略論鋼結構的事故及其影響因素

張小勇

0 引言

著重從鋼結構承載力、剛度、失穩、疲勞、脆性斷裂和腐蝕等方面對鋼結構的事故及其影響因素進行分析和闡述。

鋼結構的事故按破壞形式大致可分為:鋼結構承載力和剛度失效;鋼結構失穩;鋼結構疲勞;鋼結構的脆性斷裂和鋼結構的腐蝕等幾種。

1 鋼結構承載力和剛度失效

1)鋼結構承載力失效指正常使用狀態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:

a.鋼材的強度指標不合格。主要是指在鋼結構設計中所采用的重強度指標如屈服強度、抗拉強度以及抗剪強度的設計數值與鋼材的實有強度不符，造成設計與實際的脫節，從而對結構計算帶來影響，使結構的實有承載力達不到設計要求，與其設計荷載不匹配，形成安全隱患。

b.連接強度不滿足要求。主要是指各連接件的材料強度達不到要求，對焊接連接的影響因素為:焊接材料及其母材的強度是否足夠，焊接工藝、焊縫質量是否可靠、可行，質量是否得到保障與控制，檢查、檢驗手段是否有效等;螺栓連接強度的影響因素為:螺栓及其附件材料的質量以及強度是否達到要求，螺栓連接的施工技術工藝的控制是否有效，對高強螺栓來說，其預應力控制和摩擦面的處理是否到位、螺栓孔引起被連接構件截面的削弱和應力集中等不良現象對結構受力所帶來的不利影響是否已考慮。

c.使用荷載和條件的改變。包括計算荷載小于實際荷載，由此帶來的結構超載，部分構件受損、失效退出工作，引起其他構件的荷載增加，偶然沖擊荷載、溫度變化、結構變形所引起的附加應力、基礎不均勻沉降引起上部結構構件的附加應力等。

2)鋼結構剛度失效指產生不適于其繼續承載或正常使用的塑性變形或振動。其主要原因為:

a.結構或構件的剛度不滿足設計要求。主要是指結構構件斷面尺寸、壁厚不足，造成結構構件產生過大變形，以致不適于繼續承載和正常使用，如軸壓構件長細比超過規定;受彎構件撓度不符合要求;壓彎構件不滿足上述兩方面要求等。

b.結構支撐體系不夠。主要是指支撐體系設置數量不足、位置不當、強度不夠，以致未能對結構起到足夠的約束作用，降低其變形，合理的結構支撐不僅對承擔水平荷載和地震作用、抗振動有利，而且直接影響結構正常使用。

2 鋼結構失穩

鋼結構的失穩主要發生在軸壓、壓彎和受彎構件。它可分為兩類:喪失整體穩定性和喪失局部穩定性。兩類失穩都將影響結構構件的正常使用，也可能引發其他形式的破壞。

整體失穩大多數是由局部失穩造成的，當受壓部位或受彎部位的長細比超過允許值時，會失去穩定。它受很多客觀因素影響，如荷載變化、鋼材的初始缺陷、支承情況的不同等。支撐往往被設計者或施工者所忽視，這也是造成整體失穩的原因之一。在吊裝中由于吊點位置的不同，桁架或網架的桿件受力可能變號，造成失穩;腳手架傾覆、坍塌或變形大多是因為連桿不足、沒有支撐造成的。

需要指出的是強度與穩定是結構的兩個不同指標，許多人將上述兩個概念混為一談，強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起的最大應力(或內力)是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。穩定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，從而設法避免進入該狀態。

很多可能發生荷載變化的重要結構如橋梁、桁架、水工閘門、導彈發射架等，多采用超靜定結構，因它有贅余桿件，可預防因一個桿件失穩而造成整體失穩。又如鋼組合梁中由于腹板高而薄或翼緣寬而薄也會造成局部失穩。

3 鋼結構疲勞破壞

鋼材在連續反復荷載作用下會發生疲勞破壞，這種疲勞破壞在鋼結構和鋼構件中同樣會發生。與鋼材發生疲勞破壞的不同處在于鋼結構和鋼構件由于制作或構造上的原因總會存在缺陷，而這些缺陷就成為裂縫的起源，在疲勞破壞過程中，可以認為不存在裂紋形成這個階段。因此，鋼結構和鋼構件疲勞破壞的階段為裂紋的擴展和最后斷裂兩個階段。裂紋的擴展是十分緩慢的，而斷裂是在裂紋擴展到一定尺寸時瞬間完成的。在裂紋擴展部分，斷口因經反復荷載頻繁作用的磨合，表面光滑而且愈近裂紋源愈光滑，而瞬間斷裂的裂口比較粗糙并呈顆粒狀，具有脆性斷裂的特征。

在鋼材的疲勞破壞中提到影響疲勞強度的主要因素是應力集中。這同樣是影響鋼結構和鋼構件疲勞強度的主要因素。但在鋼結構和鋼構件中，產生應力集中的原因則極為復雜，因此鋼結構和鋼構件的疲勞強度的計算比鋼材的要困難得多。鋼結構和鋼構件在截面突然改變處都會產生應力集中，如梁與柱的連接節點、柱腳、梁和柱的變截面處以及截面形孔等削弱處。此外，對于非焊接結構，有鋼材表面的凹凸麻點、刻痕，軋鋼時的夾渣、分層，切割邊的不平整，冷加工產生的微裂紋以及螺栓孔等等。對于焊接結構還有焊縫外形及其缺陷，缺陷包括氣孔、咬肉、夾渣、焊根、起弧和滅弧處的不平整、焊接裂紋等等。除此之外，還有結構和構件中的殘余應力以及結構和構件所處的環境等都會對其疲勞強度有影響。在有腐蝕性介質的環境中，疲勞裂紋擴展的速率會受到不利的影響。

4 鋼結構脆性斷裂

鋼材或鋼結構的脆性斷裂是指應力低于鋼材抗拉強度或屈服強度情況下發生突然斷裂的破壞。鋼結構尤其是焊接結構，由于鋼材、加工制造、焊接等質量和構造上的原因，往往存在類似于裂紋性的缺陷。脆性斷裂大多是因這些缺陷發展以致裂紋失穩擴展而發生的，當裂紋緩慢擴展到一定程度后，斷裂即以極高速度擴展，脆斷前無任何預兆而突然發生破壞。鋼結構脆性斷裂破壞事故往往是多種不利因素綜合影響的結果，主要有以下幾方面:

1)鋼材質量差、厚度大:鋼材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量過高，晶粒較粗，夾雜物等冶金缺陷嚴重，韌性差等;較厚的鋼材輥軋次數較少，材質差、韌性低，可能存在較多的冶金缺陷。

2)結構或構件構造不合理:孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當等使應力集中嚴重。

3)制造安裝質量差:焊接、安裝工藝不合理，焊縫交錯，焊接缺陷大，殘余應力嚴重;冷加工引起的應變硬化和隨后出現的應變時效使鋼材變脆。

4)結構受有較大動力荷載或反復荷載作用:當荷載在結構上作用速度很快時(如吊車行進時由于軌縫處高差而造成對吊車梁的沖擊作用和地震作用等)，材料的應力—應變特性就要發生很大的改變。隨著加荷速度增大，屈服點將提高而韌性降低。特別是和缺陷、應力集中、低溫等因素同時作用時，材料的脆性將顯著增加。

5)在較低環境溫度下工作:當溫度從常溫開始下降時，材料的缺口韌性將隨之降低，材料逐漸變脆。這種性質稱為低溫冷脆。不同的鋼種，向脆性轉化的溫度并不相同。同一種材料，也會由于缺口形狀的尖銳程度不同，而在不同溫度下發生脆性斷裂。所以，這里所說的“低溫”并沒有特定的界限。為了確定缺口韌性隨溫度變化的關系，目前都采用沖擊韌性試驗。

5 鋼結構腐蝕破壞

雖然鋼結構具有多種類型，不同類型又處于不同的腐蝕介質中，但是腐蝕類型歸納起來主要有大氣腐蝕、局部腐蝕和應力腐蝕三種。

一般來說鋼結構下列部位容易發生銹蝕:

1)埋入地下的地面附近部位，如樁腳等;

2)可能存積水或遭受水蒸氣侵蝕部位;

3)經常干濕交替又未包混凝土的構件;

4)易積灰又濕度大的構件部位;

5)組合截面凈空小于12 mm，難于涂刷油漆的部位;

6)屋蓋結構、柱與屋架節點、吊車梁與柱節點部位等。

在深入研究鋼結構類型的基礎上，針對鋼結構腐蝕的類型和機理，腐蝕保護的措施主要包括三個方面:提高基材的耐蝕性能;使用有機、無機涂層和金屬鍍層;外加電流。

總之，從結構的角度來看鋼結構有許多優點，但也存在有別于其他結構形式的問題，只要我們從上述幾個方面對鋼結構工程進行把握，做好這幾個環節的質量保障工作，就可有效地避免鋼結構的安全事故。

［1］ 張榮偉.某售樓處鋼結構問題診斷與加固技術［J］.山西建筑，2011，37(9):57-58.