钢结构事故分析与预防
摘要：建筑工程中钢结构的事故按破坏形式可分为：钢结构失稳，钢结构的脆性断裂，钢结构承载力和刚度失效，钢结构疲劳破坏和钢结构的腐蚀破坏等几种。本文首先论述了钢结构的优点和应用前景，继而分析了产生事故的原因并提出了预防措施。
关键词：钢结构；事故；稳定；断裂；缺陷
一．钢结构的前景
钢结构与混凝土结构相比，具有强度高、自重轻、塑性和韧性好、装配化程度高、施工周期短、建筑垃圾少、环境污染小等优点．因此，在经济发达国家的应用比较普遍，不仅大跨度桥梁和建筑、高层建筑等基本上都采用钢结构或钢一混组合结构，中小跨度桥梁和普通建筑也有许多采用钢结构，甚至民用住宅也采用装配式的钢结构。国内过去由于钢产量低，钢材品种少，价格偏高，而劳动力相对便宜，因此钢结构在经济上缺乏竞争力。只有那些混凝土不能胜任的大跨度或高耸结构，才采用钢结构和钢～混组合结构。近二十多年来，我国钢结构在工程建设中得到了更为广泛的应用，在材料、加工工艺、施工技术、理论分析和设计方法等诸方面都有了飞速发展和进步，应用钢结构已成为当前的一大“热点”，展现了其广阔的、具有强大生命力的前景。实际上，钢结构的形式与应用范围是非常广泛的，在形式上有普钢结构、轻钢结构、空间结构、张拉结构等；应用范围，既有民用建筑钢结构、公共建筑钢结构、工业厂房钢结构、桥梁钢结构，又有特种构筑物(塔桅、储藏库、管道支架、栈桥等)钢结构等，既可应用于高度达400多米以上的高层建筑，跨度达200多米的空间结构，又可应用于几米跨度的建筑结构。但钢结构在具体应用中，也会存在一些质量问题，会发生一些工程事故，所以应采取一些积极措施加以预防。
二．钢结构的事故与分析
建筑工程中钢结构的事故按破坏形式可分为：钢结构失稳，钢结构的脆性断裂，钢结构承载力和刚度失效，钢结构疲劳破坏和钢结构的腐蚀破坏等几种。
1、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．丧失局部稳定和丧失整体稳定性。
(1)影响结构构件局部稳定性的主要原因有：
①局部受力部位加劲肋构造措施
不合理当在构件的局部受力部位，如支座、较大集中荷载作用点，没有设支承加劲肋，使外力直接传给较薄的腹扳而产生局部失稳。构件运输单元的两端以及较长要件的中间如没有设置横隔，截面的几何形状不变难以保证且易丧局部稳定性。
②吊装时吊点位置选择不当
在吊装过程中，由于吊点位置选择不当，会造成构件局部较大的压应力，从而导致局部失稳。所以钢结构在设计时，图纸应详细说明正确的起吊方法和吊点位置。
③构件局部稳定不满足要求
如构件I字形、槽形截面翼缘的宽厚比和腹扳的离厚比大于限值时，易发生局部失稳现象；在组合截面构件设计中尤应注意。
(2)影响结构构件整体稳定性的主要原因有：
①构件有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比较显著。
②施工临时支撑体系不够在结构的安装过程中，由于结构并未完全形成一个设计要求的受力整体或其整体刚度较弱，因而需要设置一些临时支撑体系来维持结构或构件的整体稳定。
③构件受力条件的改变钢结构使用荷载和使用条件的改变，如超载、节点的破坏、温度的变化、基础的不均匀沉降、意外的冲击荷载、结构加固过程中计算简图的改变等，引起受压构件应力增加，或使受拉构件转变为受压构件，从而导致构件整体失稳。
④构件整体稳定不满足要求影响
它的主要参数为长细比。应注意载面两个主轴方向的计算长度可能有所不同，以及构件两端实际支承情况与计算支承间的区别。
案例：世界上曾经有过不少桥梁失稳事故．俄罗斯的克夫达敞开式桥，于1875年因上弦杆压杆失稳而引起全桥破坏；加拿大的魁北克桥于1907年在架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲而引起严重破坏事故；苏联的莫兹尔桥，于1925年试车时由于压杆失稳而发生事故；澳大利亚墨尔本附近的西门桥，于1970年在架设拼拢整孔左右两半(截面)钢箱梁时，上翼板在跨中央失稳，导致112m的整跨倒塌．现在，尽管各国的桥梁设计规范中对钢桥稳定(包括整体稳定和局部稳定)问题的检算都有所规定，但钢桥失稳问题还偶有所闻。
2、钢结构的脆性断裂
钢结构脆性断裂是其极限状态中最危险的破坏形式之一。它发生往往很突然，没有明显的塑性变形，而破坏时构件的名义应力很低，有时只有其屈服强度的0.2倍。影响钢结构脆性断裂的原因主要有：
(1)构件制作加工缺陷
构件的高应力集中会使构件在局部产生复杂应力状态，它们也将影响构件局部的塑性和韧性，限制其塑性变形，从而提高构件脆性断裂的可能。
(2)钢材抗脆性断裂性能差
钢材的塑性、韧性和对裂纹的敏感性都影响其抗脆性断裂性能，其中冲击韧性起决定作用。低合金钢材的抗脆性断裂性能比普通碳素钢优越；普通碳素钢中镇静钢、半镇静钢和沸腾钢的抗脆性断裂性能依次降低。
(3)低温和动载
随着温度降低，钢材的屈服强度fy和抗拉强度fu会有所升高，而钢材的塑性指标截面收缩率山却有所降低，即钢材会变脆。动载对钢结构的破坏，往往是很突然的，无明显塑性变形，呈现脆性破坏特征。
案例：我国哈尔滨的滨洲线松花江桥是铆接结构，77 m跨的有8孔，33．5 m跨的有11孔．1901年由俄国建造，1914年发现裂纹．中苏双方试验结果表明，该桥使用的钢材(从比利时买进的马丁炉钢)，脱氧不够，氧化铁及硫增加了钢材的脆性，特别是金相颗粒不均匀，所以不适合低温加工，其玲脆临界温度为o℃，而使用时最低气温为一40℃，这是造成裂缝的主要原因当时得出结论有四点：(1)该桥的实际负荷不大；(2)大部分裂纹不在受力处；(3)钢材的金相分析表明材质不均匀；(4)各部分构件受力情况较好，所以钢桥可以继续使用．
3、钢结构承载力和刚度失效
(1)钢结构刚度失效
钢结构刚度失效指产生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结构支撑体系不够
支撑体系是保证结构整体和局部刚度的重要组成部分。它不仅对抵制水平荷载和抗地震作用、抗振动有利，而且直接影响结构正常使用。
②结构或构件的刚度不满足设计要求：
如轴压构件不满足长细比要求：受弯构件不满足充许挠度要求：压弯构件不满足上述两方面要求等。
(2)钢结构承载力失效
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：
①连接件强度不满足要求
焊接连接件的强度取决于焊接材料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；焊栓连接强度的影响原因为：螺栓及其附件材料的质量以及热得理效果、螺栓连接的施工技术工艺的控制，特别是高强螺栓预应力和摩擦面的处理、螺栓孔引起被连接构件截面的削弱和应力集中等。
②使用荷载和条件的改变
包括计算荷载的超越、部分构件退出工作引起其他构件增载、意外冲击荷载、温度变化引起的附加应力、基础不均匀沉降引起的附加应力等。
③钢材的强度强度指标不合格
在钢结构设计中有两个强度指标：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，钢材抗剪强度fv也是重要指标。
4、钢结构疲劳破坏
钢结构疲劳分析时，习惯上当循环次数N<105时称为低周疲劳：N>105时称为高周疲劳。如果钢结构构件的实际循环应力特征和实际循环次数超过设计时所采取的参数，就可能发生疲劳破坏。此外影响钢结构疲劳破坏的原因还有：结构构件中有较大应力集中区域；所用钢材的抗疲劳性能差；钢结构构件加工制作时有缺陷其中裂纹缺陷对钢材疲劳强度的影响比较大；钢材的冷热加工、焊接工艺所产生的残余应力和残余变形对钢材疲劳强度也会产生较大影响。
案例：1967年12月，美国西弗吉尼亚一座建造于1928年大桥突然断裂塌落，检查发现其关键部位——腹杆孔眼受力劣化并有应力腐蚀造成的疲劳断裂。
5、钢结构腐蚀破坏
普通钢材的抗腐蚀能力比较差，这一直是工程上关注的重要问题。腐蚀使钢结构杆件净截面面积减损，降低结构承载力和可靠度，腐蚀形成的“锈坑”使钢结构脆性破坏的可能性增大，尤其是抗冷脆性能下降。一般来说钢结构下列部位容易发生锈蚀：经常干湿交替又未包混凝土的构件：埋入地下的地面附近部位，如柱脚等；可能存积水或遭受水蒸汽侵蚀部位：组合截面净空小于12mm，难于涂刷油漆的部位；屋盖结构、柱与屋架节点、吊车梁与柱节点部位；易积灰又湿度大的构件部位等。由于钢结构以钢板和型钢为主要材料，必须使用物理化学性能合格的钢材，并对钢板型钢间的连接加以严格的控制。
预防钢结构事故发生的措施
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。
1、钢结构制作时质量控制主要有：
(1)应保证钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、截面收缩率和硫、磷等有害元素的极限含量，对焊接结构还应保证碳的极限含量，必要时，尚应保证冷弯试验合格。
(2)要严格控制钢材切割质量，切割前应清除切割区内铁锈、油污，切割后断口处不得有裂纹和大于1.0mm的缺棱，并应清除边缘熔瘤、飞溅物和毛刺等。
(3)要观察检查构件外观，以构件正面无明显凹面和损伤为合格。
(4)各种结构构件组装时顶紧面贴紧不少于75％，且边缘最大间隙不超过0.8mm。
(5)构件制作允许偏差均应符合《建筑安装工程质量检验评定标准》。
2、钢结构焊接时质量控制主要有：
(1)焊条、焊剂和施焊用的保护气体等必须符合设计要求和钢结构焊接的专门规定。
(2)焊工必须经考试合格，取得相应施焊条件的合格证书。
(3)承受拉力或压力且要求与母材等强度的焊缝必须经超声波、X射线探伤检验符合国家有关规定。
(4)焊缝表面严禁有裂纹、夹渣、焊瘤、弧坑、针状气孔和熔合性飞溅物等缺陷。气孔、咬边必须符合施工规范规定。
(5)焊缝的外观应进行质量检查，要求焊波较均匀，明显处的焊渣和飞溅物应清除干净。焊缝尺寸的允许偏差和检验方法均应符合规范要求。
3、钢结构高强螺栓连接时质量控制主要有：
(1)高强螺栓的型式、规格和技术条件必须符合设计要求和有关标准规定。高强螺栓必须经试验确定扭矩系数或复验螺栓预拉力。当结果符合钢结构用高强螺栓的专门规定时，方
准使用。
(2)构件的高强螺栓连接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)高强螺栓必须分两次拧紧、初拧、终拧质量必须符合施工规范和钢结构用高强螺栓的专门规定。
(4)高强螺栓接头外观要求：正面螺栓穿入方向一致，外露长度不少于2扣。
4、钢结构安装时质量控制主要有：
(1)构件必须符合设计要求和施工规范规定，由于运输、堆放和吊装造成的构件变形必须矫正。
(2)垫铁规格、位量更正确，与柱底面和基础接触紧贴平稳，点焊牢固。座浆垫铁的砂浆强度必须符合规定。
(3)构件中心，标高基准点等必须符合规定。
(4)结构外观表面干净，结构大面无焊疤、油污和泥砂。
(5)磨光顶紧的构件安装面要求顶紧面紧贴不少于70％，边缘最大间隙不超过0.8mm。
(6)安装的允许偏差和检难方法均应按国家的有关规范执行。
5、钢结构防腐处理质量控制应做到：
(1)油漆、稀释剂和固化剂种类和质量必须符合设计要求。
(2)涂漆基层钢材表面严禁有锈皮、并无焊渣、焊疤、灰尘、油污和水等杂质。用铲刀检查经酸洗和喷丸(砂)工艺处理的钢材表面必须露出金属色泽。
(3)观察检查有无误涂、漏涂、脱皮和反锈。
(4)涂刷均匀，色泽一致，无皱皮和流坠，分色线清楚整齐。
(5)干漆膜厚度要求125m(室内钢结构)或150m(室外钢结构)。
参考文献：
[1] 傅伟永.钢结构事故的原因及防止.建筑.2006(8).
[2] 叶梅新，黄琼.钢结构事故研究.长沙铁道学院学报.2002,20(4).
[3] 周东星，刘全利.钢结构事故类型原因分析及预防措施.中国建筑金属结构.2007(3).
