略论钢结构的事故及其影响因素

2011-08-15张小勇

山西建筑 2011年36期

关键词：脆性断裂钢材钢结构

张小勇

0 引言

着重从钢结构承载力、刚度、失稳、疲劳、脆性断裂和腐蚀等方面对钢结构的事故及其影响因素进行分析和阐述。

钢结构的事故按破坏形式大致可分为:钢结构承载力和刚度失效;钢结构失稳;钢结构疲劳;钢结构的脆性断裂和钢结构的腐蚀等几种。

1 钢结构承载力和刚度失效

1)钢结构承载力失效指正常使用状态下结构构件或连接因材料强度被超越而导致破坏。其主要原因为:

a.钢材的强度指标不合格。主要是指在钢结构设计中所采用的重强度指标如屈服强度、抗拉强度以及抗剪强度的设计数值与钢材的实有强度不符，造成设计与实际的脱节，从而对结构计算带来影响，使结构的实有承载力达不到设计要求，与其设计荷载不匹配，形成安全隐患。

b.连接强度不满足要求。主要是指各连接件的材料强度达不到要求，对焊接连接的影响因素为:焊接材料及其母材的强度是否足够，焊接工艺、焊缝质量是否可靠、可行，质量是否得到保障与控制，检查、检验手段是否有效等;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强度是否达到要求，螺栓连接的施工技术工艺的控制是否有效，对高强螺栓来说，其预应力控制和摩擦面的处理是否到位、螺栓孔引起被连接构件截面的削弱和应力集中等不良现象对结构受力所带来的不利影响是否已考虑。

c.使用荷载和条件的改变。包括计算荷载小于实际荷载，由此带来的结构超载，部分构件受损、失效退出工作，引起其他构件的荷载增加，偶然冲击荷载、温度变化、结构变形所引起的附加应力、基础不均匀沉降引起上部结构构件的附加应力等。

2)钢结构刚度失效指产生不适于其继续承载或正常使用的塑性变形或振动。其主要原因为:

a.结构或构件的刚度不满足设计要求。主要是指结构构件断面尺寸、壁厚不足，造成结构构件产生过大变形，以致不适于继续承载和正常使用，如轴压构件长细比超过规定;受弯构件挠度不符合要求;压弯构件不满足上述两方面要求等。

b.结构支撑体系不够。主要是指支撑体系设置数量不足、位置不当、强度不够，以致未能对结构起到足够的约束作用，降低其变形，合理的结构支撑不仅对承担水平荷载和地震作用、抗振动有利，而且直接影响结构正常使用。

2 钢结构失稳

钢结构的失稳主要发生在轴压、压弯和受弯构件。它可分为两类:丧失整体稳定性和丧失局部稳定性。两类失稳都将影响结构构件的正常使用，也可能引发其他形式的破坏。

整体失稳大多数是由局部失稳造成的，当受压部位或受弯部位的长细比超过允许值时，会失去稳定。它受很多客观因素影响，如荷载变化、钢材的初始缺陷、支承情况的不同等。支撑往往被设计者或施工者所忽视，这也是造成整体失稳的原因之一。在吊装中由于吊点位置的不同，桁架或网架的杆件受力可能变号，造成失稳;脚手架倾覆、坍塌或变形大多是因为连杆不足、没有支撑造成的。

需要指出的是强度与稳定是结构的两个不同指标，许多人将上述两个概念混为一谈，强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态。

很多可能发生荷载变化的重要结构如桥梁、桁架、水工闸门、导弹发射架等，多采用超静定结构，因它有赘余杆件，可预防因一个杆件失稳而造成整体失稳。又如钢组合梁中由于腹板高而薄或翼缘宽而薄也会造成局部失稳。

3 钢结构疲劳破坏

钢材在连续反复荷载作用下会发生疲劳破坏，这种疲劳破坏在钢结构和钢构件中同样会发生。与钢材发生疲劳破坏的不同处在于钢结构和钢构件由于制作或构造上的原因总会存在缺陷，而这些缺陷就成为裂缝的起源，在疲劳破坏过程中，可以认为不存在裂纹形成这个阶段。因此，钢结构和钢构件疲劳破坏的阶段为裂纹的扩展和最后断裂两个阶段。裂纹的扩展是十分缓慢的，而断裂是在裂纹扩展到一定尺寸时瞬间完成的。在裂纹扩展部分，断口因经反复荷载频繁作用的磨合，表面光滑而且愈近裂纹源愈光滑，而瞬间断裂的裂口比较粗糙并呈颗粒状，具有脆性断裂的特征。

在钢材的疲劳破坏中提到影响疲劳强度的主要因素是应力集中。这同样是影响钢结构和钢构件疲劳强度的主要因素。但在钢结构和钢构件中，产生应力集中的原因则极为复杂，因此钢结构和钢构件的疲劳强度的计算比钢材的要困难得多。钢结构和钢构件在截面突然改变处都会产生应力集中，如梁与柱的连接节点、柱脚、梁和柱的变截面处以及截面形孔等削弱处。此外，对于非焊接结构，有钢材表面的凹凸麻点、刻痕，轧钢时的夹渣、分层，切割边的不平整，冷加工产生的微裂纹以及螺栓孔等等。对于焊接结构还有焊缝外形及其缺陷，缺陷包括气孔、咬肉、夹渣、焊根、起弧和灭弧处的不平整、焊接裂纹等等。除此之外，还有结构和构件中的残余应力以及结构和构件所处的环境等都会对其疲劳强度有影响。在有腐蚀性介质的环境中，疲劳裂纹扩展的速率会受到不利的影响。

4 钢结构脆性断裂

钢材或钢结构的脆性断裂是指应力低于钢材抗拉强度或屈服强度情况下发生突然断裂的破坏。钢结构尤其是焊接结构，由于钢材、加工制造、焊接等质量和构造上的原因，往往存在类似于裂纹性的缺陷。脆性断裂大多是因这些缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生的，当裂纹缓慢扩展到一定程度后，断裂即以极高速度扩展，脆断前无任何预兆而突然发生破坏。钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果，主要有以下几方面:

1)钢材质量差、厚度大:钢材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性差等;较厚的钢材辊轧次数较少，材质差、韧性低，可能存在较多的冶金缺陷。

2)结构或构件构造不合理:孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当等使应力集中严重。

3)制造安装质量差:焊接、安装工艺不合理，焊缝交错，焊接缺陷大，残余应力严重;冷加工引起的应变硬化和随后出现的应变时效使钢材变脆。

4)结构受有较大动力荷载或反复荷载作用:当荷载在结构上作用速度很快时(如吊车行进时由于轨缝处高差而造成对吊车梁的冲击作用和地震作用等)，材料的应力—应变特性就要发生很大的改变。随着加荷速度增大，屈服点将提高而韧性降低。特别是和缺陷、应力集中、低温等因素同时作用时，材料的脆性将显著增加。

5)在较低环境温度下工作:当温度从常温开始下降时，材料的缺口韧性将随之降低，材料逐渐变脆。这种性质称为低温冷脆。不同的钢种，向脆性转化的温度并不相同。同一种材料，也会由于缺口形状的尖锐程度不同，而在不同温度下发生脆性断裂。所以，这里所说的“低温”并没有特定的界限。为了确定缺口韧性随温度变化的关系，目前都采用冲击韧性试验。