1、 钢结构分析与事故处理25.1 钢结构的缺陷钢结构的缺陷5.1.1 缺陷的概念缺陷的概念 由于人为（勘察、设计、施工、使用）或自然（地由于人为（勘察、设计、施工、使用）或自然（地质、气候）原因，致使建筑物出现影响正常使用以及承质、气候）原因，致使建筑物出现影响正常使用以及承载力、耐久性、整体稳定性等不足的问题。载力、耐久性、整体稳定性等不足的问题。缺陷缺陷表现为具有影响正常使用以及承载力、耐久表现为具有影响正常使用以及承载力、耐久性、完整性的种种隐藏的和显露的不足。但缺陷往往是性、完整性的种种隐藏的和显露的不足。但缺陷往往是产生事故的直接或间接原因，而事故往往是缺陷的质变产生事故的直接或间接原
2、因，而事故往往是缺陷的质变和经久不加处理的发展。和经久不加处理的发展。缺陷的分类：按照严重程度分为：按照严重程度分为：o轻微缺陷：轻微缺陷：不影响建筑结构的承载力、刚度及其完不影响建筑结构的承载力、刚度及其完整性，也不影响建筑结构的近期使用；整性，也不影响建筑结构的近期使用；o使用缺陷使用缺陷:非破坏性缺陷。它不影响建筑结构的承非破坏性缺陷。它不影响建筑结构的承载力，但却影响其使用功能，或使结构的使用性能载力，但却影响其使用功能，或使结构的使用性能下降，有时还会使人产生不舒适感和不安全感。例下降，有时还会使人产生不舒适感和不安全感。例如，钢粱较大的挠度等如，钢粱较大的挠度等 o危及承载力缺陷危
3、及承载力缺陷:由于材料强度不足、构件截面尺由于材料强度不足、构件截面尺寸不够、构件残缺有伤、安装连接构造质量低劣等寸不够、构件残缺有伤、安装连接构造质量低劣等原因直接威胁到构件甚至整个结构的承载力和稳定原因直接威胁到构件甚至整个结构的承载力和稳定性。性。45.1.2 5.1.2 钢结构缺陷的类型及原因钢结构缺陷的类型及原因 1钢材的先天性缺陷钢材的先天性缺陷（1）化学成分缺陷）化学成分缺陷。有害杂质对钢材性能的影响极大，。有害杂质对钢材性能的影响极大，应加以严格控制。应加以严格控制。（2）冶炼及轧制缺陷。）冶炼及轧制缺陷。在冶炼和轧制时，因工艺参数控在冶炼和轧制时，因工艺参数控制不严等产生表面
4、缺陷和内部缺陷。如偏析、夹杂、裂制不严等产生表面缺陷和内部缺陷。如偏析、夹杂、裂纹、分层、过烧、气泡、内部破裂及机械性能不合格等。纹、分层、过烧、气泡、内部破裂及机械性能不合格等。2.钢构件的加工制作缺陷钢构件的加工制作缺陷 钢结构构件的加工方法钢结构构件的加工方法：剪、冲、切、折、割、剪、冲、切、折、割、钻、铆、焊、喷、压、滚、弯、刨、铣、磨、锯、钻、铆、焊、喷、压、滚、弯、刨、铣、磨、锯、涂、抛、热处理等。涂、抛、热处理等。1 1）选材不合格；）选材不合格；2 2）原材料矫正引起冷作硬化；）原材料矫正引起冷作硬化；3 3）放样、号料尺寸超公差；）放样、号料尺寸超公差；4 4）切割边未加工或
5、达不到要求；）切割边未加工或达不到要求；5 5）孔径误差；）孔径误差；6 6）冲孔未作加工，存在硬化区和微裂纹；）冲孔未作加工，存在硬化区和微裂纹；7 7）构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹；）构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹；8 8）构件热加工引起的残余应力；）构件热加工引起的残余应力；9 9）表面清洗防锈不合格；）表面清洗防锈不合格；1010）钢构件外型尺寸超公差。）钢构件外型尺寸超公差。3.钢结构的连接缺陷钢结构的连接缺陷（1）螺栓连接缺陷）螺栓连接缺陷：1 1）螺栓孔引起构件截面削弱；）螺栓孔引起构件截面削弱；2 2）普通螺栓连接在长期动载作用下的螺栓松动；）普通螺栓连接在长期动载作用下的螺
6、栓松动；3 3）高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形；）高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形；4 4）螺栓及附件钢材质量不合格；）螺栓及附件钢材质量不合格；5 5）孔径及孔位偏差；）孔径及孔位偏差；6 6）摩擦面处理达不到设计要求。）摩擦面处理达不到设计要求。3.钢结构的连接缺陷钢结构的连接缺陷（2）焊接连接缺陷）焊接连接缺陷：1 1）焊接材料不合格。一是焊接材料本身质量问题；二是焊）焊接材料不合格。一是焊接材料本身质量问题；二是焊接材料与母材不匹配；三是不注意焊接材料的烘焙工作。接材料与母材不匹配；三是不注意焊接材料的烘焙工作。2 2）焊接引起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低，使钢材）焊接引
7、起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低，使钢材硬化、变脆和开裂。硬化、变脆和开裂。3 3）因焊接产生较大的焊接残余变形。）因焊接产生较大的焊接残余变形。4 4）因焊接产生严重的残余应力或应力集中。）因焊接产生严重的残余应力或应力集中。5 5）焊缝存在的各种缺陷。如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未）焊缝存在的各种缺陷。如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等。焊透、咬肉、夹渣和气孔等。4.钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷 1 1）运输过程中引起结构或构件较大的变形和损伤；）运输过程中引起结构或构件较大的变形和损伤；2 2）吊装过程中引起结构或构件较大的变形和
8、局部失稳；）吊装过程中引起结构或构件较大的变形和局部失稳；3 3）安装过程中没有足够的临时支撑或锚固，导致结构或构）安装过程中没有足够的临时支撑或锚固，导致结构或构件产生较大变形，丧失稳定性，甚至倾覆；件产生较大变形，丧失稳定性，甚至倾覆；4 4）现场焊接及螺栓连接质量达不到设计要求：）现场焊接及螺栓连接质量达不到设计要求：5 5）使用期间由于地基不均匀沉陷、温度应力以及人为因素）使用期间由于地基不均匀沉陷、温度应力以及人为因素造成的结构损坏；造成的结构损坏；6 6）不能定期维护，致使结构腐蚀严重，影响到结构的耐久）不能定期维护，致使结构腐蚀严重，影响到结构的耐久性。性。95.1.3 5.1.
9、3 钢结构缺陷的检测方法钢结构缺陷的检测方法 1钢材化学成分缺陷的检测钢材化学成分缺陷的检测 化学成分的化验问题。采用的检测方法和手段化学成分的化验问题。采用的检测方法和手段有很多，例如，质谱仪、色谱仪、光谱仪、核磁共有很多，例如，质谱仪、色谱仪、光谱仪、核磁共振等。试验方法，通常从构件中钻取试样检测。振等。试验方法，通常从构件中钻取试样检测。2钢材冶金及轧制缺陷的检测钢材冶金及轧制缺陷的检测 通常用宏观检查、机械法以及超声波探伤相结通常用宏观检查、机械法以及超声波探伤相结合进行检测。例如气泡的检测，首先是宏观检查确合进行检测。例如气泡的检测，首先是宏观检查确定部位，然后用手锤敲打凸包处，如听
10、有声响便是定部位，然后用手锤敲打凸包处，如听有声响便是气泡。气泡。3.构件加工制作缺陷的检测构件加工制作缺陷的检测检测的项目：检测的项目：1 1）构件的外观检查；）构件的外观检查；2 2）构件制作允许偏差检查；）构件制作允许偏差检查；3 3）构件制孔的允许偏差检查；）构件制孔的允许偏差检查；4 4）构件螺栓孔距的允许偏差检查；）构件螺栓孔距的允许偏差检查；5 5）构件端部铣平的允许偏差检查；）构件端部铣平的允许偏差检查；6 6）磨光顶紧的构件组装面检查；）磨光顶紧的构件组装面检查；7 7）构件的裂缝检查。）构件的裂缝检查。检测方法检测方法：敲击、放大镜观察、滴油法等。：敲击、放大镜观察、滴油法
11、等。4.钢结构连接缺陷的检测钢结构连接缺陷的检测（1 1）螺栓连接缺陷检测）螺栓连接缺陷检测 1 1）摩擦面的检测；）摩擦面的检测；2 2）拧紧力的检查；）拧紧力的检查；（2 2）焊缝连接缺陷的检测）焊缝连接缺陷的检测 1 1）外观检查、钻孔检查；）外观检查、钻孔检查；2 2）射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤。）射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤。各种检测方法存在各自的优缺点和适用范围，在实各种检测方法存在各自的优缺点和适用范围，在实际应用中，应结合钢结构对焊缝的质量要求综合选用。际应用中，应结合钢结构对焊缝的质量要求综合选用。5.钢结构运输、安装和使用维护中的检测钢结构运输、安装和使用维护中的检测
12、 主要表现为钢结构或构件的过大变形、失稳以及耐主要表现为钢结构或构件的过大变形、失稳以及耐久性问题，检测方法主要依靠人工和测量仪器等。久性问题，检测方法主要依靠人工和测量仪器等。项目项目检查高强螺栓检查1.摩擦面确认检查2.出厂前组装的高强螺栓施工记录复核检查涂层检查1.构件被涂表面的处理情况检查2.误涂、漏涂、无脱皮和除锈检查3.涂层外观检查4.干漆膜允许偏差检查安装检查1.检查构件出厂合格证明及附件2.构件外观检查3.钢结构安装允许偏差检查4.安装焊缝质量检查5.高强螺栓初拧、终拧质量检查6.高强螺栓接头外观检查7.终拧扭矩检查8.扭剪型高强螺栓终拧检查9.补刷漆膜完整性检查10.干漆膜允
13、许偏差检查145.1.4 5.1.4 钢结构缺陷的预防和处理钢结构缺陷的预防和处理钢结构的加工制作、安装及使用缺陷的处理与预防从以下钢结构的加工制作、安装及使用缺陷的处理与预防从以下方面入手：方面入手：1）设计人员应重视钢结构的节点构造设计。合理的节点）设计人员应重视钢结构的节点构造设计。合理的节点构造将会大大降低应力集中、残余应力、残余变形等缺构造将会大大降低应力集中、残余应力、残余变形等缺陷的影响程度。陷的影响程度。2）制造厂应重视加工制作过程中各个环节工艺的合理性）制造厂应重视加工制作过程中各个环节工艺的合理性和设备的先进性，尽量减少手工作业，力求全自动化，和设备的先进性，尽量减少手工作
14、业，力求全自动化，并加强质量的监控和检验工作。并加强质量的监控和检验工作。3）施工单位应重视安装工序的合理性、人员的高素质以）施工单位应重视安装工序的合理性、人员的高素质以及现场质量检验工作，尤其不可忽视临时支撑和安全措及现场质量检验工作，尤其不可忽视临时支撑和安全措施。施。4）使用单位应重视定期维护工作，保证必要的耐久性。）使用单位应重视定期维护工作，保证必要的耐久性。155.2 钢结构事故种类和表现钢结构事故种类和表现5.2.1 钢结构的材料事故钢结构的材料事故 钢材和连接材料性能的好坏直接影响到钢结构的可靠性。钢材和连接材料性能的好坏直接影响到钢结构的可靠性。1材料事故的类型及产生的原因
15、材料事故的类型及产生的原因 钢结构材料事故的产生原因如下：钢结构材料事故的产生原因如下：1）钢材质量不合格；）钢材质量不合格；2）铆钉质量不合格：）铆钉质量不合格：3）螺栓质量不合格；）螺栓质量不合格；4）焊接材料质量不合格；）焊接材料质量不合格；5）设计时选材不合理；）设计时选材不合理；6）制作时工艺参数不合理，钢材与焊接材料不匹配；）制作时工艺参数不合理，钢材与焊接材料不匹配；7）安装时管理混乱，导致材料混用或随意替代。）安装时管理混乱，导致材料混用或随意替代。2材料事故的处理方法材料事故的处理方法 常见的是构件裂缝，且裂缝纯属材料本身不合格所常见的是构件裂缝，且裂缝纯属材料本身不合格所引
16、起。引起。（1）认真复检钢材及连接材料的各项指标，确认事故）认真复检钢材及连接材料的各项指标，确认事故原因；原因；（2）影响构件安全的裂缝，采用加固或更换构件的处）影响构件安全的裂缝，采用加固或更换构件的处理方法；理方法；（3）次要构件的裂纹，可采用焊补法处理；）次要构件的裂纹，可采用焊补法处理；（4）构件钢板夹层缺陷的处理）构件钢板夹层缺陷的处理：桁架节点板夹层处理桁架节点板夹层处理：承受静载或间接动载的桁架：承受静载或间接动载的桁架节点板，当夹层深度小于节点板厚度的节点板，当夹层深度小于节点板厚度的1/3时，将夹层时，将夹层表面铲成表面铲成V形坡口，作焊合处理；当夹层深度等于或大形坡口，作
17、焊合处理；当夹层深度等于或大于节点板于节点板1/3高度时，应将节点板作拆换处理。高度时，应将节点板作拆换处理。2材料事故的处理方法材料事故的处理方法实腹梁、柱翼缘板夹层处理：实腹梁、柱翼缘板夹层处理：当承受静载的实腹梁和实腹当承受静载的实腹梁和实腹柱翼缘有夹层存在时，可按下述方法处理：柱翼缘有夹层存在时，可按下述方法处理：在一半长度内，夹层总长度（连续或间断）不超过在一半长度内，夹层总长度（连续或间断）不超过200mm，夹层深度不超过翼缘板断面厚度，夹层深度不超过翼缘板断面厚度1/5且不且不大于大于100mm时，可不作处理继续使用。时，可不作处理继续使用。当夹层总长度超过当夹层总长度超过200
18、mm，而夹层深度不超过翼缘断，而夹层深度不超过翼缘断面厚度面厚度1/5，可将夹层表面铲成，可将夹层表面铲成V形坡口予以焊合。形坡口予以焊合。当夹层深度未超过翼缘断面高度当夹层深度未超过翼缘断面高度1/2时，可在夹层处钻时，可在夹层处钻孔，用高强螺拴拧合，此时应验算钻孔所削弱的截面；孔，用高强螺拴拧合，此时应验算钻孔所削弱的截面；当夹层深度超过翼缘断面高度当夹层深度超过翼缘断面高度l2时，应将夹层的一边时，应将夹层的一边翼缘板全部切除，另换新板。翼缘板全部切除，另换新板。2材料事故的处理方法材料事故的处理方法（5）焊缝裂纹处理）焊缝裂纹处理 对于焊缝裂纹，原则上要刨掉重焊（用碳孤气刨对于焊缝裂纹
19、，原则上要刨掉重焊（用碳孤气刨或风铲），对承受静载的实腹梁翼缘和腹板处的焊缝裂或风铲），对承受静载的实腹梁翼缘和腹板处的焊缝裂纹，可采用在裂纹两端钻上止裂孔，并在两板之间加焊纹，可采用在裂纹两端钻上止裂孔，并在两板之间加焊短斜板方法处理，斜板厚度应大于裂纹长度。短斜板方法处理，斜板厚度应大于裂纹长度。3事故实例分析事故实例分析 （1）工程及事故概况）工程及事故概况 车间为车间为5跨单层厂房，全长跨单层厂房，全长759m,宽宽159m，屋，屋盖共有钢屋架盖共有钢屋架118榀，榀，40榀屋架下弦角钢为榀屋架下弦角钢为2L16014，其肢端普遍存在不同程度的裂缝。裂缝，其肢端普遍存在不同程度的裂缝。
20、裂缝深深25mm，个别达，个别达20mm，裂缝宽，裂缝宽0.10.7mm，长，长0.510m不等。不等。（2）原因分析）原因分析 经取样检验，该批角钢材质符合经取样检验，该批角钢材质符合A3F标准，裂缝标准，裂缝是在钢材生产过程中形成；由于现场缺乏严格的质量检是在钢材生产过程中形成；由于现场缺乏严格的质量检验制度，管理混乱，而将这批钢材用到工程上。验制度，管理混乱，而将这批钢材用到工程上。（3）处理措施）处理措施 o加固原则。加固原则。加固钢材截面一律按已知裂缝最大深度加固钢材截面一律按已知裂缝最大深度20mm加倍考虑，并与屋架下弦中心基本重合，不产加倍考虑，并与屋架下弦中心基本重合，不产生偏
21、心受拉，其断面按双肢和对称考虑，钢材焊接时，生偏心受拉，其断面按双肢和对称考虑，钢材焊接时，要求不损害原下弦拉杆并要防止结构变形。要求不损害原下弦拉杆并要防止结构变形。o加固方法。加固方法。在下弦两侧沿长度方向各加焊一根规格为在下弦两侧沿长度方向各加焊一根规格为L90566的不等边角钢。的不等边角钢。215.2.2 钢结构的变形事故钢结构的变形事故 1.钢结构变形类型及产生的原因钢结构变形类型及产生的原因 变形可分为总体变形和局部变形。变形可分为总体变形和局部变形。总体变形总体变形指整个结构的外形和尺寸发生变化，出现指整个结构的外形和尺寸发生变化，出现弯曲、畸变和扭曲等；弯曲、畸变和扭曲等；局
22、部变形局部变形指结构构件在局部区域内出现变形。如构件指结构构件在局部区域内出现变形。如构件凹凸变形、端面的角变位、板边褶皱波浪形变形等。凹凸变形、端面的角变位、板边褶皱波浪形变形等。总体变形与局部变形在结构中可能单独出现，更多的是总体变形与局部变形在结构中可能单独出现，更多的是组合出现。变形都会影响到结构的美观，降低构件的刚度组合出现。变形都会影响到结构的美观，降低构件的刚度和稳定性，给连接和组装带来困难，尤其是附加应力的产和稳定性，给连接和组装带来困难，尤其是附加应力的产生，将严重降低构件的承载力，影响到整体结构的安全。生，将严重降低构件的承载力，影响到整体结构的安全。总体变形总体变形畸变
23、扭曲 弯曲 局部变形局部变形褶皱波浪变形 角变位 凹凸变形 变形原因：变形原因：（1）钢材的初始变形）钢材的初始变形 轧制及人为因素等原因，常存在初始变形，尤其是轧制及人为因素等原因，常存在初始变形，尤其是冷弯薄壁型钢，因此在钢结构构件制作前必须认真检查冷弯薄壁型钢，因此在钢结构构件制作前必须认真检查材料，矫正变形，不允许超出钢材规定的变形范围。材料，矫正变形，不允许超出钢材规定的变形范围。（2）加工制作中的变形）加工制作中的变形 冷加工产生的变形；冷加工产生的变形；制作、组装带来的变形；制作、组装带来的变形；焊接变形焊接变形（3）运输及安装过程中产生的变形）运输及安装过程中产生的变形 运输不
24、小心、安装工序不合理、吊点位置不当、临运输不小心、安装工序不合理、吊点位置不当、临时支撑不足、堆放场地不平等均会使结构构件产生变形。时支撑不足、堆放场地不平等均会使结构构件产生变形。（4）使用过程中产生的变形）使用过程中产生的变形25 2.钢结构变形事故的处理方法钢结构变形事故的处理方法（1）冷加工法矫正变形）冷加工法矫正变形 冷加工法是用人力或机械力矫正变形，适用于冷加工法是用人力或机械力矫正变形，适用于尺寸较小或变形较小的构件（杆件和板件无裂纹、尺寸较小或变形较小的构件（杆件和板件无裂纹、缺口等损伤缺口等损伤）。）。1）手工矫正。采用大锤和平台为工具，用锤）手工矫正。采用大锤和平台为工具，
25、用锤击使金属延伸，达到矫正变形的目的；适合于尺寸击使金属延伸，达到矫正变形的目的；适合于尺寸较小的零件的局部变形矫正，也可作为机械矫正和较小的零件的局部变形矫正，也可作为机械矫正和热矫正的辅助矫正方法。热矫正的辅助矫正方法。2）机械矫正。采用简单弓架、千斤顶和各种）机械矫正。采用简单弓架、千斤顶和各种机械来矫正变形。机械来矫正变形。手工矫正手工矫正机械矫正机械矫正机械矫正机械矫正29 2.钢结构变形事故的处理方法钢结构变形事故的处理方法（2）热加工法矫正变形）热加工法矫正变形 采用乙炔气和氧气混合燃烧火焰为热源，对变形采用乙炔气和氧气混合燃烧火焰为热源，对变形结构构件加热，使其产生新的变形，来
26、抵消原有的变形。结构构件加热，使其产生新的变形，来抵消原有的变形。正确使用火焰和温度是其关键。加热方式有点状加热、正确使用火焰和温度是其关键。加热方式有点状加热、线状加热（直线、曲线、环线、平行线和网线）和三角线状加热（直线、曲线、环线、平行线和网线）和三角形加热。形加热。加热方式加热方式加热矫正步骤方法加热矫正步骤方法：了解变形情况，分析变形原因，测量变形大小，做到心了解变形情况，分析变形原因，测量变形大小，做到心中有数；中有数；确定矫正顺序，原则上是先整体变形矫正，后局部变形确定矫正顺序，原则上是先整体变形矫正，后局部变形矫正。角变形先矫正，凹凸变形后矫正；矫正。角变形先矫正，凹凸变形后矫
27、正；确定加热部位和方法，由多人同时加热效果较佳，有些确定加热部位和方法，由多人同时加热效果较佳，有些变形单靠热矫正有困难，可以借助辅助工具外力来对适变形单靠热矫正有困难，可以借助辅助工具外力来对适当部位进行拉、压、撑、顶、打等，加热位置应尽量避当部位进行拉、压、撑、顶、打等，加热位置应尽量避开关键部位，避免同一位置反复多次加热；开关键部位，避免同一位置反复多次加热；选定合适的火焰和加热温度。选定合适的火焰和加热温度。矫正后要对构件进行修整和检查。矫正后要对构件进行修整和检查。加热矫正方法加热矫正方法 3.事故实例分析事故实例分析 实例实例1某桥主梁为某桥主梁为24m跨工字形焊接钢板梁，跨工字形
28、焊接钢板梁，上翼缘因焊前预弯量不够，焊后产生角变形；下翼缘因上翼缘因焊前预弯量不够，焊后产生角变形；下翼缘因拼装不正确，加上焊接引起下翼缘与腹板不垂直。拼装不正确，加上焊接引起下翼缘与腹板不垂直。实例实例2某钢板焊接主梁，为工字形截面，在某钢板焊接主梁，为工字形截面，在焊接横向加劲肋和节点板（水平）之后腹板产生凹焊接横向加劲肋和节点板（水平）之后腹板产生凹凸变形，凹凸范围为凸变形，凹凸范围为300600，深度，深度36mm。355.2.3 钢结构的脆性断裂事故钢结构的脆性断裂事故 钢结构脆性断裂的特征：钢结构脆性断裂的特征：1）破坏时的应力常小于钢材的屈服强度；）破坏时的应力常小于钢材的屈服强
29、度；2）破坏前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发）破坏前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生，无事故先兆；生，无事故先兆；3）断口平齐光亮。）断口平齐光亮。1.脆性断裂产生的原因脆性断裂产生的原因 1）材质缺陷）材质缺陷 碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时，会碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时，会降低其塑性和韧性；钢材的冶金缺陷，如偏析、非金属降低其塑性和韧性；钢材的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、裂纹及分层等也将降低抵抗脆性断裂的能力。夹杂、裂纹及分层等也将降低抵抗脆性断裂的能力。36 1.脆性断裂产生的原因脆性断裂产生的原因 2）应力集中）应力集中 应力集中越严重，钢材的
30、塑性降低愈多，同时脆性应力集中越严重，钢材的塑性降低愈多，同时脆性断裂的危险性也愈大。应力集中主要与构造细节有关：断裂的危险性也愈大。应力集中主要与构造细节有关：在构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、在构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变等缺陷在所难免。裂纹以及截面突变等缺陷在所难免。焊接结构的各种缺陷将成为断裂源。焊接结构的各种缺陷将成为断裂源。3）使用环境）使用环境 当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时，钢结构脆性破坏的可能性增大。温度下工作时，钢结构脆性破坏的可能性增大。37 1.脆性断裂产生
31、的原因脆性断裂产生的原因 4）钢板厚度）钢板厚度 钢板越厚，脆性破坏倾向愈大。钢板越厚，脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂层状撕裂”问题应引起高度重视。问题应引起高度重视。综上所述，材质缺陷、应力集中、使用环境以综上所述，材质缺陷、应力集中、使用环境以及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素。及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素。在动载作在动载作用下，严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、用下，严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。原因。38 2.脆性断裂的防治措施脆性断裂的防治措施 1）合理选择钢材）合理选择钢材
32、 根据结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作根据结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作环境选择钢种；尤其是在低温下承受动载的重要的焊接环境选择钢种；尤其是在低温下承受动载的重要的焊接结构，应选择韧性高的材料。结构，应选择韧性高的材料。2）合理设计）合理设计 选择合理的结构型式；避免或减少应力集中选择合理的结构型式；避免或减少应力集中；提高提高接头或节点的承载力设计值；满足强度和稳定的前提下接头或节点的承载力设计值；满足强度和稳定的前提下尽量采用薄钢板；避免焊缝集中布置或重叠交叉。尽量采用薄钢板；避免焊缝集中布置或重叠交叉。39 2.脆性断裂的防治措施脆性断裂的防治措施 3）合理制作和安装）
33、合理制作和安装 采取合理的制作安装工艺以减少各种缺陷及焊接采取合理的制作安装工艺以减少各种缺陷及焊接残余应力、装配应力。残余应力、装配应力。4）合理使用及时维修）合理使用及时维修 按照设计规定的用途、荷载及环境使用，不得随意按照设计规定的用途、荷载及环境使用，不得随意变更。建立必要的维修措施，监视缺陷或损坏情况，以变更。建立必要的维修措施，监视缺陷或损坏情况，以防患于未然。防患于未然。事故实例事故实例405.2.4 钢结构的疲劳破坏事故钢结构的疲劳破坏事故 1.脆疲劳破坏的概念及其影响因素脆疲劳破坏的概念及其影响因素 疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下在疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变
34、荷载作用下在拉力远低于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生的一拉力远低于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生的一种破坏。种破坏。疲劳破坏的特点：疲劳破坏的特点：1）结构在反复交变动载作用下的破坏，而塑性破坏和脆）结构在反复交变动载作用下的破坏，而塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静载作用下的破坏。性破坏是钢结构在静载作用下的破坏。2）疲劳破坏经历了裂缝起始、扩展和断裂的漫长过程，）疲劳破坏经历了裂缝起始、扩展和断裂的漫长过程，而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下突然发生。而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下突然发生。3）疲劳破坏断口一般分为疲劳区和瞬断区。）疲劳破坏断口一般分为疲劳区和瞬断区。疲劳区疲劳区记
35、载记载了裂缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较清楚的了裂缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较清楚的疲劳纹理，呈沙滩状或波纹状。疲劳纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断区瞬断区反映了当构件截反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点，瞬面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点，瞬断区晶粒粗亮。断区晶粒粗亮。2.影响疲劳破坏的因素影响疲劳破坏的因素（1）应力幅）应力幅 （2）构造细节）构造细节 钢材的内部缺陷，如偏折、夹渣；钢材的内部缺陷，如偏折、夹渣；制作过程中剪切、制作过程中剪切、冲孔、切割；冲孔、切割；焊接结构中产生的残余应力；焊接结构中产生的残余应力；焊接缺陷，如：气孔、夹
36、渣、咬肉、未焊透等；焊接缺陷，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等；非焊接结构的孔洞、刻槽等；非焊接结构的孔洞、刻槽等；构件的截面突变；构件的截面突变；结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中。力集中。（3）循环次数）循环次数 n=5106次视为各类构件和连接疲劳极限对应的应力循次视为各类构件和连接疲劳极限对应的应力循环次数。环次数。3.提高和改善疲劳性能的措施提高和改善疲劳性能的措施1）精心选材。用于动载作用的钢结构或构件，严格控制）精心选材。用于动载作用的钢结构或构件，严格控制钢材的缺陷，选择优质钢材；钢材的缺陷，选择优质钢材；2）精
37、心设计。力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢）精心设计。力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造合理化；结构构造合理化；3）精心制作。使缺陷、残余应力等减小到最低程度；）精心制作。使缺陷、残余应力等减小到最低程度；4）精心施工。避免附加应力集中的影响；）精心施工。避免附加应力集中的影响；5）正确使用。避免对结构的局部损害，如划痕、开孔、）正确使用。避免对结构的局部损害，如划痕、开孔、撞击等；撞击等；6）修补焊缝。）修补焊缝。修补焊缝的方法：修补焊缝的方法：对接焊缝，磨去焊缝表面余高部分。如果焊缝内部无显对接焊缝，磨去焊缝表面余高部分。如果焊缝内部无显著缺陷，疲劳强度可以提高到和母材相同。著
38、缺陷，疲劳强度可以提高到和母材相同。角焊缝，应打磨焊趾。不仅磨去切口，还要将板磨去角焊缝，应打磨焊趾。不仅磨去切口，还要将板磨去0.5mm，以除去侵入的焊渣。打磨后的表面不应有明，以除去侵入的焊渣。打磨后的表面不应有明显刻痕。显刻痕。对于角焊缝的趾部，用气体保护钨弧重新熔化，可以起对于角焊缝的趾部，用气体保护钨弧重新熔化，可以起到消除切口的作用。到消除切口的作用。在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入残余压应力。残余压应力和锤击造成的冷工硬化均引入残余压应力。残余压应力和锤击造成的冷工硬化均会使疲劳强度提高，同时尖锐切口也被缓减。会
39、使疲劳强度提高，同时尖锐切口也被缓减。4.事故实例事故实例 某厂均热炉车间某厂均热炉车间15m变截面铆接吊车梁。变截面铆接吊车梁。1987年年9月月29日，该梁的右端变截面处的下翼缘和腹板发生突发性撕日，该梁的右端变截面处的下翼缘和腹板发生突发性撕裂，断口处于变截面转折处。裂，断口处于变截面转折处。吊车梁的使用（即吊车运行）情况调查结果：车间厂房跨吊车梁的使用（即吊车运行）情况调查结果：车间厂房跨度度36m，车间内设置了，车间内设置了50t钳式吊车钳式吊车3台，太原产台，太原产2050t钳式吊车钳式吊车1台。自台。自1960年年7月投产至吊车梁发月投产至吊车梁发生破坏，已使用生破坏，已使用27
40、年。该车间钳式吊车停止运行时间年。该车间钳式吊车停止运行时间是：每次小修（每周一次）停是：每次小修（每周一次）停48h，每次中修（年度，每次中修（年度检修）停检修）停1018d，每次大修（每次一周期）停，每次大修（每次一周期）停30d。平均每年工作平均每年工作326d，每天实际工作，每天实际工作17h，每小时运行，每小时运行15次，荷载循环次数为次，荷载循环次数为2.245106次。吊车无超负次。吊车无超负荷使用史，吊车梁发生破坏时的起重量为荷使用史，吊车梁发生破坏时的起重量为13.5t。调查数据表明：该变截面吊车梁已调查数据表明：该变截面吊车梁已超过疲劳寿命超过疲劳寿命。但就一般情况而言，荷
41、载循环次数达到了疲劳周期不一但就一般情况而言，荷载循环次数达到了疲劳周期不一定就产生损伤，况且因该梁正处在运行的极端位置，吊定就产生损伤，况且因该梁正处在运行的极端位置，吊车运行只能到达梁的中部，可梁的破坏部位不是在吊车车运行只能到达梁的中部，可梁的破坏部位不是在吊车运行最频繁的运行最频繁的43号柱那一端，而是在受力状态较好的号柱那一端，而是在受力状态较好的45号柱一端。号柱一端。破坏原因有二：一是在制作安装时，因破坏原因有二：一是在制作安装时，因铆钉孔不对铆钉孔不对位而被扩大位而被扩大，减少了母材的受力面积；二是组成该吊车，减少了母材的受力面积；二是组成该吊车梁下翼缘的梁下翼缘的主体金属有晶
42、格缺陷主体金属有晶格缺陷。由于这些原因，降低。由于这些原因，降低了构件的强度和疲劳寿命。了构件的强度和疲劳寿命。475.2.5 钢结构的失稳事故钢结构的失稳事故 1.钢结构失稳的类型及产生的原因钢结构失稳的类型及产生的原因 钢结构的失稳事故可分为整体失稳事故和局部失稳钢结构的失稳事故可分为整体失稳事故和局部失稳事故两大类。事故两大类。（1）整体失稳事故原因）整体失稳事故原因1）设计错误。计算简图及支座约束与实际不符，设计安）设计错误。计算简图及支座约束与实际不符，设计安全储备过小等全储备过小等。2）制作缺陷。初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及焊接产）制作缺陷。初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及焊接产生
43、的残余变形等。生的残余变形等。3）临时支撑不足。安装过程中，临时支撑设置不合理或）临时支撑不足。安装过程中，临时支撑设置不合理或者数量不足，造成构件失稳，致使结构倒塌或倾覆。者数量不足，造成构件失稳，致使结构倒塌或倾覆。4）使用不当。随意改造使用功能；改变构件的受力状态；）使用不当。随意改造使用功能；改变构件的受力状态；由积灰或增加悬吊设备引起的超载；基础的不均匀沉降由积灰或增加悬吊设备引起的超载；基础的不均匀沉降和温度应力引起的附加变形；意外的冲击荷载等。和温度应力引起的附加变形；意外的冲击荷载等。（2）局部失稳事故原因）局部失稳事故原因1）设计错误。忽视甚至不进行构件的局部稳定验算。）设计
44、错误。忽视甚至不进行构件的局部稳定验算。2）构造不当。局部受集中力较大的部位，原则上应设置）构造不当。局部受集中力较大的部位，原则上应设置构造加劲肋；为了保证构件在运输过程中不变形也须设构造加劲肋；为了保证构件在运输过程中不变形也须设置横隔、加劲肋等。置横隔、加劲肋等。3）原始缺陷。包括钢材的负公差严重超规，制作过程中）原始缺陷。包括钢材的负公差严重超规，制作过程中焊接等工艺产生的局部鼓曲和波浪形变形等焊接等工艺产生的局部鼓曲和波浪形变形等。4）吊点位置不合理。）吊点位置不合理。2.钢结构失稳的处理与防范钢结构失稳的处理与防范 失稳事故应以防范为主，应做好以下工作：失稳事故应以防范为主，应做好
45、以下工作：（1）设计人员应强化稳定设计理念）设计人员应强化稳定设计理念 1）结构的整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的）结构的整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求。稳定性要求。2）计算简图必须符合实际受力情况。）计算简图必须符合实际受力情况。3）构件的稳定计算与细部构造的稳定计算必须配合，）构件的稳定计算与细部构造的稳定计算必须配合，尤其要有强节点的概念。尤其要有强节点的概念。4）强度问题通常采用一阶分析，而稳定问题原则上应）强度问题通常采用一阶分析，而稳定问题原则上应采用二阶分析。采用二阶分析。5）叠加原理不适用于稳定问题。）叠加原理不适用于稳定问题。6）应考虑整体稳定和局部稳
46、定的相关影响。）应考虑整体稳定和局部稳定的相关影响。（2）制作应力求减少缺陷）制作应力求减少缺陷 通过合理的工艺和质量控制措施将初弯曲、初偏心、通过合理的工艺和质量控制措施将初弯曲、初偏心、残余应力等缺陷减少到最低程度残余应力等缺陷减少到最低程度。（3）施工应确保安装过程中的安全）施工应确保安装过程中的安全 制定科学的施工组织设计，采用合理的吊装方案，制定科学的施工组织设计，采用合理的吊装方案，精心布置临时支撑，以防止钢结构安装过程中失稳，确精心布置临时支撑，以防止钢结构安装过程中失稳，确保结构安全。保结构安全。（4）正确使用钢结构建筑物）正确使用钢结构建筑物。定期检查和维护；当需要进行工艺流
47、程和使用功定期检查和维护；当需要进行工艺流程和使用功能改造时，必须与设计单位或有关专业人士协商，不得能改造时，必须与设计单位或有关专业人士协商，不得擅自增加负荷或改变构件受力。擅自增加负荷或改变构件受力。3.事故实例分析事故实例分析（1）事故概况）事故概况 河北省某厂铸造车间，总长83m，分三期建成。第一期工程第一期工程于1983年10月完工，共15间，开间3.3m。为钢筋混凝土吊车梁，三铰拱式轻钢屋架。屋面为轻钢檩条，上铺木望板，挂水泥瓦。屋架下弦标高10.5m，砖墙承重。第二期工程第二期工程为由原车间向东接建8个开间，开间尺寸4m，屋架下弦标高8.25m。其余同第一期工程。第三期工程第三期
48、工程于84年7月开始在室内增建两排钢筋混凝土柱，横向柱距16.5m，纵向柱距与厂房开间相同。南排柱紧靠厂房南墙，柱顶为现浇钢筋混凝土吊车梁，设3t和5t吊车各一台。86年1月投入使用。3.事故实例分析事故实例分析（1）事故概况）事故概况(续续)该工程未经正式设计单位设计，未考虑抗震设计，并由农村非正式施工单位施工。1987年11月27日下午2时10分，厂房中工人正在浇注铁水，突然有一根屋架上弦支撑的圆钢掉下来，接着发现屋架下弦严重下垂从室外看屋盖上弦三角形变为“人”字形。至2时52分，屋顶开始掉灰尘，紧接着整个屋盖23榀三铰拱式轻钢屋架全部倒塌。顶部部分墙体倒塌。幸运的是车间人员发现险情后，迅
49、速撤出，只有3人受轻伤，未造成重大伤亡。但造成严重的直接和间接经济损失。平面图平面图剖面图剖面图（2）事故原因）事故原因1）屋架选型不当。）屋架选型不当。该厂房为热加工车间，20m跨。内设吊车2台，处于7度地震区。厂房跨度大，有振动荷载，并且处于高温工作环境。屋盖结构选用了单榀和整体刚度都很差的三铰拱式轻钢屋架，与有关规定不符。2）屋架上弦斜梁不满足整体稳定性要求。）屋架上弦斜梁不满足整体稳定性要求。屋架上弦斜梁采用空间桁架式结构，三角形组合截面，上弦为双角钢，下弦为单根圆钢。原钢结构设计规范（TJ17-74）中规定：“三铰拱屋架的三角形截面组合斜梁，为了满足整体稳定性要求，其截面高度与斜梁长
50、度的比值不得小于l/18。”实际工程中，一般采用1/15左右。而本工程斜梁高跨比只有0.5/10.8=1/21.6，不能满足整体稳定性要求。（2）事故原因）事故原因(续续)3）屋架斜梁上、下弦杆强度不足。）屋架斜梁上、下弦杆强度不足。屋架斜梁上弦采用2505角钢，下弦采用120圆钢。经复算，在正常荷载作用下，上弦压应力为183.1MPa，下弦拉应力达363.5MPa，均大于其允许应力。4）不应采用砖墙承重方案。）不应采用砖墙承重方案。第一期工程屋架下弦标高10.5m，这样高的厂房，采用带壁垛砖墙承重是不安全的。而应采用钢筋混凝土柱。5）未做抗震设计。）未做抗震设计。该工程位于7度地震区，而设计
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