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(jìn)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(qiáng)度被超越而導(dǎo)致破壞。其主要原因?yàn)?

a.鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)不合格。主要是指在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所采用的重強(qiáng)度指標(biāo)如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)數(shù)值與鋼材的實(shí)有強(qiáng)度不符，造成設(shè)計(jì)與實(shí)際的脫節(jié)，從而對結(jié)構(gòu)計(jì)算帶來影響，使結(jié)構(gòu)的實(shí)有承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，與其設(shè)計(jì)荷載不匹配，形成安全隱患。

b.連接強(qiáng)度不滿足要求。主要是指各連接件的材料強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)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(yàn)手段是否有效等;螺栓連接強(qiáng)度的影響因素為:螺栓及其附件材料的質(zhì)量以及強(qiáng)度是否達(dá)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(qiáng)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(jì)算荷載小于實(shí)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?yàn)?

a.結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度不滿足設(shè)計(jì)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(xì)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(dāng)、強(qiáng)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(dān)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(dāng)受壓部位或受彎部位的長細(xì)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(jì)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(diǎn)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?yàn)檫B桿不足、沒有支撐造成的。

需要指出的是強(qiáng)度與穩(wěn)定是結(jié)構(gòu)的兩個不同指標(biāo)，許多人將上述兩個概念混為一談，強(qiáng)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(qiáng)度，因此是一個應(yīng)力問題。極限強(qiáng)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(qiáng)度，對鋼材則常取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)定問題則與強(qiáng)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(jìn)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(dǎo)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(rèn)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(kuò)展和最后斷裂兩個階段。裂紋的擴(kuò)展是十分緩慢的，而斷裂是在裂紋擴(kuò)展到一定尺寸時瞬間完成的。在裂紋擴(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的計(jì)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(diǎn)、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(diǎn)、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(qiáng)度有影響。在有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，疲勞裂紋擴(kuò)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(qiáng)度或屈服強(qiáng)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(kuò)展而發(fā)生的，當(dāng)裂紋緩慢擴(kuò)展到一定程度后，斷裂即以極高速度擴(kuò)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(yán)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(dāng)?shù)仁箲?yīng)力集中嚴(yán)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(yán)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(dāng)荷載在結(jié)構(gòu)上作用速度很快時(如吊車行進(jìn)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(diǎn)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(dāng)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(yàn)。

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(diǎn)、吊車梁與柱節(jié)點(diǎn)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(jī)理，腐蝕保護(hù)的措施主要包括三個方面:提高基材的耐蝕性能;使用有機(jī)、無機(jī)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(diǎn)，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(jìn)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.