鋼結(jié)構(gòu)常見質(zhì)量事故分析

史文娟

南京市政公用工程質(zhì)量檢測中心站　江蘇南京210000

引言

    鋼結(jié)構(gòu)因其受力可靠、強度大、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)點而廣泛應用于單層及多層工業(yè)廠房、吊車梁、大型體育場館、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)、可移動結(jié)構(gòu)和輕型鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。在長期的工程應用實踐中，人們在鋼結(jié)構(gòu)的材料性能、設計方法、制作安裝工藝、防腐處理和維護加固等方面積累了豐富的經(jīng)驗；同時，由于設計、制作、施工過程中可能產(chǎn)生的各種缺陷，加上超載、重復荷載、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、澆注和軋制過程中的質(zhì)量控制，如果某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題將會使鋼材質(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、內(nèi)部破裂、氧化鐵皮、斑疤、夾雜、劃痕、切痕、過熱、過燒、脫炭、機械性能不合格、化學成分不合格或嚴重偏析。

    在以上提到的缺陷中，有些可以通過簡單的處理來恢復性能,但是有些缺陷卻引起了各類裂紋，裂紋的產(chǎn)生給結(jié)構(gòu)帶來許多初始缺陷影響．特別是在處于該應力狀態(tài)或在承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中將會帶來結(jié)構(gòu)的局部脆性斷裂口。這里對裂紋的產(chǎn)生作幾點歸納：

    （1）由于某種應力作用而引起的開裂．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‘軋制過程中不均勻收縮引起的裂紋；

    (2)冶煉過程中產(chǎn)生的裂紋，由于冶煉過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力作用下。由于碳氫的腐蝕使表面開裂。

    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：選用鋼材的性能不合格；切割、沖孔、冷加工帶來的硬化及微裂紋：構(gòu)件熱加工引起的殘余應力；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、變脆和開裂；焊接殘余應力和殘余應變；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螺栓。螺栓連接也給鋼結(jié)構(gòu)帶來一些缺陷，常見缺陷有：開孔引起的截面削弱：普通螺栓在動荷載下發(fā)生松動；高強螺栓連接預應力松弛引起的滑移變形。

    1.3鋼結(jié)構(gòu)運輸、安裝和使用維護中可能存在的缺陷

    (1)運輸中引起結(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)安裝過程中沒有設置或沒有足夠設置臨時支撐或錨固，導致結(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)量不滿足設計要求；

    (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)沒有定期維護使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重腐蝕，影響其可靠性。

    2.4一些傳統(tǒng)概念帶來的缺陷

    (1)對一些特殊構(gòu)件的計算長度的選取一些年輕的剛走上設計崗位的結(jié)構(gòu)設計人員，對結(jié)構(gòu)一穩(wěn)定概念的缺乏，從而可能對一些特殊構(gòu)件的計算長度選取不當，導致結(jié)構(gòu)設計缺陷。下面舉一個例子，圖2所示的一個舍搖擺柱的單層單跨鋼結(jié)構(gòu)廠房。其柱的計算長度的選取，習慣性思維是對柱1、拄2的計算長度按框架有側(cè)移來選取，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對搖擺柱有一個支援作用，對自身的穩(wěn)定有所弱化，其計算長度會大于我們選取的值，而搖擺柱受柱1、柱2的支援有所加強，其計算長度會小于選取值。從以上可知按習慣性的思維將可能帶來柱l、柱2失穩(wěn)破壞。

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

    傳統(tǒng)概念認為超靜定次數(shù)越多安全儲備越大，然而澳大利亞學者對平板網(wǎng)架進行模型試驗研究，測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，鋼結(jié)構(gòu)的強度破壞、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，當然在有些工程事故中會同時發(fā)生幾種形式的破壞，因為各個又是聯(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)件或連接因材料強度被超過而導致破壞，其主要原因有：鋼材強度指標不合格：連接強度不滿足要求：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，其主要原因：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度不滿足設計要求，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：一類是結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，另一類是結(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、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)殘余應力分布情況、結(jié)構(gòu)的長細比、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)沒有安裝完畢沒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)范中給出的臨時支撐的設置要求進行臨時支撐的設置。

    結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部穩(wěn)定通過限制結(jié)構(gòu)寬厚比來達到保證結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定。為了較為經(jīng)濟合理的進行結(jié)構(gòu)設計，在寬厚比不滿足要求時，我們?yōu)榱吮ＷC結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定加設加勁肋。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置支承加勁肋。在進行結(jié)構(gòu)吊裝時選擇合理的吊點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)應力往復作用下發(fā)生的。在鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析中，習慣把循環(huán)次數(shù)N<105稱為低周疲勞，而把N>105稱為高周疲勞。一些如吊車梁、橋梁等經(jīng)常承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)在其工作期限內(nèi)所經(jīng)受的循環(huán)應力次數(shù)遠超過l05級。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的形式之一，在脆性破壞中結(jié)構(gòu)沒有明顯的塑性變形，破壞是突發(fā)的且破壞時構(gòu)件的名義應力很低，一般低于鋼材的抗拉強度設計值，有的只有鋼材屈服強度的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)承受三向拉應力狀態(tài)或復雜應力狀態(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)注的問題。據(jù)統(tǒng)計世界上每年約有產(chǎn)量的30％—40％的鋼鐵因為腐蝕而失效，所以防腐對于節(jié)約鋼材防止工程事故有重大意義。

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

4、結(jié)論

    對鋼結(jié)構(gòu)缺陷的認識以及對鋼結(jié)構(gòu)破壞模式的切實了解有助于我們在實際施工中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題能夠很好的避免一些事故的發(fā)生。通過以上的闡述我們也可以知道要避免工程事故的發(fā)生應該做到以下幾點：

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

    (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殘余應力和殘余變形。殘余應力和殘余變形的存在將導致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載能力的下降，對承受動力荷載的結(jié)構(gòu)還可能引起疲勞破壞。同時，加工制作過程也會降低材

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

    (3)對構(gòu)件的運輸應做適當?shù)姆雷o，在進場前做好檢查。運輸過程中的動載，以及沖擊荷載可能引起構(gòu)件的塑性變形，給結(jié)構(gòu)帶來安裝偏差，安裝的偏差導致結(jié)構(gòu)的受力模型與計算模型的不吻合，使部分構(gòu)件偏于不安全，從而引起工程事故。

    (4)施工中應做好施工臨時支撐設施的搭建。在結(jié)構(gòu)未形成空間受力體系時，結(jié)構(gòu)在其平面外的穩(wěn)定很差．若沒有架設臨時支撐，將會導致結(jié)構(gòu)面外的整體傾覆。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)