€(wěn)定不滿足要求 　　如構件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；在組合截面構件設計中尤應注意。 (2)影響結構構件整體穩(wěn)定性的主要原因有： 　?、贅嫾懈黝惓跏既毕菰跇嫾姆€(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構的安裝過程中，由于結構并未完全形成一個設計要求的受力整體或其整體剛度較弱，因而需要設置一些臨時支撐體系來維持結構或構件的整體穩(wěn)定。 　　③構件受力條件的改變鋼結構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、基礎的不均勻沉降、意外的沖擊荷載、結構加固過程中計算簡圖的改變等，引起受壓構件應力增加，或使受拉構件轉變?yōu)槭軌簶嫾?，從而導致構件整體失穩(wěn)。 　?、軜嫾w穩(wěn)定不滿足要求影響 　　它的主要參數(shù)為長細比。應注意載面兩個主軸方向的計算長度可能有所不同，以及構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、鋼結構的脆性斷裂 　　鋼結構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，而破壞時構件的名義應力很低，有時只有其屈服強度的0.2倍。影響鋼結構脆性斷裂的原因主要有： (1)構件制作加工缺陷 　　構件的高應力集中會使構件在局部產生復雜應力狀態(tài)，它們也將影響構件局部的塑性和韌性，限制其塑性變形，從而提高構件脆性斷裂的可能。 (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。動載對鋼結構的破壞，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構，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不均勻；(4)各部分構件受力情況較好，所以鋼橋可以繼續(xù)使用． 3、鋼結構承載力和剛度失效 (1)鋼結構剛度失效 　　鋼結構剛度失效指產生影響其繼續(xù)承載或正常使用的塑性變形或振動。其主要原因為：     ①結構支撐體系不夠  　　支撐體系是保證結構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，而且直接影響結構正常使用。     ②結構或構件的剛度不滿足設計要求： 　　如軸壓構件不滿足長細比要求：受彎構件不滿足充許撓度要求：壓彎構件不滿足上述兩方面要求等。 (2)鋼結構承載力失效     鋼結構承載力失效指正常使用狀態(tài)下結構構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量以及熱得理效果、螺栓連接的施工技術工藝的控制，特別是高強螺栓預應力和摩擦面的處理、螺栓孔引起被連接構件截面的削弱和應力集中等。     ②使用荷載和條件的改變  　　包括計算荷載的超越、部分構件退出工作引起其他構件增載、意外沖擊荷載、溫度變化引起的附加應力、基礎不均勻沉降引起的附加應力等。 　?、垆摬牡膹姸葟姸戎笜瞬缓细?　　在鋼結構設計中有兩個強度指標：屈服強度fy和抗拉強度fu；另外，當結構構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、鋼結構疲勞破壞 　　鋼結構疲勞分析時，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。如果鋼結構構件的實際循環(huán)應力特征和實際循環(huán)次數(shù)超過設計時所采取的參數(shù)，就可能發(fā)生疲勞破壞。此外影響鋼結構疲勞破壞的原因還有：結構構件中有較大應力集中區(qū)域；所用鋼材的抗疲勞性能差；鋼結構構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、焊接工藝所產生的殘余應力和殘余變形對鋼材疲勞強度也會產生較大影響。 　　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)其關鍵部位——腹桿孔眼受力劣化并有應力腐蝕造成的疲勞斷裂。 5、鋼結構腐蝕破壞 　　普通鋼材的抗腐蝕能力比較差，這一直是工程上關注的重要問題。腐蝕使鋼結構桿件凈截面面積減損，降低結構承載力和可靠度，腐蝕形成的“銹坑”使鋼結構脆性破壞的可能性增大，尤其是抗冷脆性能下降。一般來說鋼結構下列部位容易發(fā)生銹蝕：經常干濕交替又未包混凝土的構件：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；屋蓋結構、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件部位等。由于鋼結構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。 　　 預防鋼結構事故發(fā)生的措施     要防止鋼結構的事故，必須對鋼結構的制作，焊接、高強螺栓的連接、安裝、防腐等進行嚴格的質量控制。 1、鋼結構制作時質量控制主要有： 　　(1)應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，對焊接結構還應保證碳的極限含量，必要時，尚應保證冷彎試驗合格。 　　(2)要嚴格控制鋼材切割質量，切割前應清除切割區(qū)內鐵銹、油污，切割后斷口處不得有裂紋和大于1.0mm的缺棱，并應清除邊緣熔瘤、飛濺物和毛刺等。 　　(3)要觀察檢查構件外觀，以構件正面無明顯凹面和損傷為合格。 　　(4)各種結構構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)構件制作允許偏差均應符合《建筑安裝工程質量檢驗評定標準》。 2、鋼結構焊接時質量控制主要有： 　　(1)焊條、焊劑和施焊用的保護氣體等必須符合設計要求和鋼結構焊接的專門規(guī)定。 　　(2)焊工必須經考試合格，取得相應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超聲波、X射線探傷檢驗符合國家有關規(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)焊縫的外觀應進行質量檢查，要求焊波較均勻，明顯處的焊渣和飛濺物應清除干凈。焊縫尺寸的允許偏差和檢驗方法均應符合規(guī)范要求。 3、鋼結構高強螺栓連接時質量控制主要有： 　　(1)高強螺栓的型式、規(guī)格和技術條件必須符合設計要求和有關標準規(guī)定。高強螺栓必須經試驗確定扭矩系數(shù)或復驗螺栓預拉力。當結果符合鋼結構用高強螺栓的專門規(guī)定時，方 準使用。 　　(2)構件的高強螺栓連接面的摩擦系數(shù)必須符合設計要求。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、終擰質量必須符合施工規(guī)范和鋼結構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、鋼結構安裝時質量控制主要有： 　　(1)構件必須符合設計要求和施工規(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)構件中心，標高基準點等必須符合規(guī)定。 　　(4)結構外觀表面干凈，結構大面無焊疤、油污和泥砂。 　　(5)磨光頂緊的構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按國家的有關規(guī)范執(zhí)行。 5、鋼結構防腐處理質量控制應做到： 　　(1)油漆、稀釋劑和固化劑種類和質量必須符合設計要求。 　　(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。用鏟刀檢查經酸洗和噴丸(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(室內鋼結構)或150m(室外鋼結構)。 　　 參考文獻： 　　[1] 傅偉永.鋼結構事故的原因及防止.建筑.2006(8). 　　[2] 葉梅新，黃瓊.鋼結構事故研究.長沙鐵道學院學報.2002,20(4). 　　[3] 周東星，劉全利.鋼結構事故類型原因分析及預防措施.中國建筑金屬結構.2007(3).