第六章-钢结构工程事故分析与处理

第六章钢结构工程事故分析与处理•第一节钢结构的缺陷•第二节钢结构事故原因分析及处理•第三节钢结构的加固返回第一节钢结构的缺陷•一、钢材的性能及缺陷•１．钢材的化学成分•钢材的种类很多，建筑结构用钢材需具有较高强度，较好的塑性、韧性，足够的变性能力，以及适应冷热加工和焊接的性能。目前，建筑结构用钢主要有低碳钢和低合金钢两种。•低碳钢中，铁约占９９％，碳只占０．１４％~０．２２％，此外便是硅（Ｓｉ）、锰（Ｍｎ）、铜（Ｃｕ，不经常有）等微量元素，还有在冶炼中不易除尽的有害元素，如硫（Ｓ）、磷（Ｐ）、氧（Ｏ）、氮（Ｎ）、氢（Ｈ）等。下一页返回第一节钢结构的缺陷•在低碳钢中添加用以改善钢材性能的某些合金元素，如锰（Ｍｎ）、钒（Ｖ）、镍（Ｎｉ）、铬（Ｃｒ）等，就可得到低合金钢。碳和这些元素虽然含量很低（总和仅占１％２％），但却决定着钢材的强度、塑性、韧性、可焊性和耐腐蚀性，其中，硫、磷是常见的有害元素，应重点检测，控制其含量。•钢材在高温下进行轧制、锻造、焊接、铆接等热加工时，会使钢内的硫化亚铁（ＦｅＳ）熔化，形成微裂，使钢材变脆，即所谓的“热脆现象”。另外，硫还会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈蚀性，要求含量０．０３５％~０．０５０％。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•磷的存在可提高钢的强度和抗锈蚀性，但会严重地降低其塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等；特别是在低温条件下，会使钢材变得很脆（低温冷脆）。另外，适量的磷和铜共存可以提高强度，但最明显的还是提高钢的耐腐蚀性能，要求含量０．０３５％~０．０４５％。•２．钢材的物理力学性能•影响钢结构性能的钢材物理力学指标除常用的强度和塑性外，还有以下几种：•（１）冷弯。冷弯性能是指钢材在常温下冷加工弯曲产生塑性变形时抵抗裂纹产生的一种能力。•（２）冲击韧性。冲击韧性是衡量钢材断裂时吸收机械能量的能力，是强度和塑性的综合指标。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•（３）可焊性。钢材的可焊性可分为施工上的可焊性和使用上的可焊性两种类型。•施工上的可焊性是指焊缝金属产生裂纹的敏感性，以及由于焊接加热的影响，近缝区母材的淬硬和产生裂纹的敏感性以及焊接后的热影响区的大小。可焊性好是指在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区钢材均不产生裂纹。•使用上的可焊性则指焊接接头和焊缝的缺口韧性（冲击韧性），以及热影响区的延伸性（塑性）。要求焊接结构在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。•（４）疲劳。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•钢材的疲劳是指其在循环应力多次反复作用下，裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象。钢材疲劳破坏时，截面上的应力低于钢材的抗拉强度设计值，钢材在疲劳破坏之前，并不出现明显的变形或局部收缩；它和脆性断裂一样，是突然破坏的。•（５）腐蚀。钢材的腐蚀有大气腐蚀、介质腐蚀和应力腐蚀。•钢材的介质腐蚀主要发生在化工车间、储罐、储槽、海洋结构等一些和腐蚀性介质接触的钢结构中，腐蚀速度和防腐措施取决于腐蚀性介质的作用情况。•钢材的应力腐蚀是指其在腐蚀性介质侵蚀和静应力长期作用下的材质脆化现象，如海洋钢结构在海水和静应力长期作用下的“静疲劳”。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•根据国外挂片试验结果，不刷涂层的两面外露钢材在大气中的腐蚀速度为８~１７年１ｍｍ。•（６）冷脆。在常温下，钢材本是塑性和韧性较好的金属，但随着温度的降低，其塑性和韧性逐渐降低，即钢材逐渐变脆，这种现象称为“冷脆现象”。•３．钢材的缺陷•（１）发裂。发裂主要是由热变形过程中（轧制或锻造）钢内的气泡及非金属夹杂物引起的，经常出现在轧件纵长方向上，裂纹如发丝，一般裂纹长２０~３０ｍｍ以下，有时为１００~１５０ｍｍ。发裂几乎出现在所有钢材的表面和内部。发裂的防止最好由冶金工艺解决。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•(2)分层。分层是钢材在厚度方向不密合，分成多层，但各层间依然相互连接并不脱离的现象。横轧钢板分层出现在钢板的纵断面上，纵轧钢板分层出现在钢板的横断面上。分层不影响垂直厚度方向的强度，但显著降低冷弯性能。另外，在分层的夹缝处还容易锈蚀，甚至形成裂纹。分层将严重降低钢材的冲击韧性、疲劳强度和抗脆断能力。•（３）白点。钢材的白点是因含氢量过大和组织内应力太大，从而相互影响而形成的。它使钢材质地变松、变脆、丧失韧性、产生破裂。在炼钢时，尽量不要使氢气进入钢水中，并且做到钢锭均匀退火，轧制前合理加热，轧制后缓慢冷却，即可避免钢材中的白点。•（４）内部破裂。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•轧制钢材过程中，若钢材塑性较低或是轧制时压量过小，特别是上下轧辊的压力曲线不“相交”时，则会与外层的延伸量不等，从而引起钢材的内部破裂。这种缺陷可以用合适的轧制压缩比（钢锭直径与钢坯直径之比）来补救。•（５）斑疤。钢材表面局部薄皮状重叠称为斑疤，这是一种表面粗糙的缺陷，它可能产生在各种轧材、型钢及钢板的表面。其特征为：因水容易浸入缺陷下部，会使钢材冷却加快，故缺陷处呈现棕色或黑色，斑疤容易脱落，形成表面凹坑。其长度和宽度可达几毫米，深度为０．０１~１．０ｍｍ不等。斑疤会使薄钢板成型时的冲压性能变坏，甚至产生裂纹和破裂。•（６）划痕。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•划痕一般产生在钢板的下表面上，主要是由轧钢设备的某些零件摩擦所致。划痕的宽度和深度肉眼可见，长度不等，有时贯穿全长。•（７）切痕。切痕是薄板表面上常见的折叠比较好的形似接缝的褶皱，在屋面板与薄铁板的表面上尤为常见。如果将形成的切痕的褶皱展平，钢板易在该处裂开。•（８）过热。过热是指钢材加热到上临界点后，还继续升温时，其机械性能变差（如抗拉强度），特别是冲击韧性显著降低的现象。它是由于钢材晶粒在经过上临界点后开始胀大所引起的，可用退火的方法使过热金属的结晶颗粒变细，恢复其机械性能。•（９）过烧。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•当金属的加热温度很高时，钢内杂质集中的边界开始氧化或部分熔化时会发生过烧现象。•（１０）机械性能不合格。钢材的机械性能一般要求抗拉强度、屈服强度、伸长率和截面收缩率四项指标得到保证，有时再加上冷弯，用在动力荷载和低温时还必须要求冲击韧性。如果上述机械性能大部分不合格，钢材只能报废，若仅有个别项达不到要求，可作等外品处理或用于次要构件。•（１１）夹杂。夹杂通常指的是非金属夹杂，常见的为硫化物和氧化物，前者使钢材在８００℃~１２００℃高温下变脆，后者将降低钢材的力学性能和工艺性能。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•(12)脱碳。脱碳是指金属加热表面氧化后，表面含碳量比金属内层低的现象。主要出现在优质高碳钢、合金钢、低合金钢中，中碳钢有时也有此缺陷，钢材脱碳后淬火将会降低钢材强度、硬度及耐磨性。•缺陷有表面缺陷和内部缺陷，也有轻重之分。最严重的应属钢材中形成的各种裂纹，应高度重视其危害后果。•二、钢结构加固制作中可能存在的缺陷•钢结构的加工制作全过程是由一系列工序组成的，钢结构的缺陷也就可能产生于各工种的加工工艺中。•１．钢构件的加工制作及可能产生的缺陷上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•钢构件的加工制作过程一般为：钢材和型钢的鉴定试验→钢材的矫正→钢材表面清洗和除锈→放样和画线→构件切割→孔的加工→构件的冷热弯曲加工等。•构件加工制作可能产生各种缺陷，主要缺陷有以下几方面：•（１）钢材的性能不合格。•（２）矫正时引起的冷作硬化。•（３）放样尺寸和孔中心的偏差。•（４）切割边未作加工或加工未达到要求。•（５）孔径误差。•（６）构件的冷加工引起的钢材硬化和微裂纹。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•（７）构件的热加工引起的残余应力等。•２．铆接缺陷•铆接是将一端带有预制钉头的铆钉，经加热后插入连接构件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端打铆成钉头，以使连接达到紧固。铆接有热铆和冷铆两种方法。铆接传力可靠，塑性、韧性均较好。在２０世纪上半叶以前，铆接曾是钢结构的主要连接方法。由于铆接是现场热作业，目前只在桥梁结构和吊车梁构件中偶尔使用。•铆接工艺带来的缺陷归纳如下：•（１）铆钉本身不合格。•（２）铆钉孔引起的构件截面削弱。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•（３）铆钉松动，铆合质量差。•（４）铆合温度过高，引起局部钢材硬化。•（５）板件之间紧密度不够。•３．栓接缺陷•栓接包括普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类。普通螺栓由于紧固力小，且螺栓杆与孔径间空隙较大（主要指粗制螺栓），故受剪性能差，但受拉连接性能好，且装卸方便，故通常应用于安装连接和需拆装的结构。高强螺栓是继铆接连接之后发展起来的一种新型钢结构连接形式，它已成为当今钢结构连接的主要手段之一。•螺栓连接给钢结构带来的主要缺陷有：上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•（１）螺栓孔引起构件截面削弱。•（２）普通螺栓连接在长期动载作用下的螺栓松动。•（３）高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形。•（４）螺栓及附件钢材质量不合格。•（５）孔径及孔位偏差。•（６）摩擦面处理达不到设计要求，尤其是摩擦系数达不到要求。•４．焊接缺陷•焊接是钢结构最重要的连接手段。焊接方法种类很多，按焊接的自动化程度一般分为手工焊接、半自动焊接及自动化焊接。•焊接工艺可能存在以下缺陷：上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•（１）焊接材料不合格。手工焊采用的是焊条，自动焊采用的是焊丝和焊剂。在实际工程中通常容易出现三个问题：一是焊接材料本身质量有问题；二是焊接材料与母材不匹配；三是不注意焊接材质的烘焙工作。•（２）焊接引起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低，使钢材硬化、变脆开裂。•（３）因焊接产生较大的焊接残余变形。•（４）因焊接产生严重的残余应力或应力集中。•（５）焊缝存在多种缺陷，如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等。上一页下一页返回第一节钢结构的缺陷•三、钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷•钢结构运输、安装和使用维护中可能产生的缺陷有以下几方面：•（１）运输过程中引起结构或其构件产生的较大变形和损伤。•（２）吊装过程中引起结构或其构件的较大变形和局部失稳。•（３）安装过程中没有足够的临时支撑或锚固，导致结构或其构件产生较大的变形、丧失稳定性，甚至倾覆等。•（４）施工连接（焊缝、螺栓连接）的质量不满足设计要求。•（５）使用期间由于地基不均匀沉降等原因造成的结构损坏。•（６）没有定期维护，使结构出现较严重腐蚀，影响结构的可靠性能。上一页返回第二节钢结构事故原因分析及处理•钢结构按破坏形式大致可分为：钢结构承载力与刚度的失效、钢结构的失稳、钢结构的疲劳破坏、钢结构的脆性断裂和钢结构的腐蚀等。同时钢结构的各种破坏又是相互联系和相互影响的，在一个事故中有可能发现几种形式的破坏，导致各种形式破坏的原因虽有不同，但大多具有一定的共性。•一、钢结构承载力与刚度的失效•１．钢结构承载力失效•钢结构承载力失效主要指正常使用状态下，结构构件或连接因材料强度被超过而导致破坏。其主要原因大致可归纳为：•（１）钢材的强度指标不合格。下一页返回第二节钢结构事故原因分析及处理•在钢结构的设计中，有两个重要的强度指标：屈服强度fy和抗拉强度fｕ。另外，当结构构件承受较大剪力或扭矩时，钢材的抗剪强度fv也是一个重要的强度指标。•（２）连接强度不满足要求。钢结构焊接连接的强度主要取决于焊接材料的强度及其与母材的匹配、焊接工艺、焊缝质量和缺陷及其检查和控制、焊接对母材热影响区强度的影响等。螺栓连接强度的影响因素为：螺栓及其附件材料的质量以及热处理效果（高强度螺栓）、螺栓连接的施工技术工艺的控制，特别是高强度螺栓预应力控制和摩擦面的处理、螺栓孔引起被连接构件截面的削弱和应力集中等。•（３）使用荷载和条件的改变。上一页下一页返回第二节钢结构事故原因分析及处理•使用荷载和条件的改变主要包括计算荷载的超载、部分构件退出工作引起的其他构件荷载的增加、温度荷载、基础不均匀沉降引起的附加荷载、意外的冲击荷载、结构加固过程中引起计算简图的改变等。•２．钢结构刚度失效•钢结构刚度失效主要指结构构件产生了影响其继续承载或正常使用的塑性变形或振动。其主要原因为：•（１）结构或构件