钢结构会发生腐蚀破坏的现象。
1、钢结构失稳
钢结构的失稳主要在轴压构件、压弯构件和受弯构件中发生。它可分为两类情况,一类是丧失局部稳固,另一类是丧失整体稳固性。
(1)影响结构构件局部稳固性的主要原因有:
①局部受力部位加劲肋构造措施
构件运输单元的两端以及较长要件的中间,如果没有设置横隔,就难以保证截面的几何形状不变,并且容易丧失局部稳固性。
②吊装时吊点位置挑选不当
在吊装过程里,因为吊点位置选择得不合适,就会致使构件局部产生较大的压应力,接着就会引发局部失稳的情况。因此钢材脆性破坏与构件,在钢结构施工的时候,施工方案一定要详细地阐述正确的起吊方式以及吊点位置。
③构件局部稳固不满足要求
当构件的工字形、槽形截面翼缘的宽厚比以及腹板的高厚比大于限值时,容易出现局部失稳现象;在组合截面构件的设计过程中,尤其需要加以注意。
(2)影响结构构件整体稳固性的主要原因有:
构件存在着各类初始缺陷。在对构件的稳固性进行分析时,各类初始缺陷对于构件的极限承载力产生了比较显著的影响。
施工时暂时支撑体系存在不足。在结构的安装进程里,因为结构尚未完全构成一个符合设计要求的受力整体,或者其整体刚度比较弱,所以需要设置一些临时支撑体系,以确保结构或构件的整体稳固性。
钢结构使用荷载和使用条件发生改变,比如超载,会引起受压构件应力增加;节点破坏会使受拉构件转变为受压构件;温度变化也会产生影响;基础的不均匀沉降同样会导致情况变化;意外的冲击荷载会带来作用;在结构加固过程中运算简图的改变等情况,这些构件受力条件的改变,会使受压构件应力增加,或使受拉构件转变为受压构件钢材脆性破坏与构件,进而导致构件整体失稳。
④构件整体稳固不满足要求影响
它的主要参数是长细比。要注意截面两个主轴方向的运算长度或许会不一样,还要注意构件两端实际的支承情形与运算支承之间存在区别。
2020 年 3 月 7 日发生坍塌事件。业主私自进行违法改建,在建筑内部增添了夹层。欣佳酒店建筑物原本是 4 层,经违法增加夹层后改建成了 7 层,已达到极限承载能力且处于坍塌临界状态。此外,事发前对底层支承钢柱进行了违规加固焊接作业,引发了钢柱失稳破坏,最终致使建筑物整体坍塌。
2021 年 2 月 6 日,晋江市西滨镇农场的在建项目。现场专家透露,在浇筑水泥时,是 H 型钢柱的弱轴失稳导致了整体的倒塌。
下图是整体失稳破坏案例:


局部失稳如下

2、钢结构的脆性断裂
钢结构的脆性断裂属于其极限状态里较为危险的破坏形式之一。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)时会发生突然断裂破坏,这就是脆性断裂。钢结构的脆性断裂通常具备以下这些特征:
破坏时的应力通常比钢材的屈服强度 f 要小,并且在某些情况下仅仅是 f 的 0.2 倍。
破坏前未出现显著变形,其吸收的能量较小,破坏是突然发生的,并且没有事故的先兆。
c.断口平齐光亮
影响钢结构脆性断裂的原因主要有:
(1)材质缺陷
钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素含量过高时,会使塑性和韧性严重降低,脆性相应增大。一般来说,碳会致使可焊性变差;磷和氧会导致“热脆”;磷和氮会导致“冷脆”;氢会导致“氢脆”。此外,钢材的冶金缺陷,像偏析、非金属夹杂、裂纹以及分层等,也会大幅降低钢材抗脆性断裂的能力。
(2)构件制作加工缺陷
构件的高应力集中会在局部使构件产生复杂应力状态。这种复杂应力状态会影响构件局部的塑性和韧性,对其塑性变形进行限制,进而提高构件脆性断裂的可能性。
(3)钢板厚度
钢板的厚度会对脆性断裂产生较大的影响。一般来说,钢板越厚,其脆性破坏的倾向就越大。“层状撕裂”这个问题应该得到高度的重视。
(4)钢材抗脆性断裂性能差
钢材的塑性会影响其抗脆性断裂性能,钢材的韧性会影响其抗脆性断裂性能,钢材对裂纹的敏锐性也会影响其抗脆性断裂性能,在这些因素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的抗脆性断裂性能优越;普通碳素钢中,镇静钢的抗脆性断裂性能比半镇静钢的抗脆性断裂性能好,半镇静钢的抗脆性断裂性能又比沸腾钢的抗脆性断裂性能好。
(5)低温顺动载
温度降低时,钢材的屈服强度 f 会升高,钢材的抗拉强度 fu 也会升高。同时,钢材的塑性指标截面收缩率会降低,这意味着钢材会变得更脆。动载对钢结构的破坏通常很突然,没有明显的塑性变形,会呈现出脆性破坏的特点。
(6)应力集中
钢结构存在孔洞、缺口、截面突变等情况是不可避免的,在荷载的作用下。这些部位会产生局部的高峰应力,然而其余部位的应力较低且分布并不均匀,这种现象被称作应力集中。我们一般把截面高峰应力与平均应力的比值称为应力集中系数,以此来表明应力集中的严重程度。
钢材在某一局部出现应力集中时,会出现同号的二维或三维应力场,这种应力场会使材料不易进入塑性状态,进而导致脆性破坏。应力集中越严重,钢材的塑性降低就越多,同时脆性断裂的危险性也越大。钢结构或构件的应力集中主要和其构造细节相关。在钢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是难以避免的。b 焊接是钢结构的主要连接方法,它有众多优点。然而不利的是,焊缝缺陷以及残余应力的存在常常会成为应力集中源。根据资料统计,焊接结构发生脆性破坏事故的情况远远多于铆接结构和螺栓连接结构。
主要有以下原因:
焊缝存在一些缺陷,有的多些,有的少些,像裂纹、夹渣、气孔、咬肉等。这些缺陷会成为断裂源。
焊接后结构内部存在的残余应力有两种,分别是残余拉应力和残余压应力。残余拉应力与其他因素组合作用时,有可能会导致开裂。
焊接结构的连接通常刚性比较大。在出现多焊缝汇交的情况下,材料的塑性变形难以得到发展,并且脆性会增大。
焊接能够让结构成为连续的整体。如果裂缝开始发展,就很有可能一直裂到尽头。然而,与铆接或者螺栓连接不同,在铆接或螺栓连接中,一旦裂缝遇到螺孔,裂缝就会停止发展。
3、钢结构承载力和刚度失效
(1)钢结构刚度失效
钢结构刚度失效意味着会产生塑性变形或振动,而这些塑性变形或振动会影响钢结构的连续承载或正常使用。其主要原因如下:
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部分。它对抵制水平荷载有利,对抵抗地震作用有利,对抵抗振动有利,并且直接影响结构的正常使用。
②结构或构件的刚度不满足设计要求:
如果轴压构件不满足长细比的要求;受弯构件不满足允许挠度的要求;压弯构件不满足上述两个方面的要求等等。
(2)钢结构承载力失效
钢结构承载力失效指的是在正常使用状态下,结构构件或者连接由于材料强度被超越,从而引发了破坏。主要原因如下:
①连接件强度不满足要求
焊接连接件的强度受多方面因素影响,包括焊接材料强度及其与母材的匹配情况、焊接工艺、焊缝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。焊栓连接强度受多种原因作用,如螺栓及其附件材料的质量、热处理成效,螺栓连接的施工技术工艺控制,尤其是高强螺栓预应力和摩擦面的处理,还有螺栓孔导致被连接构件截面的削弱以及应力集中等。
②使用荷载和条件的改变
包括运算荷载超出正常范围;部分构件停止工作导致其他构件承载增加;遭遇意外的冲击荷载;因温度变化而产生的附加应力;由于基础不均匀沉降而引发的附加应力等。
③钢材的强度强度指标不合格
钢结构设计中存在两个强度指标,分别是屈服强度 fy 以及抗拉强度 fu ;并且,倘若结构构件承担着较大的剪力或者扭矩,那么钢材的抗剪强度 fv 也是一个重要的指标。
4、钢结构疲劳破坏
钢结构进行疲劳分析时,通常会有这样的习惯:当循环次数达到 10 时,就将其称为高周疲劳。如果钢结构构件的实际循环应力特点以及实际循环次数超出了设计时所采用的参数,那么就有可能发生疲劳破坏。4. 钢材的冷热加工以及焊接工艺所产生的残余应力和残余变形会对钢材疲劳强度产生较大影响。
5、钢结构腐蚀破坏
普通钢材的抗腐蚀能力欠佳,这在工程领域一直是备受关注的重要问题。腐蚀会导致钢结构杆件的净截面面积减少,从而降低结构的承载力和可靠度。而且,腐蚀形成的“锈坑”会使钢结构脆性破坏的可能性增大,尤其会使抗冷脆性能下降。- 容易积灰且湿度大的构件部位等。钢结构以钢板和型钢作为主要材料。所以必须选用物理化学性能合格的钢材。同时,还需对钢板型钢之间的连接进行严格的把控。
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