建筑工程中钢结构事故的破坏形式及原因分析

   日期:2024-06-27     来源:网络整理    作者:佚名    浏览:536    
核心提示:所以钢结构在施工时,施工方案应详细说明正确的起吊方法和吊点位置。钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等不可避免,在荷载作用下。要防止钢结构的事故,必须对钢结构的制作,焊接、高强螺栓的连接、安装、防腐等进行严格的质量控制。3、钢结构高强螺栓连接时质量控制主要有:

建筑工程中涉及钢结构的事故按破坏形式可分为:钢结构失稳、钢结构脆性断裂、钢结构承载力与刚度破坏、钢结构疲劳破坏、钢结构腐蚀破坏等。

1.钢结构不稳定

钢结构的失稳主要发生在轴心受压、压弯和受弯构件上,可分为局部失稳和整体失稳两大类。

(1)影响结构构件局部稳定的主要原因有:

①局部受力区域加固肋的构造措施

在构件的局部受力部位,如支座、较大集中荷载作用点处不设置支撑加劲肋是不合理的,这样外力会直接传递到较薄的腹板上,产生局部失稳。如果在构件输送单元的端部和较长单元的中部没有设置隔板,很难保证截面几何形状不变,容易失去局部稳定性。

②起吊时吊点位置选择不当

吊装过程中,吊点位置选择不当,会造成构件局部压应力较大,造成局部失稳。因此,在钢结构施工时,施工方案应详细规定正确的吊装方式和吊点位置。

③构件局部稳定性不符合要求

当工字形或槽形截面翼缘的宽厚比、腹板的高厚比大于极限值时,容易产生局部失稳,在组合截面构件设计时应特别注意。

(2)影响结构构件整体稳定性的主要原因有:

①构件存在各类初始缺陷。在构件的稳定性分析中,各类初始缺陷对其极限承载力的影响十分显著。

②施工临时支撑体系不够。在结构安装过程中,由于结构尚未按设计要求完全形成受力实体或其整体刚度较弱,需要设置一些临时支撑体系,以保证结构或部件的整体稳定性。

③构件受力情况的变化。钢结构荷载和使用条件的变化,如超载、节点破坏、温度变化、地基不均匀沉降、意外的冲击荷载、结构加固时计算图的变化等,造成受压构件应力增大,或由受拉构件转变为受压构件,从而导致构件整体失稳。

④构件整体稳定性不符合要求

其主要参数为长细比,需要注意的是,受力面两个主轴方向的操作长度可能不同,以及构件两端实际支撑情况与操作支撑的差异。

案例:2020年3月7日,泉州欣佳酒店发生倒塌事故,业主违规在楼内加建夹层,欣佳酒店楼宇由4层违规加建至7层,已达到最大承载力,处于倒塌危险状态,加之事发前底层支撑钢柱违规焊接加固,导致钢柱失稳损坏,导致楼宇整体倒塌。

2021年2月6日,晋江市西滨镇一在建农场项目,据现场专家介绍,整体倒塌是由于H型钢柱在浇注水泥过程中,薄弱轴失稳造成。

下图是整体不稳定、损坏的情况:

局部不稳定性如下

2.钢结构的脆性断裂

钢结构脆性断裂是其极限状态下最危险的破坏形式之一。脆性断裂是指钢材或钢结构在较低的公称应力(低于钢材的屈服强度或抗拉强度)下突然断裂。钢结构脆性断裂通常具有以下特点:

a.破坏时的应力往往小于钢材的屈服强度f,有时仅为f的0.2倍

b.破坏前无明显变形,吸收能量较小,破坏发生突然,无事故前兆

c.断口光滑、光亮

影响钢结构脆性断裂的原因主要有:

(1)材料缺陷

当钢中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素含量过高时,其塑性和韧性会严重降低,脆性也会相应增大。一般碳导致焊接性变差;磷和氧导致“热脆”;磷和氮导致“冷脆”;氢导致“氢脆”。此外,钢的冶金缺陷,如偏析、非金属夹杂、裂纹和分层等,也会大大降低钢抵抗脆性断裂的能力。

(2)零部件制造加工缺陷

零件内部应力集中程度较高,会造成零件局部区域出现复杂的应力状态,也会影响零件局部塑性和韧性,限制其塑性变形,从而增加零件脆性断裂的可能性。

(3)钢板厚度

钢板厚度对脆性断裂影响很大,一般钢板越厚,脆性断裂倾向越大,应高度重视“层状撕裂”问题。

(4)钢材抗脆断性能差

钢的塑性、韧性及对裂纹的敏感性均影响其抗脆断性能,其中冲击韧性起着决定性的作用。低合金钢的抗脆断性能优于普通碳素钢;普通碳素钢中,镇静钢、半镇静钢、沸腾钢的抗脆断性能依次降低。

(5)低温动载荷

随着温度的降低,钢材的屈服强度f和抗拉强度fu会有所升高,而钢材的塑性指标截面收缩率会有所下降,即钢材变脆。动荷载对钢结构的破坏往往很突然,还没有明显的塑性变形,就出现脆性破坏的特征。

(6)应力集中

钢结构不可避免地会因孔洞、缺口、断面突变等部位承受荷载,这些部位会产生局部峰值应力,而其它部位应力较低且分布不均匀,这种现象称为应力集中。我们通常把截面峰值应力与平均应力的比值称为应力集中系数,以表示应力集中的严重程度。当钢材某一部位出现应力集中时,就会出现同号的二维或三维应力场,使材料难以进入塑性状态,从而导致脆性破坏。应力集中越严重,钢材的塑性降低越多,发生脆性断裂的危险性就越大。钢结构或构件的应力集中主要与其结构细节有关。在钢构件的设计和制造中钢结构 无垫铁安装,不可避免地会出现孔洞、缺口、凹角、缺口、裂纹、断面突变等缺陷。焊接作为钢结构的主要连接方法,具有很多优点,但其缺点是焊缝缺陷和残余应力的存在往往会成为应力集中源。 据统计,焊接结构发生脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓结构。主要有以下原因:①焊缝中存在或多或少的缺陷,如裂纹、夹渣、气孔、咬边等,这些缺陷将成为断裂的根源;②焊接后结构内部的残余应力分为残余拉应力与残余压应力,前者与其他因素结合可能引起开裂;③焊接结构的连接往往刚性较大,当多条焊缝汇聚在一起时,材料的塑性变形很难发展,脆性增大;④焊接使结构形成一个连续的整体,裂纹一旦发展,可能一直开裂,不像铆接或螺栓连接,裂纹一旦遇到螺孔中的裂纹就会停止。

案例:2023年11月6日黑龙江佳木斯岳城体育馆倒塌,具体原因未说明,设计时是否考虑了材料的低温脆性?

3.钢结构承载力和刚度失效

(1)钢结构刚度破坏

钢结构刚度失效是指影响其连续承受荷载或正常使用的塑性变形或振动。 主要原因有:

①结构支撑体系不足

支撑系统是保证结构整体和局部刚度的重要构件,不仅有利于抵抗水平荷载、地震和振动,而且直接影响结构的正常使用。

②结构或构件刚度不满足设计要求:

例如轴心受压构件不满足长细比要求;受弯构件不满足允许挠度要求;压弯构件不满足上述两个要求等等。

(2)钢结构承载力失效

钢结构承载力失效是指在正常使用情况下,因材料强度超过规定值而导致结构构件或连接件失效。其主要原因有:

①连接件强度不符合要求

焊接连接强度取决于焊接材料的强度及其与母材的匹配、焊接工艺、焊缝的质量和缺陷及其检查与控制、焊接对母材热影响区强度的影响等。影响焊接螺栓连接强度的原因有:螺栓及其附件的质量和热处理的效果、螺栓连接施工工艺的控制特别是高强度螺栓的预应力和摩擦面的处理、被连接构件截面的弱化以及螺栓孔引起的应力集中等。

②负荷及使用条件的变化

包括超过计算荷载、由于某些构件退出工作而增加其他构件的荷载、意外的冲击荷载、温度变化引起的附加应力、地基不均匀沉降引起的附加应力等。

③钢材强度指标不合格

钢结构设计中强度指标有两项:屈服强度fy和抗拉强度fu;另外,当结构构件承受较大的剪力或扭矩时,钢材的剪切强度fv也是一个重要指标。

4.钢结构的疲劳破坏

在对钢结构进行疲劳分析时,习惯上将循环次数为N10时称为高周疲劳。如果钢结构构件的实际循环应力特性和实际循环次数超过设计时所取的参数,则可能发生疲劳失效。此外,影响钢结构疲劳失效的原因还有:结构构件中存在较大的应力集中区域;所用钢材的抗疲劳性能较差;钢结构构件在加工制造过程中存在缺陷,其中裂纹缺陷对钢材的疲劳强度影响较大;钢材在冷热加工、焊接过程中产生的残余应力和残余变形也会对钢材的疲劳强度产生较大的影响。

5.钢结构的腐蚀与损坏

普通钢材的耐腐蚀性能较差,这一直是工程界关注的重要问题。腐蚀使钢结构杆件的净截面积减小,降低了结构承载能力和可靠性,腐蚀形成的“锈坑”增加了钢结构发生脆性破坏的可能性钢结构 无垫铁安装,特别是抗冷脆性能。一般来说,钢结构下列部位容易发生锈蚀:经常干湿交替、未用混凝土覆盖的构件:埋在地下的与地面相邻的部位,如柱脚;可能积水或受水汽腐蚀的部位:组合段净空小于12m、油漆难的部位;屋架、柱及屋架节点、吊车梁、柱:构件中容易积尘、含尘量大的部位。由于钢结构是以钢板和型钢为主要材料,因此必须采用理化性能合格的钢材,并严格控制钢板与型钢之间的连接。

2、预防钢结构事故的措施

为防止钢结构事故的发生,必须对钢结构的制造、焊接、高强度螺栓连接、安装、防腐等环节进行严格的质量控制。

1、钢结构生产过程中主要的质量控制有:

(1)应保证钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率及硫、磷等有害元素的限量,对焊接结构还应保证碳的限量,必要时还应进行冷弯试验合格。

(2)钢材切割质量必须严格控制。切割前应清除切割区的铁锈、油污。切割后,断口处不得有大于1.0mm的裂纹和棱角。应清除边缘结节、飞溅和毛刺。

(3)观察检查组件外观,组件正面无明显凹面、损伤,为合格。

(4)各类结构件组装时,其顶面紧密接触率不得小于75%,边缘处最大间隙不得超过0.8毫米。

(5)构件制造偏差应符合《建筑安装工程质量检验评定标准》的规定。

2、钢结构焊接主要质量控制措施有:

(1)焊接所采用的焊条、焊剂、保护气体必须符合设计要求及钢结构焊接的专项规定。

(2)焊工必须经考试合格,取得相应焊接条件的合格证书。

(3)承受拉力或者压力,且要求具有与母材同等强度的焊缝,必须按照国家有关规定进行超声波、X射线探伤检查。

(4)焊缝表面严禁存在裂纹、夹渣、焊接凸块、电弧坑、针状气孔及熔合飞溅等缺陷。气孔、咬边必须符合施工规范。

(5)焊缝外观质量检查。焊缝波应比较均匀,明显处的焊渣、飞溅应清理干净。焊缝尺寸的允许偏差及检查方法应符合规范要求。

3、钢结构高强度螺栓连接的质量控制主要有:

(1)高强度螺栓的型号、规格和技术条件必须符合设计要求和有关标准的规定。高强度螺栓必须通过试验确定扭矩系数或重新进行螺栓预紧力试验,满足钢结构用高强度螺栓的特殊要求后方可使用。

(2)构件高强度螺栓连接表面的摩擦系数必须符合设计要求。表面严禁有氧化铁皮、毛刺、焊疤和油污。

(3)高强度螺栓必须进行二次紧固,初紧和终紧质量必须符合钢结构高强度螺栓施工规范和专项规定。

(4)高强螺栓接头外观要求:前螺栓插入方向一致且外露长度不少于2圈。

4、钢结构安装过程中主要的质量控制有:

(1)构件必须符合设计要求和施工规范,因运输、堆放、吊装等原因造成的构件变形必须纠正。

(2)垫铁与柱底面及基础接触紧密、稳定,点焊牢固。砂浆强度必须符合要求。

(3)构件中心、高程基准点等必须符合规定。

(4)结构表面清洁,结构大面积表面无焊疤、油污、泥土或砂土。

(5)要求抛光紧固后的构件安装面与紧固面紧度不小于70%,边缘处最大间隙不得超过0.8mm。

(6)安装的允许偏差和检验方法应按国家有关标准执行。

5、钢结构防腐处理的质量控制应做到:

(1)油漆、稀释剂、固化剂的品种、质量必须符合设计要求

(2)涂漆基钢表面不得有铁锈、焊渣、焊接疤痕、灰尘、油污、水份及其他杂质。用抹刀检查经酸洗、喷丸(砂)处理后的钢材表面必须呈现金属本色。

(3)观察检查是否有错涂、漏涂、剥落、生锈的情况。

(4)油漆涂刷均匀,色泽一致,无起皱、滴落,分色线清晰、整齐。

 
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