略論鋼結(jié)構(gòu)的事故及其影響因素

張小勇

0 引言

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

鋼結(jié)構(gòu)的事故按破壞形式大致可分為:鋼結(jié)構(gòu)承載力和剛度失效;鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn);鋼結(jié)構(gòu)疲勞;鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等幾種。

1 鋼結(jié)構(gòu)承載力和剛度失效

1)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:

a.鋼材的強度指標不合格。主要是指在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計數(shù)值與鋼材的實有強度不符，造成設(shè)計與實際的脫節(jié)，從而對結(jié)構(gòu)計算帶來影響，使結(jié)構(gòu)的實有承載力達不到設(shè)計要求，與其設(shè)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(zhì)量是否可靠、可行，質(zhì)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(zhì)量以及強度是否達到要求，螺栓連接的施工技術(shù)工藝的控制是否有效，對高強螺栓來說，其預(yù)應(yīng)力控制和摩擦面的處理是否到位、螺栓孔引起被連接構(gòu)件截面的削弱和應(yīng)力集中等不良現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)超載，部分構(gòu)件受損、失效退出工作，引起其他構(gòu)件的荷載增加，偶然沖擊荷載、溫度變化、結(jié)構(gòu)變形所引起的附加應(yīng)力、基礎(chǔ)不均勻沉降引起上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的附加應(yīng)力等。

2)鋼結(jié)構(gòu)剛度失效指產(chǎn)生不適于其繼續(xù)承載或正常使用的塑性變形或振動。其主要原因為:

a.結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度不滿足設(shè)計要求。主要是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面尺寸、壁厚不足，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生過大變形，以致不適于繼續(xù)承載和正常使用，如軸壓構(gòu)件長細比超過規(guī)定;受彎構(gòu)件撓度不符合要求;壓彎構(gòu)件不滿足上述兩方面要求等。

b.結(jié)構(gòu)支撐體系不夠。主要是指支撐體系設(shè)置數(shù)量不足、位置不當、強度不夠，以致未能對結(jié)構(gòu)起到足夠的約束作用，降低其變形，合理的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)正常使用。

2 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:喪失整體穩(wěn)定性和喪失局部穩(wěn)定性。兩類失穩(wěn)都將影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用，也可能引發(fā)其他形式的破壞。

整體失穩(wěn)大多數(shù)是由局部失穩(wěn)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(wěn)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(shè)計者或施工者所忽視，這也是造成整體失穩(wěn)的原因之一。在吊裝中由于吊點位置的不同，桁架或網(wǎng)架的桿件受力可能變號，造成失穩(wěn);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(wěn)定是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或者單個構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力(或內(nèi)力)是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應(yīng)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(wěn)定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進入該狀態(tài)。

很多可能發(fā)生荷載變化的重要結(jié)構(gòu)如橋梁、桁架、水工閘門、導彈發(fā)射架等，多采用超靜定結(jié)構(gòu)，因它有贅余桿件，可預(yù)防因一個桿件失穩(wěn)而造成整體失穩(wěn)。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(wěn)。

3 鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞

鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載作用下會發(fā)生疲勞破壞，這種疲勞破壞在鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件中同樣會發(fā)生。與鋼材發(fā)生疲勞破壞的不同處在于鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件由于制作或構(gòu)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(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)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(jīng)反復(fù)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(yīng)力集中。這同樣是影響鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件疲勞強度的主要因素。但在鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件中，產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因則極為復(fù)雜，因此鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件的疲勞強度的計算比鋼材的要困難得多。鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件在截面突然改變處都會產(chǎn)生應(yīng)力集中，如梁與柱的連接節(jié)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)生的微裂紋以及螺栓孔等等。對于焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和構(gòu)件中的殘余應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)和構(gòu)件所處的環(huán)境等都會對其疲勞強度有影響。在有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，疲勞裂紋擴展的速率會受到不利的影響。

4 鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂

鋼材或鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂是指應(yīng)力低于鋼材抗拉強度或屈服強度情況下發(fā)生突然斷裂的破壞。鋼結(jié)構(gòu)尤其是焊接結(jié)構(gòu)，由于鋼材、加工制造、焊接等質(zhì)量和構(gòu)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(fā)展以致裂紋失穩(wěn)擴展而發(fā)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(yù)兆而突然發(fā)生破壞。鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂破壞事故往往是多種不利因素綜合影響的結(jié)果，主要有以下幾方面:

1)鋼材質(zhì)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(shù)較少，材質(zhì)差、韌性低，可能存在較多的冶金缺陷。

2)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件構(gòu)造不合理:孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當?shù)仁箲?yīng)力集中嚴重。

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

4)結(jié)構(gòu)受有較大動力荷載或反復(fù)荷載作用:當荷載在結(jié)構(gòu)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(yīng)力—應(yīng)變特性就要發(fā)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(yīng)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(huán)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(zhì)稱為低溫冷脆。不同的鋼種，向脆性轉(zhuǎn)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(fā)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(guān)系，目前都采用沖擊韌性試驗。

5 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕破壞

雖然鋼結(jié)構(gòu)具有多種類型，不同類型又處于不同的腐蝕介質(zhì)中，但是腐蝕類型歸納起來主要有大氣腐蝕、局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕三種。

一般來說鋼結(jié)構(gòu)下列部位容易發(fā)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(jīng)常干濕交替又未包混凝土的構(gòu)件;

4)易積灰又濕度大的構(gòu)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(jié)構(gòu)、柱與屋架節(jié)點、吊車梁與柱節(jié)點部位等。

在深入研究鋼結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上，針對鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的角度來看鋼結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點，但也存在有別于其他結(jié)構(gòu)形式的問題，只要我們從上述幾個方面對鋼結(jié)構(gòu)工程進行把握，做好這幾個環(huán)節(jié)的質(zhì)量保障工作，就可有效地避免鋼結(jié)構(gòu)的安全事故。

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