建筑工程质量事故分析与处理模块5课件.ppt
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1、 模块模块5 5 钢结构工程事故分析与处理钢结构工程事故分析与处理5.1钢结构失稳事故的分析与处理5.2钢结构材料事故的分析与处理5.3钢结构火灾事故的分析与处理5.4钢结构锈蚀事故的分析与处理5.5钢结构变形事故的分析与处理钢结构作为一种传统的建筑结构,近年来在我国有较快的发展。钢结构通常用于高层、大跨度、体形复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构,如大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。钢结构具有材料强度高、自重轻、塑性及韧性好、抗震性能好、工业装配化程度高、造型美观、综合经济效益好及符合绿色建筑等优点。但是,随着科技的进
2、步,以及人们对事物认识的全面、深入,钢结构的缺陷也表现得越来越显著。纵观钢结构的发展历程,看到世界范围内钢结构事故的频繁发生给人们的生活、生产造成了巨大的损失。因此,我们应该从钢结构工程事故中吸取经验和教训。模块模块5 5 钢结构工程事故分析与处理钢结构工程事故分析与处理5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故是指因钢结构或构件丧失整体稳定性或局部稳定性而引发的事故。相对于混凝土结构而言,钢结构因强度高而使构件细长、截面相对较小,在外荷载作用下更容易失稳。相对于抗拉破坏而言,钢结构失稳破坏前的变形可能很小,呈现出脆性破坏的特征,而脆性破坏的突发性也使得
3、失稳破坏具有更大的危险性。钢结构失稳事故的原因分析5.1.15.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理整体失稳整体失稳1.(1)设计错误。设计错误主要与设计人员的水平有关,如缺乏稳定概念;稳定验算公式用错;只对基本构件的稳定性进行验算,忽视整体结构的稳定性验算;计算简图及支座约束与实际受力不符,设计安全储备过小等。(2)制作缺陷。制作缺陷通常包括构件的初弯曲、初偏心、热轧冷加工及焊接产生的残余变形。各种缺陷将对钢结构的稳定承载力产生显著影响。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理(3)临时支撑不足。钢结构在安装过程中,在尚未完全形成整体结
4、构之前,属几何可变体系,构件的稳定性很差,此时,必须设置足够的临时支撑体系来维持安装过程中的整体稳定性。若临时支撑设置得不合理或者数量不足,轻则会使部分构件丧失稳定,重则会造成整个结构在施工过程中倒塌或倾覆。(4)使用不当。结构竣工投入使用后,使用不当或意外因素也是导致失稳事故发生的主因,如使用方随意更改使用功能,改变构件受力,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。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理局部失稳局部失稳2.局部失稳主要针对构件而言,其失稳后果虽然没有整体失稳严重,但对以下原因造成的局部失稳也应引起
5、足够的重视:(1)设计错误。设计人员忽视甚至不进行构件的局部稳定性验算,或者验收方法错误,致使组成构件的各类板件的宽厚比和高厚比大于规范限值。(2)构造不当。原则上,在构件局部受集中力较大的部位,应设置构造加劲肋。另外,为了保证构件在运转过程中不变形也须设置横隔、加劲肋等。但在实际工程中,加劲肋数量不足、构造不当的现象比较普遍。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理(3)原始缺陷。原始缺陷包括钢材的负公差严重超规,以及制作过程中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。在吊装过程中,对于大型钢结构构件,吊点位置的选定十分重要,因为吊点位置不同,
6、构件的受力状态也不同。有时构件内部过大的压应力会导致构件在吊装过程中局部失稳。因此,在钢结构设计中,针对重要构件应在图纸中说明起吊方法和吊点位置。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理 钢结构失稳事故的预防原则5.1.2当钢结构因整体失稳而倒塌时,整个结构已经报废,事故的处理已没有价值,只剩下责任的追究问题。但对于局部失稳事故可以采用加固或更换板件的方法加以解决。为防止钢结构失稳事故的发生,应该遵守以下原则:5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理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.设计人员对于防止钢结构失稳事故的发
7、生肩负着最重要的职责,因此,强化稳定设计理念十分必要。(1)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,尤其是支撑体系的布置。(2)结构稳定计算方法的前提假定必须符合实际受力情况,尤其是支座约束的影响。(3)构件的稳定性计算与细部构造的稳定性计算必须配合,尤其要有强节点的概念。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理(4)强度问题通常采用一阶分析,稳定问题原则上应采用二阶分析。(5)叠加原理适用于强度问题,不适用于稳定问题。(6)处理稳定问题应有整体观念,应考虑整体稳定和局部稳定的相关影响。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与
8、处理制作单位应力求减少缺陷制作单位应力求减少缺陷2.在常见的缺陷中,初弯曲、初偏心、残余应力对稳定承载力的影响最大,因此,制作单位应通过合理的工艺和质量控制措施将缺陷降低到最低程度。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理施工单位应确保安装过程中的安全施工单位应确保安装过程中的安全3.施工单位只有编制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,才能防止钢结构在安装过程中失稳,确保结构安全。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理使用单位应正常使用钢结构建筑使用单位应正常使用钢结构建筑4.一方面,使用单位要注意对已建钢结构进行
9、定期的检查和维护;另一方面,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,不得擅自增加负荷或改变构件的受力条件。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理 钢结构失稳事故的处理案例5.1.1事故概况事故概况2.某通信楼工程的网架为焊接空心球节点棋盘形四角锥网架,平面尺寸为13.20 m17.99 m,网格数为57,网格尺寸为2.64 m 2.57 m,网架高为1.0 m,支承方式为上弦周边支承。屋架平面图如图5-1所示。图5-1 屋架平面图 5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理 该网架采用假想弯矩法进行内力分析,
10、取上弦均布荷载为3 kN/m2,杆件及空心球节点的材料采用一级钢筋(HPB235)。网架上弦为734的钢管,下弦为894.5的钢管,腹杆为383 的钢管,杆件与空心球节点连接焊缝的破坏形式是焊缝热影响区内的钢管被拉断,或因焊缝未焊透、母材未熔合而使钢管由焊缝中被拔出。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理事故分析事故分析2.(1)设计原因。网架的计算有误,整个网架的全部杆件(包括上弦、下弦和腹杆)的截面面积均不足,致使网架屋面施工过程中,当实际荷载仅为设计荷载的2/3时,网架就遭到破坏。但是,网架的塌落的确是受压腹杆失稳造成的,当受压腹杆失稳退出工作后,整个网架也
11、因迅速失稳而塌落。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处理钢结构失稳事故的分析与处理(2)施工原因。网架的焊缝质量。从破坏现场可知,钢管与空心球节点的连接焊缝破坏有多处是未焊透或母材未熔合,虽然施工图中错误地选用了贴角焊缝,但贴角焊缝的母材未熔合也是不能被允许的。网架上弦节点上为形成排水坡度而设置的小立柱,本应是中间高、两边低,但施工中竟做成了两边高、反而将中间保温层加厚以形成排水坡,这样做既浪费了材料,又加大了厂房屋面的荷载。网架支柱的预埋件未按图纸设计的位置设置。预埋在钢板下的锚固钢筋竟错误地置于圈梁保护层内,造成网架塌落时锚固钢筋从保护层中剥落。5.1 5.1 钢结构失稳事故的分析与处
12、理钢结构失稳事故的分析与处理事故结论事故结论3.网架结构的设计人员必须掌握网架结构的设计理论,精心进行结构计算;对网架结构的焊接质量严格要求。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故是指因材料本身的原因而引起的事故。钢结构的所用材料包括钢材和连接材料(螺栓、焊材等)两大类。影响钢材性能的主要因素包括有害化学成分超标、冶金轧制缺陷、硬化(使钢材的塑性和韧性降低)、应力集中及温度过高或过低等。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理 钢结构材料事故的原因分析5.2.1钢结构材料事故可概括为两大类:裂缝事故和倒塌事故。裂缝事故主要
13、出现在钢结构的基本构件中,倒塌事故主要指因材质原因所引起的结构布局倒塌和整体倒塌。引发钢结构材料事故的主要原因有钢材质量不合格;铆钉质量不合格;螺栓质量不合格;焊接材料质量不合格;设计时选材不合理;制作时工艺参数不合理,钢材与焊接材料不匹配;安装时管理混乱,导致材料混用或随意替代。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理 钢结构材料事故的处理方法5.2.2钢结构材料事故中最常见的是构件裂缝事故,该类事故发生的主要原因是材料本身不合格。下面介绍该类事故的处理方法。(1)认真复检钢材及连接材料的各项指标,确认事故原因。(2)如果构件裂缝的确是材料本身的原因引起的,通常应
14、采用加固或更换构件的处理方法。(3)如果结构不重要且构件的裂纹较细小,也可采用下列处理方法。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理(4)构件钢板夹层缺陷的处理。钢板夹层是钢材常见的缺陷之一。该缺陷往往不易在构件加工前被发现,发现时已成半成品或成品,或者已用于结构投入使用。下面介绍几类构件钢板夹层的处理方法。(5)焊缝裂纹的处理。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板和腹板处的焊缝裂纹,可采用在裂纹两端钻止裂孔,并在两板之间加焊短斜板(斜板的厚度应大于裂纹的长度)的方法处理。某厂的汽轮机车间为36 m和30 m并联等高两跨厂
15、房,柱距为12 m,总长为180 m,屋架下弦的标高为19.200 m,36 m跨有200/1 000 kN和200/750 kN桥吊各一台,30 m跨有200/750 kN 和100/500 kN桥吊各一台,它们均采用实腹式吊车梁,吊车梁的截面尺寸如图5-2所示。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理 钢结构材料事故的处理案例5.2.3事故概况事故概况1.5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理 图5-2 吊车梁的截面尺寸 (a)36 m跨吊车梁的截面 (b)30 m跨吊车梁的截面5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事
16、故的分析与处理该厂房建成后第二年进行质量大检查时发现吊车梁上有很多裂纹,上、下翼缘板各有一二十条横向裂纹,腹板上的裂纹少一些,裂纹都在表面,一般深度为12 mm,深度超过3 mm的很少;裂纹的宽度一般为0.07 mm;长度大多为200300 mm,最长达600 mm;裂纹的斜度不一致,在翼缘板与腹板焊缝的两侧未发现裂纹,但母材上部普遍存在;端部和腹板加劲肋板没有裂纹。裂纹会在动荷载的作用下发展成裂缝,甚至导致结构破坏。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理事故分析事故分析2.首先要确定裂纹产生的原因。裂纹产生的常见原因有焊接热应力、热脆和冷脆、应力集中、超应力、超
17、疲劳强度等。经分析可知,该车间吊车梁的裂纹与上述因素无关,因为钢材中所含杂质远小于规定指标、气温正常、车间尚未使用、运输中没有发生事故,唯一可能的原因是焊接热应力,但裂纹所在部位都远离焊缝热影响区,故也不是焊接热应力引起的。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理等钢板冷却到50 左右时开始拼装焊接。当时就发现了不少微裂纹,但没能引起重视。正是由于钢锭温度差过大,导致钢材表面出现大量微裂纹,虽经加热轧压,但微裂纹仍不能闭合;又由于该钢锭是多边形钢锭,轧后板材上下两面的微裂纹往往整张都有,导致焊成的吊车梁上到处是裂纹;而加劲板(22 mm 和12 mm厚)和腹板(14
18、 mm厚)是外购钢材,故都没有裂纹。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理由于吊车梁已全部安装好,并涂上红丹,部分已涂油漆,因此给裂纹检查带来了困难。为全面检查裂纹情况以便处理,只好把吊车梁全部吊下来,用碱水浸泡洗涤,除去红丹和油漆,先用放大镜逐格寻找裂纹,再用超声波对完好部位进行抽查。经过3个月的检查发现,60根吊车梁中只有3根没有裂纹;4根裂纹严重,不仅上、下翼缘板各有10多条裂纹,腹板靠支座第一格中还有不少龟裂纹。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理事故处理事故处理3.裂纹对于吊车梁的危害很大,但如果把有裂纹的吊车梁全部报废、
19、重新更换,那么损失会更大(计500 t钢材)。基于裂纹不是钢材内在的质量问题,又不是焊接热应力引起的,因此决定尽量利用原吊车梁。具体处理方法如下:5.2 5.2 钢结构材料事故的分析与处理钢结构材料事故的分析与处理(1)对无裂纹的吊车梁不予加固处理。(2)对大多数有微裂纹的吊车梁,若裂纹深度小于1 mm,则用小圆头风凿雕去,不另行补强;若裂纹深度为13 mm,则先用风凿雕去,再用小直径低氢焊条(韧性好)焊缝补厚,手工焊的热影响区较小。为了确保安全,在有裂纹的吊车梁的下翼缘板上加焊一条长9 m、宽200 mm、厚20 mm的加强板,两端不焊,两侧采用间断焊缝。5.2 5.2 钢结构材料事故的分析
20、与处理钢结构材料事故的分析与处理(3)对3根上、下翼缘板和腹板有较多龟裂的梁,除采取上述处理措施外,在上翼缘板和腹板间增设斜撑板(加劲肋板间通长设)。斜撑板可以减小腹板的计算高度和上翼缘板的外挑长度,提高中和轴的位置,降低上翼缘板的压应力。斜撑板的厚度为16 mm,可以增强梁的抗扭性能。另外,在斜撑板的下边按吊车梁钢轨固定螺栓的位置开大圆孔,以便于日后调整、安装螺栓之用。斜板也采用间断焊缝。5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理 钢结构在火灾中失效的原因分析5.3.1结构本身的缺陷结构本身的缺陷1
21、.(1)钢结构在火灾中的强度变化较大。当温度超过200 时,钢结构的强度开始减弱;当温度达到350 时,钢结构的强度下降1/3;当温度达到500 时,钢结构的强度下降 1/2;当温度达到600 时,钢结构的强度下降2/3;当温度超过700 时,钢结构的强度几乎减少殆尽。据统计,火灾中的钢结构建筑在燃烧1520 min后就可能发生倒塌。(2)钢结构具有典型的热胀冷缩特性,高温受热后急剧变形,在很短的时间内,其承载能力和支撑力都会下降;但当遇到水流冲击(如灭火或是防御冷却时),钢结构又会急剧收缩,转瞬间即形成收缩拉力,继而使建筑结构的整体稳定性被破坏,造成坍塌。5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析
22、与处理钢结构火灾事故的分析与处理5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理内部环境恶劣内部环境恶劣2.由于钢结构建筑空间较大,空气充足,有的建筑内部甚至会形成空气对流,再加上可燃物多,助燃剂充沛,因此火灾荷载比较大。一旦发生火灾,火势必将迅猛发展,在很短的时间内便可以发展到火灾猛烈阶段;加之钢材本身的耐火极限很低,导热速度很快,而且大多数钢结构建筑的内部装饰多采用可燃材料,火灾发生时,钢结构本身直接受到高温烘烤,间接缩短了建筑构件的承重支撑时间,加速了建筑物的倒塌。5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理扑救难度较大扑救难度较大3.(1)内
23、攻难以深入。大跨度钢结构建筑内部的可燃物多、助燃剂多、火灾荷载大、内部障碍多,因此火灾发生时,在没有人工照明的情况下,疏散被困人员、强行内攻救人和深入建筑内部防御都非常困难。(2)内攻时障碍物多。例如,大跨度钢结构建筑内部空间大,塌落物多,地表情况不清楚等,都会给实施内攻时转移阵地和延长内攻路线造成困难。(3)搜寻、清障难度较大。大跨度钢结构商场、厂房内部的间隔设置较为复杂,一旦发生火灾,很难确定建筑内遇难人员和被困人员的位置。5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理 钢结构的防火保护措施5.3.2钢结构的防火保护措施根据其防火行为来分,主要分为主动防火和被动防火。
24、主动防火主要是指水喷淋法以及消防员的灭火行为,即主动地控制建筑发生火灾的趋势。被动防火是指不包括灭火行为而采用其他形式提高钢结构耐火极限的一种防火保护方法。从热量传输原理上来说,钢结构的防火保护措施可以分为水喷淋法、截流法和疏导法。5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理水喷淋法水喷淋法1.水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网,火灾发生时,该管网会自动启动(或手动)开始喷水,在构件表面形成一层连续流动的水膜,从而起到保护作用。5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理截流法截流法2.截流法是在构件表面设置一层保护材料,截断或阻滞火灾产生的热流
25、量向构件传输,使构件在规定时间内的温升不超过其临界温度。由于所选用的材料的导热系数小而热容量大,因此可以很好地阻滞热流向构件传输,从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、屏蔽法和包封法等。5.3 5.3 钢结构火灾事故的分析与处理钢结构火灾事故的分析与处理(1)喷涂法。喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面,形成保护层。喷涂法是最简单、最经济、最有效的做法,其价格低、重量轻、施工速度快,适用于形状复杂的钢构件,也是钢结构厂房中经常采用的防火处理方法之一。(2)屏蔽法。屏蔽法是把钢结构包藏在由耐火材料组成的墙体或吊顶内,在钢梁、钢屋架下做耐火吊顶,火灾发生时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓,
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