鋼結構常見質量事故分析

史文娟

南京市政公用工程質量檢測中心站　江蘇南京210000

引言

    鋼結構因其受力可靠、強度大、截面小、質量輕、抗震性能好、施工周期短、適合工廠化加工、又是綠色環保材料等許多優點而廣泛應用于單層及多層工業廠房、吊車梁、大型體育場館、大跨度橋梁、高層及超高層鋼結構、塔桅結構、板殼結構、可移動結構和輕型鋼結構等領域。在長期的工程應用實踐中，人們在鋼結構的材料性能、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驗；同時，由于設計、制作、施工過程中可能產生的各種缺陷，加上超載、重復荷載、高溫、低溫、潮濕、腐蝕性介質以及不善的使用管理等外界因素的作用，鋼結構也有可能遭受各種損壞，從而導致質量事故。

1、鋼結構的缺陷

    1.1鋼材材料自身缺陷

    鋼材的質量主要取決于冶煉、澆注和軋制過程中的質量控制，如果某些環節出現問題將會使鋼材質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：發裂、夾層、微孔、白點、內部破裂、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，裂紋的產生給結構帶來許多初始缺陷影響．特別是在處于該應力狀態或在承受動力荷載的結構中將會帶來結構的局部脆性斷裂口。這里對裂紋的產生作幾點歸納：

    （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)構件加工制作可能產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，用于鋼結構連接的螺栓可以分為普通螺栓和高強螺栓。螺栓連接也給鋼結構帶來一些缺陷，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鋼結構運輸、安裝和使用維護中可能存在的缺陷

    (1)運輸中引起結構或其構件產生的較大變形和損傷；

    (2)結構吊裝過程中引起的結構或其構件產生較大的變形和局部失穩：

    (3)安裝過程中沒有設置或沒有足夠設置臨時支撐或錨固，導致結構或其構件產生較大的變形、喪失穩定性，甚至傾覆：

    (4)施工連接的質量不滿足設計要求；

    (5)使用期間由于地基的不均勻沉降等原因造成的結構損壞：

    (6)沒有定期維護使結構出現嚴重腐蝕，影響其可靠性。

    2.4一些傳統概念帶來的缺陷

    (1)對一些特殊構件的計算長度的選取一些年輕的剛走上設計崗位的結構設計人員，對結構一穩定概念的缺乏，從而可能對一些特殊構件的計算長度選取不當，導致結構設計缺陷。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構廠房。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移來選取，而搖擺柱則按兩端鉸接選取。而按照結構穩定分析可以知道柱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失穩破壞。

    (2)超靜定次數越多結構安全儲備不一定越大

    傳統概念認為超靜定次數越多安全儲備越大，然而澳大利亞學者對平板網架進行模型試驗研究，測得一部分桿的初始內力為桿所能承受的力的7％一l2％，初始內力和節點偏心、螺栓連接處的滑移等因素合在一起，使網架的承載能力比理論計算值低13％一37％，并且超靜定次數越高差距越大。

3、鋼結構質量事故常見的破壞形式

    鋼結構質量事故的破壞形式大致可以分為以下幾類，鋼結構的強度破壞、鋼結構的剮度破壞、鋼結構的失穩、鋼結構的疲勞、鋼結構的脆性斷裂以及鋼結構的腐蝕，當然在有些工程事故中會同時發生幾種形式的破壞，因為各個又是聯系的一種破壞可能引起另一種破壞。

    3.1鋼結構的承載力、剛度失效

    承載力失效是在正常使用狀態下結構構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。

    結構剛度失效是結構構件產生影響其繼續承載或正常使用的塑性變形或振動，其主要原因：結構或構件的剛度不滿足設計要求，結構支撐體系不夠。

    3.2鋼結構的失穩

    從我國鋼結構規范(GB50017—2001)中可以知道鋼結構的穩定包括兩類：一類是結構的整體穩定，另一類是結構的局部穩定。

    我們知道結構的整體穩定主要與鋼材的牌號、鋼材的截面形式、結構所受力的作用位置、以及結構殘余應力分布情況、結構的長細比、結構的側向支承情況等因素有關。此外在施工中由于結構沒有安裝完畢沒能形成空間受力體系，很容易發生局部構件的整體失穩，所以在施工中要做好按施工規范中給出的臨時支撐的設置要求進行臨時支撐的設置。

    結構構件的局部穩定通過限制結構寬厚比來達到保證結構的局部穩定。為了較為經濟合理的進行結構設計，在寬厚比不滿足要求時，我們為了保證結構的局部穩定加設加勁肋。所以為保證結構的局部穩定和安全，我們必須在結構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。在進行結構吊裝時選擇合理的吊點也能很好的防止局部失穩的產生。

    3.3鋼結構的疲勞破壞

    鋼結構的疲勞破壞往往是在循環應力往復作用下發生的。在鋼結構的疲勞分析中，習慣把循環次數N<105稱為低周疲勞，而把N>105稱為高周疲勞。一些如吊車梁、橋梁等經常承受動力荷載的鋼結構在其工作期限內所經受的循環應力次數遠超過l05級。影響疲勞的主要因素有：選用鋼材的抗疲勞性能差：結構或構件中有較大的應力集中：鋼結構加工制作中引起的結構的初始微裂縫、殘余應力及殘余變形。

    3.4鋼結構的脆性斷裂破壞

    脆性破壞是鋼結構極限破壞模式中最危險的形式之一，在脆性破壞中結構沒有明顯的塑性變形，破壞是突發的且破壞時構件的名義應力很低，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。影響鋼結構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；構件的加工制作缺陷；構件的應力集中或構件較厚構件可能使結構承受三向拉應力狀態或復雜應力狀態，結構在低溫或者沖擊荷載作用下。

    3.5鋼結構的腐蝕破壞

    普通鋼結構的抗腐蝕能力比較差，所以鋼結構的腐蝕一直是工程上關注的問題。據統計世界上每年約有產量的30％—40％的鋼鐵因為腐蝕而失效，所以防腐對于節約鋼材防止工程事故有重大意義。

    鋼結構在使用過程中要定期檢查，如發現基本金屬有腐蝕，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、結論

    對鋼結構缺陷的認識以及對鋼結構破壞模式的切實了解有助于我們在實際施工中發現問題，解決問題能夠很好的避免一些事故的發生。通過以上的闡述我們也可以知道要避免工程事故的發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。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構穩定承載能力的下降，對承受動力荷載的結構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、韌性若不能把好質量關還將會導致結構的脆性破壞。

    (3)對構件的運輸應做適當的防護，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件的塑性變形，給結構帶來安裝偏差，安裝的偏差導致結構的受力模型與計算模型的不吻合，使部分構件偏于不安全，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。在結構未形成空間受力體系時，結構在其平面外的穩定很差．若沒有架設臨時支撐，將會導致結構面外的整體傾覆。

參考文獻

【1】國際標準IS0/DISl0721銅結構設計與材料【s】．鋼結構設計規范國家標準管理組，北京：1999．

【2】陳紹蕃，顧強，鋼結構．北京：中國建筑工業出版社，2003

【3】王景文鋼結構工程施工質量驗收標準規范【s】長春：吉肆科學技術出版社，2002．

【4】陳驥，鋼結構穩定理論與設計【M】．北京：科學出版社，2003．

【5】Schmidt，LC，UltimateL kad Testing of space Trusses，Jof the Struct Div．ASCE，108，sll61982．

【6】(GB50017—2003)鋼結構設計規范IS]．北京：中國計劃出版社，2003．

【7】陳紹蕃，鋼結構設計原理【M】．北京：科學出版社，2005．

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