建筑工程质量事故分析与处理六 钢结构工程事故课件.ppt

学习情境六 钢结构工程事故分析与处理,情境导入 美国肯帕体育馆建于1974年，承重结构为三个立体钢框架，屋盖钢桁架悬挂在立体框架梁上，每个悬挂节点用4 个A490高强度螺栓连接。1979 年6 月4日晚，高强度螺栓断裂，屋盖中心部分突然塌落。,屋盖倒塌的主要原因是高强度螺栓长期在风荷载作用下发生疲劳破坏。在风荷载作用下，屋盖钢桁架与立体框架梁间产生相对移动，使吊管式悬挂节点在连接中产生弯矩，从而使高强度螺栓承受了反复荷载。,而高强度螺栓受拉疲劳强度仅为其初始最大承载力的20，对A490高强度螺栓的试验表明，在松、紧五次后，其强度仅为原有承载力的1/3。另外，螺栓在安装时没有拧紧，连接件中各钢板没有紧密接触，从而加剧了螺栓的破坏。,案例导航 体育馆主要承重结构立体框架完好、正常。由于屋顶悬挂设计成吊管连接不适宜，因此屋顶需重新设计，更换所有的吊管连接件。,学习单元一 钢结构的缺陷,基础知识一、钢材的性能及缺陷（一）钢材的性能及缺陷 钢材的种类很多，建筑结构用钢材需具有较高强度，较好的塑性、韧性，足够的变性能力，以及适应冷热加工和焊接的性能。目前，建筑结构用钢主要有低碳钢和低合金钢两种。,钢材在高温下进行轧制、锻造、焊接、铆接等热加工时，会使钢内的硫化亚铁（FeS）熔化，形成微裂，使钢材变脆，即所谓的“热脆现象”。另外，硫还会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈蚀性，要求含量达0.035%0.050%。,磷的存在可提高钢的强度和抗锈蚀性，但会严重地降低其塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等；特别是在低温条件下，会使钢材变得很脆（低温冷脆）。另外，适量的磷和铜共存可以提高强度，但最明显的还是提高钢的耐腐蚀性能，要求含量达0.035%0.045%。,（二）钢材的物理力学性能,影响钢结构性能的钢材物理力学指标除常用的强度和塑性外，还有以下几种。（1）冷弯。冷弯性能是指钢材在常温下冷加工弯曲产生塑性变形时抵抗裂纹产生的一种能力。,（2）冲击韧性。冲击韧性是衡量钢材断裂时吸收机械能量的能力，是强度和塑性的综合指标。（3）可焊性。钢材的可焊性可分为施工上的可焊性和使用上的可焊性两种类型。,（4）疲劳。钢材的疲劳是指其在循环应力多次反复作用下，裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象。,（5）腐蚀。钢材的腐蚀有大气腐蚀、介质腐蚀和应力腐蚀。,（6）冷脆。在常温下，钢材本是塑性和韧性较好的金属，但随着温度的降低，其塑性和韧性逐渐降低，即钢材逐渐变脆，这种现象称为“冷脆现象”。,（三）钢材的缺陷,（1）发裂。发裂主要是由热变形过程中（轧制或锻造）钢内的气泡及非金属夹杂物引起的，经常出现在轧件纵长方向上，裂纹如发丝，一般裂纹长20 30 mm以下，有时为100 150 mm。发裂几乎出现在所有钢材的表面和内部。防止发裂最好由冶金工艺解决。,（2）分层。分层是钢材在厚度方向不密合，分成多层，但各层间依然相互连接并不脱离的现象。横轧钢板分层出现在钢板的纵断面上，纵轧钢板分层出现在钢板的横断面上。,（3）白点。钢材的白点是因含氢量过大和组织内应力太大，从而相互影响而形成的。它使钢材质地变松、变脆、丧失韧性、产生破裂。,（4）内部破裂。轧制钢材过程中，若钢材塑性较低或是轧制时压量过小，特别是上下轧辊的压力曲线不“相交”时，则会与外层的延伸量不等，从而引起钢材的内部破裂。,（5）斑疤。钢材表面局部薄皮状重叠称为斑疤，这是一种表面粗糙的缺陷，它可能产生在各种轧材、型钢及钢板的表面。,（6）划痕。划痕一般产生在钢板的下表面上，主要是由轧钢设备的某些零件摩擦所致。,（7）切痕。切痕是薄板表面上常见的折叠比较好的形似接缝的褶皱，在屋面板与薄铁板的表面上尤为常见。,（8）过热。过热是指钢材加热到上临界点后，还继续升温时，其机械性能变差（如抗拉强度），特别是冲击韧性显著降低的现象。,（9）过烧。当金属的加热温度很高时，钢内杂质集中的边界开始氧化或部分熔化时会发生过烧现象。,（10）机械性能不合格。钢材的机械性能一般要求抗拉强度、屈服强度、伸长率和截面收缩率四项指标得到保证，有时再加上冷弯，用在动力荷载和低温时还必须要求冲击韧性。,（11）夹杂。夹杂通常指的是非金属夹杂，常见的为硫化物和氧化物，前者使钢材在800 1 200 高温下变脆，后者将降低钢材的力学性能和工艺性能。,（12）脱碳。脱碳是指金属加热表面氧化后，表面含碳量比金属内层低的现象。缺陷有表面缺陷和内部缺陷，也有轻重之分。最严重的应属钢材中形成的各种裂纹，应高度重视其危害后果。,二、钢结构加固制作中可能存在的缺陷,（一）钢构件的加工制作及可能产生的缺陷 钢构件的加工制作过程一般为：钢材和型钢的鉴定试验钢材的矫正钢材表面清洗和除锈放样和画线构件切割孔的加工构件的冷热弯曲加工等。,构件加工制作可能产生各种缺陷，主要缺陷有以下几方面。（1）钢材的性能不合格。（2）矫正时引起的冷作硬化。（3）放样尺寸和孔中心的偏差。,（4）切割边未作加工或加工未达到要求。（5）孔径误差。（6）构件的冷加工引起的钢材硬化和微裂纹。（7）构件的热加工引起的残余应力等。,（二）铆接缺陷,铆接是将一端带有预制钉头的铆钉，经加热后插入连接构件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端打铆成钉头，以使连接达到紧固。铆接有热铆和冷铆两种方法。铆接传力可靠，塑性、韧性均较好。,铆接工艺带来的缺陷归纳如下：（1）铆钉本身不合格。（2）铆钉孔引起的构件截面削弱。,（3）铆钉松动，铆合质量差。（4）铆合温度过高，引起局部钢材硬化。（5）板件之间紧密度不够。,（三）栓接缺陷,栓接包括普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类。螺栓连接给钢结构带来的主要缺陷：（1）螺栓孔引起构件截面削弱。（2）普通螺栓连接在长期动载作用下的螺栓松动。,（3）高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形。（4）螺栓及附件钢材质量不合格。（5）孔径及孔位偏差。（6）摩擦面处理达不到设计要求，尤其是摩擦系数达不到要求。,（四）焊接缺陷,焊接是钢结构最重要的连接手段。焊接方法种类很多，按焊接的自动化程度一般分为手工焊接、半自动焊接及自动化焊接。,焊接工艺可能存在以下缺陷。（1）焊接材料不合格。（2）焊接引起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低，使钢材硬化、变脆开裂。（3）因焊接产生较大的焊接残余变形。,（4）因焊接产生严重的残余应力或应力集中。（5）焊缝存在多种缺陷，如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等。,三、钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷,钢结构运输、安装和使用维护中可能产生的缺陷有以下几方面。（1）运输过程中引起结构或其构件产生的较大变形和损伤。,（2）吊装过程中引起结构或其构件的较大变形和局部失稳。（3）安装过程中没有足够的临时支撑或锚固，导致结构或其构件产生较大的变形、丧失稳定性，甚至倾覆等。（4）施工连接（焊缝、螺栓连接）的质量不满足设计要求。,（5）使用期间由于地基不均匀沉降等原因造成的结构损坏。（6）没有定期维护，使结构出现较严重腐蚀，影响结构的可靠性能。,学习单元二 钢结构事故分析与处理,基础知识一、钢结构承载力与刚度的失效（一）钢结构承载力失效 钢结构承载力失效主要指正常使用状态下，结构构件或连接因材料强度被超过而导致破坏。其主要原因大致可归纳为：,（1）钢材的强度指标不合格。（2）连接强度不满足要求。（3）使用荷载和条件的改变。,（二）钢结构刚度失效,钢结构刚度失效主要指结构构件产生了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）结构或构件的刚度不满足设计要求。（2）结构支撑体系不够。,二、钢结构的失稳,钢结构的失稳事故分为整体失稳事故和局部失稳事故两大类。（一）影响结构构件整体稳定性的主要原因,（1）构件整体稳定不满足要求。（2）构件有各类初始缺陷。（3）构件受力条件的改变。（4）施工临时支撑体系不够。,（二）影响结构构件局部稳定性的主要原因,（1）构件局部稳定不满足要求。（2）局部受力部位加劲肋构造措施不合理。（3）吊装时吊点位置选择不当。,三、钢结构的疲劳破坏,钢结构的疲劳破坏往往是在其循环应力反复作用下发生的。,此外，钢结构疲劳破坏的影响因素还有：（1）所用钢材的抗疲劳性能差。（2）结构或构件中的较大应力集中；钢结构设计规范（GB 500172003）中有关疲劳计算的8 类结构形式或多或少都含有一定程度的应力集中。,（3）钢结构或构件加工制作缺陷，其中裂纹型缺陷，如焊缝及其热影响区的细裂纹、冲孔和剪切边硬化区的微裂纹等，对钢材的疲劳强度的影响比较大。另外，钢材的冷热加工、焊接工艺所产生的残余应力和残余变形等对钢材的疲劳强度的影响也较大。,四、钢结构的脆性断裂,钢结构的脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力（低于钢材屈服强度或抗拉强度）情况下发生的突然断裂破坏。,钢结构脆性断裂事故产生的原因如下。（1）材质缺陷。（2）应力集中。（3）钢板厚度。（4）使用环境。,五、钢结构的锈蚀,（一）钢结构锈蚀类型 钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏过程称为腐蚀，又叫钢材锈蚀。钢材锈蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。,（1）化学腐蚀是大气或工业废气中含的氧气、碳酸气、硫酸气或非电解质液体与钢材表面作用（氧化作用）产生氧化物引起的锈蚀。,（2）电化学腐蚀是由于钢材内部有其他金属杂质，具有不同电极电位，在与电解质或水、潮湿气体接触时，产生原电池作用，使钢材腐蚀。,（二）钢结构锈蚀处理措施,钢结构防腐蚀方法很多，如使用耐蚀钢材、钢材表面氧化处理、表面用金属镀层保护和涂层涂料保护等。,涂层（俗称“油漆”）能防止钢材腐蚀，是因为涂层有坚实的薄膜，使构件与周围腐蚀介质隔离，涂层有绝缘性，能够阻止离子活动。,原有钢结构的涂层防腐蚀处理较新建钢结构复杂，很难用单一涂层材料和统一处理方法来解决，必须根据实际情况选择涂层材料，决定除锈和涂刷程序；根据锈蚀面积来决定是局部维护涂层还是全面维修涂层，一般锈蚀面积超过1/3的要全面重新做涂层。,周期性的（一般视情况35 年）全面涂层维修是十分必要的。钢结构防锈蚀涂层处理包括旧漆膜处理、表面处理和涂层选择。,六、钢结构的其他类型事故,（一）钢结构材料事故1钢结构材料事故产生的原因 钢结构材料事故是指由材料本身的原因引发的事故。,钢结构材料事故产生的原因如下。（1）设计时选材不合理。（2）钢材质量不合格。（3）制作时工艺参数不合理，钢材与焊接材料不匹配。,（4）螺栓质量不合格。（5）铆钉质量不合格。（6）焊接材料质量不合格。（7）安装时管理混乱，导致材料混用或随意替代。,2钢结构材料事故的处理措施,（1）复检各项指标。钢材应符合碳素结构钢（GB/T 7002006）和低合金高强度结构钢（GB/T15912008）的相关规定。,焊接材料应符合非合金钢及细晶粒钢焊条（GB/T 51172012）、热强钢焊条（GB/T 51182012）等相关标准的规定。,螺栓材料应符合紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱（GB/T 3098.12010）、钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件（GB/T 12312006）和钢结构用扭剪型高强度螺栓连接（GB/T 36322008）等有关规定。,（2）焊缝处理。对于焊缝裂纹，原则上要刨掉重焊（用碳弧气刨或风铲），但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，并在两板之间加焊短斜板的方法处理，斜板厚度应大于裂纹长度。,（3）构件钢板夹层缺陷处理。钢板夹层是钢材最常见的缺陷之一，在构件加工前往往不易发现，当发现时已成半成品或成品，或者已用于结构投入使用。构件钢板夹层处理方法如下。,实腹梁、柱翼缘板夹层处理。（a）在一半长度内，板夹层总长度（连续或间断）不超过200 mm，夹层深度不超过翼缘板断面高度1/5且不大于100 mm时，可不做处理继续使用。,（b）当夹层总长度超过200 mm，而夹层深度不超过翼缘断面高度1/5时，可将夹层表面铲成V形坡口予以焊合。,（c）当夹层深度未超过翼缘断面高度1/2时，可在夹层处钻孔，用高强螺栓拧合，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1/2时，应将夹层的一边翼缘板全部切除，另换新板。桁架节点板夹层处理。,（二）钢结构变形事故,1钢结构变形事故的类型 钢结构的变形可分为总体变形和局部变形两类。,总体变形是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，如图6-5所示。局部变形是指结构构件在局部区域内出现变形，如构件凹凸变形、板边折皱波浪变形、端面的角变位等，如图6-6 所示。,图6-5总体变形,图6-6局部变形,2钢结构变形事故的原因,（1）原材料变形。（2）冷加工时变形。（3）焊接、火焰切割变形。,（4）制作、组装变形。（5）运输、堆放、安装变形。（6）使用过程中变形。,3钢结构变形事故的处理,钢结构的变形处理，应根据变形的大小采取不同的处理方法。,（1）热加工法矫正变形。热加工法是采用乙炔气和氧气混合燃烧火焰为热源，对变形结构构件进行加热，使其产生新的变形，来抵消原有变形。,（2）冷加工法矫正变形。钢结构冷加工法矫正变形处理方法如下：手工矫正。机械矫正。,表6-1 机械矫正变形方法,（三）钢结构构件裂缝事故,1钢结构构件裂缝形成的原因 钢结构构件裂缝在钢结构制作、安装和使用阶段都会出现，原因大致有以下几种。（1）构件材质差。（2）荷载或安装、温度和不均匀沉降作用，产生的应力超过构件承载能力。,（3）金属可焊性差或焊接工艺不妥，在焊接残余应力下开裂。（4）构件在动力荷载和反复荷载作用下疲劳损伤。（5）构件遭受意外冲撞。,2钢结构构件裂缝的处理,（1）裂缝处理基本要求。（2）较小裂缝处理。用电钻在裂缝两端各钻一直径12 16 mm的圆孔（直径大致与钢材厚度相等），裂缝尖端必须落入孔中，减小裂缝处的应力集中。,沿裂缝边缘用气割或风铲加工成K形（厚板为X形）坡口。裂缝端部及缝侧金属预热到150 200，用焊条（Q235钢用E4316，16Mn钢用E5016）堵焊裂缝，堵焊后用砂轮打磨平整为佳。,（3）较大裂缝处理。如果裂缝较大，或出现网状、分叉裂纹区，甚至出现破裂时，应进行加固修复，一般采用拼接板或更换有缺陷部分。,（四）钢结构火灾事故,1火灾对钢结构的危害 耐火性差也是钢结构的一大缺点。一旦发生火灾，钢结构很容易遭受破坏而倒塌。,2钢结构的防火方法,钢构件防火方法如下：（1）紧贴包裹法。（2）空心包裹法。（3）实心包裹法。,图6-9钢构件的防火方法,（五）铆钉、螺栓连接缺陷事故,1铆钉、螺栓连接常见缺陷与检查方法（1）常见缺陷。铆钉连接常见的缺陷有铆钉松动、钉头开裂、铆钉被剪断、漏铆以及个别铆钉连接处贴合不紧密。,（2）检查方法。铆钉与螺栓连接检查，着重检查铆钉和螺栓是否在使用阶段切断、松动和掉头，同时也要检查建造时留下的缺陷。铆钉检查采用目测或敲击，常用方法是两者相结合，所用工具有手锤、塞尺、弦线和10 倍以上的放大镜。,螺栓质量缺陷检查除了目测和敲击外，尚需用扳手测试，对于高强度螺栓要用测力扳手等工具测试。要正确判断铆钉和螺栓是否松动或断裂，需要有一定的实践经验，故对重要的结构检查，至少换人重复检查1 2 次，并做好记录。,2铆钉、螺栓连接缺陷处理,（1）铆钉连接缺陷处理措施。处理原则。发现铆钉松动、钉头开裂、铆钉被剪断、漏铆等应及时更换、补铆，或用高强螺栓更换（应计算做等强代换），不得采用焊补、加热再铆方法处理有缺陷的铆钉。铆钉更换。,（a）更换铆钉时，应首先更换损坏严重的铆钉。（b）取出铆钉杆后，应仔细检查钉孔并予以清理。,（c）需扩孔时，若铆钉间距、行距及边距均符合扩孔后铆钉或螺栓直径的现行规范规定时，扩孔的数量不受限制，否则扩孔的数量宜控制在50%范围内。（d）当在负荷状况下更换铆钉时，应根据具体情况分批更换。,（2）螺栓连接缺陷处理措施。紧固后的螺栓伸出螺母处的长度不一致的处理。螺栓孔移位，无法穿过螺栓的处理。摩擦型高强度螺栓连接滑移处理。高强度螺栓断裂处理。,学习单元三 钢结构的加固,基础知识一、钢结构加固的基本要求（1）钢结构的加固设计应综合考虑其经济效益，应不损伤原结构，以避免不必要的拆除或更换。,（2）钢结构加固设计应与实际施工方法紧密结合，并应采取有效措施保证新增截面、构件和部件与原结构连接可靠，形成整体共同工作，应避免对未加固部分或构件造成不利影响。（3）钢结构的加固应根据可靠性鉴定所评定的可靠性等级和结论进行。,（4）加固后钢结构的安全等级应根据结构破坏后果的严重程度、结构的重要性（等级）和加固后建筑物功能是否改变、结构使用年限确定。,（5）对于高温、腐蚀、冷脆、振动、地基不均匀沉降等原因造成的结构损坏，应先提出其相应的处理对策后再进行加固。（6）对于可能出现倾斜、失稳或倒塌等不安全因素的钢结构，在加固之前，应采取相应的临时安全措施，以防止事故的发生。,（7）钢结构在加固施工过程中，若发现原结构或相关工程隐蔽部位有未预估到的损伤或严重缺陷时，应立即停止施工，会同加固设计者采取有效措施进行处理后方能继续施工。,二、钢结构加固施工注意事项,（1）表面的清除。（2）结构的稳定性。（3）缺陷、损伤的处理。（4）负荷状态下焊接加固。,采用焊接加固的环境温度应在0 以上，最好在大于或等于10 的环境下施焊。应慎重选择焊接参数（如电流、电压、焊条直径、焊接速度等），尽可能减小焊接时输入的热能量，避免由于焊接输入的热量过大，而使结构构件丧失过多的承载能力。,先加固最薄弱的部位和应力较高的杆件。确定合理的焊接顺序，以使焊接应力尽可能减小，并能促使构件卸荷。如在实腹梁中宜先加固下翼缘，然后再加固上翼缘；在桁架结构中应先加固下弦再加固上弦等。,凡能立即起到补强作用，并对原构件强度影响较小的部位先施焊，如加固桁架的腹杆时，应先焊杆件两端节点的焊缝，然后再焊中段焊缝，并且在腹杆的悬出肢（应力较小处）上施焊。,三、钢结构加固的方法,钢结构加固的常用方法有结构卸荷加固法、改变结构计算简图加固法和加大构件截面加固法等。（一）结构卸荷加固法1柱子 柱子卸荷加固法指采用设置临时支柱卸去屋架和起重机梁的荷载的方法。,2托架,托架的卸荷可以采用屋架的卸荷方法，也可利用起重机梁作为支点使托架卸荷。,3梁式结构,梁式结构如屋架，可以在屋架下弦节点下增设临时支柱或组成撑杆式结构，张紧其拉杆，对屋架进行改变应力卸荷。,4工作平台,工作平台卸荷加固一般采用临时支柱进行卸荷。,（二）改变结构计算简图加固法,改变结构计算简图加固法是指采用改变荷载分布状况、传力路径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑，施加预应力，考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法。,（三）加大构件截面加固法,采用加大构件截面的方法加固钢结构时，会对结构基本单元构件甚至结构的受力工作性能产生较大的影响，因而应根据构件缺陷、损伤状况、加固要求考虑施工可能，经过设计比较选择最有利的截面形式。,使用加大构件截面加固法时应注意以下事项。（1）采用的补强方法应能适应原有构件的几何形状或已发生的变形情况，以利于施工。,（2）注意加固时的净空限制，要使补强零件不与其他杆件或者构件相碰。（3）补强方法应考虑补强后的构件便于油漆和维护，避免形成易于积聚灰尘的坑槽而引起锈蚀。,（4）焊接补强时应采取措施，尽量减小焊接变形。（5）应尽可能使被补强构件的重心轴位置不变，以减少偏心所产生的弯矩。当偏心较大时，应按压弯或拉弯构件复核补强后的截面。,（6）应尽量减少补强施工工作量。（7）当受压构件或受弯构件的受压翼缘破损和变形严重时，为避免矫正变形或拆除受损部分，可在杆件周围包以钢筋混凝土，形成劲性钢筋混凝土的组合结构。,四、火灾后的钢结构加固,火灾损伤钢结构的修复加固工作，首先是进行结构变形的复原，然后进行承载力不足的加固。钢结构火灾变形的复原一般采用千斤顶复原法，具体步骤为：,（1）测定钢结构的变形量，确定复原程度。（2）确定千斤顶作用位置及千斤顶数量。（3）安装千斤顶。,（4）操作千斤顶，将钢结构变形顶升复位。（5）进行承载力加固，加固结束后再拆除千斤顶。,