鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量事故及其影響因素

陳燕霞 王孟暉

（1、河南省致誠工程技術(shù)有限公司，河南 漯河 462000 2、漯河市沙澧河建設(shè)管理委員會，河南 漯河 462000）

鋼結(jié)構(gòu)事故的類型大體有：①屋蓋倒塌；②桁（網(wǎng)）架桿件斷裂，包括節(jié)點板和連接的斷裂；③桁（網(wǎng)）架桿件彎曲（上弦出現(xiàn)較少，因其截面面積較大，且有屋面板和支撐相連接）；④屋蓋撓度超標準；⑤屋蓋支撐受壓屈等。

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)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

1.1 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(dǎo)致破壞。其主要原因為：①鋼材的強度指標不合格。合格鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中有兩個重要強度指標：屈服強度fy；另外，當結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受較大剪力或扭矩時，鋼材抗剪強度fv也是重要指標。②連接強度不滿足要求。焊接連接的強度取決焊接材料強度及其與母材的匹配、焊接工藝、焊縫質(zhì)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；螺栓連接強度的影響因素為：螺栓及其附件材料的質(zhì)量以及熱處理效果（高強螺栓）、螺栓連接的施工技術(shù)工藝的控制，特別是高強螺栓預(yù)應(yīng)力控制和摩擦面的處理、螺栓孔引起被連接構(gòu)件截面的削弱和應(yīng)力集中等。③使用荷載和條件的變化。包括計算荷載的超載、部分構(gòu)件退出工作引起其他構(gòu)件增載、意外沖擊荷載、溫度變化引起的附加應(yīng)力、基礎(chǔ)不均勻沉降引起的附加應(yīng)力等。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)剛度失效指產(chǎn)生影響其繼續(xù)承載或正常使用的塑性變形或振動。其主要原因為：①結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度不滿足設(shè)計要求 如軸壓構(gòu)件不滿足長細比要求；受彎構(gòu)件不滿足允許撓度要求；壓彎構(gòu)件不滿足上述兩方面要求等。②結(jié)構(gòu)支撐體系不夠。支撐體系是保證結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)正常使用（如工業(yè)廠房當整體剛度不足時，在吊車運行過程中會產(chǎn)生振動和搖晃）。

2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

2.1 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)其它形式的破壞。

影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體穩(wěn)定性的主要原因有：①構(gòu)件整體穩(wěn)定不滿足要求。影響它的主要參數(shù)為長細比（λ=l/r）,其中l(wèi)為構(gòu)件的計算長度，r為構(gòu)件截面的回轉(zhuǎn)半徑。應(yīng)注意截面兩個主軸方向的計算長度可能有所不同，以及構(gòu)件兩端實際支承情況與計算支承間的區(qū)別。②構(gòu)件有各類初始缺陷。在構(gòu)件的穩(wěn)定分析中，各類初始缺陷對其極限承載力的影響比較顯著。這些初始缺陷主要包括：初彎曲、初偏心（軸壓構(gòu)件）、熱軋和冷加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形及其分布、焊接殘余應(yīng)力和殘余變形等。③構(gòu)件受力條件的改變。鋼結(jié)構(gòu)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(chǔ)的不均勻沉降、意外的沖擊荷載、結(jié)構(gòu)加固過程中計算簡圖的改變等，引起受壓構(gòu)件應(yīng)力增加，或使受拉構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簶?gòu)件，從而導(dǎo)致構(gòu)件整體失穩(wěn)。④施工臨時支撐體系不夠。在構(gòu)件的安裝過程中，由于結(jié)構(gòu)并未完全形成一個設(shè)計要求的受力整體或其整體剛度較弱，因而需要設(shè)置一些臨時支撐體系來維持結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體穩(wěn)定。若臨時支撐體系不完善，輕則會使部分構(gòu)件喪失整體穩(wěn)定性，重則造成整個結(jié)構(gòu)的倒塌或傾覆。

2.2 影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部穩(wěn)定性的主要原因有：①構(gòu)件局部穩(wěn)定不滿足要求。如構(gòu)件T形、槽形截面翼緣的寬厚比和腹板的高厚比大于現(xiàn)值時，易發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象；在組合截面構(gòu)件設(shè)計中尤應(yīng)注意。②局部受力部位加勁肋構(gòu)造措施不合理。當在構(gòu)件的局部受力部位，如支座、較大集中荷載作用點，沒有設(shè)支承加勁肋，使外力直接傳給較薄的腹板而產(chǎn)生局部失穩(wěn)。構(gòu)件運輸單元的兩端以及較長構(gòu)件的中間如沒有設(shè)置橫隔，截面的幾何形狀不變難以保證且易喪失局部穩(wěn)定性。③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(gòu)件局部較大的壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致局部失穩(wěn)。所以鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計時，圖紙應(yīng)詳細說明正確的起吊方法和吊點位置。

3 鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞

鋼結(jié)構(gòu)疲勞分析時，習(xí)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。經(jīng)常承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)如吊車梁、橋梁等在工作期限內(nèi)經(jīng)歷的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)往往超過105。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際循環(huán)應(yīng)力特征和實際循環(huán)次數(shù)超過設(shè)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(jié)構(gòu)疲勞破壞的因素還有：所用鋼材的抗疲勞性能差；結(jié)構(gòu)構(gòu)件中尤較大應(yīng)力集中區(qū)；鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形對鋼材疲勞強度也會產(chǎn)生較大影響。

4 鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂

鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞是極限狀態(tài)中最危險的破壞形式之一。它的發(fā)生往往很突然，沒有明顯的塑性變形，而破壞時構(gòu)件的名義應(yīng)力很低，有時只有其屈服強度的0.2倍。影響鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素主要有：

①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。

②構(gòu)件制作加工缺陷。構(gòu)件的高應(yīng)力集中會使構(gòu)件在局部產(chǎn)生復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，它們也將影響構(gòu)件局部和韌性，限制其塑性變形，從而提高構(gòu)件脆性斷裂的可能。

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ф卻有所降低，也即鋼材會變脆。通常把鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在低溫下的脆性破壞稱為"低溫冷脆現(xiàn)象"。至于動載對鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的影響則可解釋為：鋼材在循環(huán)應(yīng)力反復(fù)作用下生成疲勞裂紋，裂紋的擴展直至整個截面的破壞往往是很突然的，無明顯塑性變形，即疲勞裂紋的擴展破壞呈脆性破壞特征。

5 鋼結(jié)構(gòu)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(guān)注的重要問題。腐蝕使鋼結(jié)構(gòu)桿件凈截面面積減損，降低結(jié)構(gòu)承載力和可靠度，腐蝕形成的“銹蝕”使鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)下列部位容易發(fā)生銹蝕：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氣侵蝕部位；經(jīng)常干濕交替又未包混凝土的構(gòu)件；易集灰又濕度大的構(gòu)件部位；組合截面凈空小于12mm，難于涂刷油漆的部位；屋蓋結(jié)構(gòu)、柱與屋架節(jié)點、吊車梁與柱節(jié)點部位等。

結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)工程的施工在我國起步較晚，我們技術(shù)管理人員要做好各分項工程的工序驗收工作之外，還有加強施工過程中的監(jiān)督檢查，最大限度地確保施工單位的內(nèi)控發(fā)揮作用。

[1]彭圣浩.建筑工程質(zhì)量通病防治手冊[M].上海同濟大學(xué)出版社，1988，2.

[2]魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002，2.

[3]王滔.土木建筑學(xué)術(shù)文庫[M].上海同濟大學(xué)出版社，2006，6.