工程结构破坏

2024-10-29

工程结构破坏（共9篇）

工程结构破坏篇1

0 引言

2005年山东省威海市发生了特大暴风雪, 雪灾给该地区轻钢结构工程造成了不同程度的破坏。笔者分析了发生工程事故的原因, 提出了设计和施工中应注意的事项。

1 设计条件与实际不符合

1) 新修订的门架规程 (CECS102:2002) 要求屋面活荷标准值取0.5kN/m2, 受荷水平投影面积大于60m2的钢架构件可取不小于0.3kN/m2, 屋面施工或检修荷载不与活荷组合。现实设计中有一些不区分屋面构件和钢架构件均取0.5或0.3kN/m2, 同时对屋面施工或检修活荷缺少合理的组合, 造成了结构设计不安全或浪费现象。因此应根据规程要求和工程情况对屋面构件和钢架构件分别取不同的活载值, 并且根据施工方案产生的不利施工活载进行结构施工设计。

2) 关于风荷及雪荷的不均匀分布问题, CECS102:2002在3.2.3条对风荷取值做出了规定, 荷载规范 (GB50009—2001) 在6.2.2条对雪荷取值做了规定。施工图审查中发现有一些设计荷载取值后由程序自动计算并组合, 但在施工图纸上一些局部处理缺少标识, 如女儿墙和檐口处积雪积水特别是堆积结冻的雪水, 使荷载增大、檐口及转角风荷增大等情况使屋面结构受力增大, 部分构件失稳从而引起整体倒塌, 这在雪灾事故中得到充分证明, 因此屋面构件及屋面板安装需采取特别加强措施。

3) 设计选用钢材未能考虑钢材自身的缺陷影响。如有的工程设计计算及说明中要求焊接H钢构件采用Q235功Q235A, 根据钢板出厂材质保证书此种钢材对碳含量的要求是不严格保证的, 且对于焊接承重钢结构构件是不合适的, 因其含碳量超标影响钢板的焊接质量。

2 设计计算假定、简图与图纸构造不符合

一些工程设计虽然条件参数符合实际, 但其计算假定、简图与施工图标示的结构构造成做法却出现问题:

1) 同形门刚架在重力 (竖向) 荷或在风荷 (水平荷) 作用下会在柱脚产生水平推力。单层门架结构由于其自重较轻, 风荷作用除了在柱脚产生水平推力外, 还会产生上拔力 (负吸力作用结果) , 特别是对有吊车的门架结构在柱间支撑开间、柱脚受到的水平推力及上拔力更大。设计计算已充分考虑了柱脚受到的二种力作用, 但在柱脚及基础构造中未采取相应的措施, 只是按一般柱基来处理。如中心受压基础和受压、弯基础, 只是简单地考虑了地基的抗压强度承载力。对这种柱基除了应通过锚栓和抗剪健将竖向上拔力和水平力传至钢筋混凝土基础外, 还需根据水平力、上拔力大小对钢筋混凝土基础的稳定进行验算, 用基础自重和其上埋土重量平衡上拔力, 用基础四周土体的侧向约束力解决基础抗滑移, 平衡柱脚水平推力, 若用桩基则考虑用抗拔桩 (摩擦桩) 平衡基础承台上拔力, 另外可以通过配置拉接钢筋将柱基与刚性地坪和地梁连接起来抵抗水平力。

2) 门式钢架结构钢柱脚的计算假定与结构构造。钢柱脚假定铰接或刚接对结构计算的结果是不不同的, 特别是对钢柱受力影响最大, 因此设计计算做出的钢柱脚假定, 一定要用可靠的构造成做法来保证假定的正确。经常出现的问题是结构计算书要求钢门架钢柱脚固定铰接或者固定刚接, 而图纸钢柱脚构造做法却是不能严格实现的, 如钢门架钢柱脚放在一层钢盘混凝土柱顶或放在钢筋混凝土大梁 (或墙) 上, 这样不论锚栓如何安装固定, 形成的钢柱脚均不满足固定铰接或刚接, 因为钢柱脚是随下部钢盘混凝土结构 (梁、柱、墙) 的水平变位而变位, 不能构成固定支座, 因此设计计算假定简图就不能实现。钢柱基础损坏。

3) 钢筋混凝土柱顶采用轻钢屋面结构做法目前在车间、库房等项目中较常见。有些设计按钢筋混凝土排架结构设计计算, 而两端山墙用钢盘混凝土框架代替排架结构, 二者用檀条连接, 笔者认为这种做法不妥: (1) 钢盘混凝土柱和柱顶钢梁不能形成严格意义上的排架结构, 因为钢梁的截面尺寸小、刚度较小, 不能满足排架梁作为刚性杆的计算假定, 柱底弯矩要比排架结构计算结果大; (2) 纵向两端山墙横向框架平面内刚度比钢梁排架结构刚度大, 通过檀条与轻钢梁连接比较薄弱, 不能有效地利用两端山墙框架刚度对内排架的空间受力产生影响。应该将钢梁刚度参数一并考虑进行整体分析计算, 两端山墙框架与轻钢梁之间加强连接, 充分利用空间效应, 杜绝安装中一些工程端开间檀条失稳, 山墙框架上铁件拔出等事故。

4) 单层门架结构中, 支撑体系的设计非常重要, 刚架结构整体稳定及平面外计算长度、轴压比等均需借助一些支撑来保证, 包括安装构件未形成结构时的各种临时支撑措施, 现实有一些设计存在支撑方面的问题: (1) 柱间支撑只设在边柱列, 对内柱 (包括摇摆柱) 列没有设置, 造成屋面在内柱间水平支撑 (桁架) 缺少支座; (2) 屋面水平支撑设计时用檩条代替十字交叉支撑刚性系杆, 但缺少对檩条的验算和加强构造措施, 造成实际上刚性系杆的刚性不够, 不能起到水平支撑桁架内竖向压杆的作用。屋面支撑系统中, 纵向刚性系杆除在屋脊、檐口处设置外, 有一些部位如天窗架柱支座处、刚架梁转折处等也应设置, 以杜绝雪灾事故中部分钢梁接头处首先损坏等现象。

3 结构设计与制作安装不符合

1) 梁—梁、梁—柱拼接点一般假定节点连接是刚性的, 现实节点刚度却不能完全满足刚性要求, 有些资料认为能满足半刚性, 这与设计计算假定是不符合的, 特别是当制作或安装施工的精度偏差超标时对节点的旋转刚度影响更大, 严重的造成节点不能有效地传递弯矩, 使结构内力重分布, 高强栓群的内力分布也改变。笔者认为保证节点刚性一般应采取: (1) 按照欧洲规范EC3介绍的方法计算连接刚度; (2) 连接设计应保证节点破坏模式为高强螺栓被拉断, 端板或柱翼缘仍处于弹性受力阶段; (3) 限制柱腹板节点域剪力不超过其承载力的80%, 否则应设置加劲肋或补强板。影响节点转到刚度的因素一般有端板的形式和厚度, 高强螺栓的数量和排列方式及扭紧程度, 是否设置加劲肋以及端板的初始变形等。这些因素在制作安装过程中均需按设计要求严格控制, 但由于受工艺、设备及人员等条件影响, 施工过程中或多或少地造成构件制作与设计要求的偏差。由于端板与梁或柱翼缘、腹板是焊接的, 焊接后端板存在焊接变形, 特别是当端板缺少加劲时, 这种安装前的初始变形就更明显, 对节点的刚性有较大影响, 这种初始变形的存在加强了端板对螺栓的撬力作用, 使螺栓群受力恶化, 拉、弯、剪同时存在, 当螺栓扭紧产生的预拉力不规范统一时, 节点的受力就更趋不利, 甚至影响到结构安全。所有施工中一定注意上述端板初始变形的控制和确保螺栓预拉力的准确到位;另外梁拼接端板宜采取外伸式并设加劲肋, 高强螺栓布置需集中在翼缘附近对称排列。

2) 还有一些问题也会使施工不能满足设计要求: (1) 屋盖水平支撑及柱间支撑措施缺少张紧装置, 造成支撑作用不能充分发挥; (2) 安装用临时支撑措施不到位, 造成构件在吊装过程中变形过大或失稳损坏; (3) 柱脚锚栓偏位。丝扣保护不好, 造成安装柱困难, 柱脚板标高偏差大、锚栓受弯大, 又未及时二次灌浆, 造成结构变形, 产生初应力; (4) 现场焊缝质量较差, 特别是楼层钢梁与柱通过垫板的坡口等强焊缝, 不能满足节点设计要求, 建议这样的节点在现场宜采用栓接, 减少重要受力焊缝操作; (5) 轻钢结构对风荷反应较明显, 同时风荷又是一种反复作用荷, 容易对钢构节点连接造成疲劳破坏, 因此施工中高强螺栓必须扭紧, 满足预拉力要求, 否则在反复风荷作用下高强栓连接处易出现疲劳现象。

摘要：针对2005年威海特大暴风雪后轻钢结构工程的破坏程度和对一些工程事故的分析, 论文从设计条件与实际不符合, 设计计算假定、简图与图纸构造不符合, 制作安装施工与设计图不符合等方面, 对轻钢结构的设计、施工现状及存在的问题进行了分析, 分别提出了对设计条件、计算假定及施工标准的要求以及应用注意事项。

关键词：轻钢结构,门式钢架,设计条件,计算假定,制造安装,荷载

工程结构破坏篇2

底框结构有哪些破坏特性？

底框结构一般来说高度不是很高，风荷载的影响较小，主要是承受竖向荷载和水平地震作用，当然，在某些风载较大的地区当底层没有设置抗震墙时，其在地震作用下的破坏特征是： 1）二层以上砖房破坏的状况与一般多层砖房基本相同； 2）底层的破坏比上面各层都严重，主要是底层柱丧失承载力，或因变形集中引起位移过大而破坏。底层柱在竖向荷载和水平地震剪力的联合作用下，沿斜截面发生破坏后，又加剧了受压破坏，

有的柱由于钢筋间距过大，特别是在柱的上下端箍筋没有加密的情况下，破坏更加突出。有的钢筋混凝土柱因纵向钢筋的配筋率太高（超过 6%），使柱丧失韧性，发生脆性破坏； 3）由于底框结构上部砖房的重量较大，底部重量相对较轻，在“头重脚轻”的情况下再加上平面布置不对称的情况下发生扭转破坏。针对以上情况，规范规定对此类结构的底层不能采用纯框架结构，一定要在两个方向设置抗震墙，成为框架抗震墙结构。至于抗震墙的材料，在6、7 度抗震设防时新规范虽然允许采用砖墙，但应计入砖对框架的附加轴力和附加剪力（老的抗震规范无此要求）。其余情况均应采用钢筋混凝土抗震墙。

对钢结构脆性破坏的认识篇3

关键词：钢结构,脆性破坏

(一) 钢结构的破坏形式

钢结构的破坏通常可分为塑性和脆性两种形式。其中脆性破坏是结构极限状态中最危险的破坏形式之一, 这主要由于它的发生往往很突然、没有明显的塑性变形, 而且构件破坏时的承载能力很低, 带来的损失也十分惊人。脆性断裂破坏, 从宏观上讲, 脆性破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小 (例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%~0.6%) 。如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的, 那么称结构发生了脆性破坏。对于脆性破坏的结构, 几乎观察不到构件的塑性发展过程, 往往没有破坏的预兆, 因而脆性破坏的后果经常是灾难性的。工程设计的任何领域, 无一例外地都要力求避免结构的脆性破坏 (如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁) , 其道理就在于此。

(二) 钢结构脆性断裂破坏的分类

脆性断裂破坏大致可分为如下几类:1.过载断裂:由于过载, 强度不足而导致的断裂。这种断裂破坏发生的速度通常极快 (快2100m/s) , 后果极其严重。在钢结构中, 过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。2.非过载断裂:塑性很好的钢构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈脆性断裂。3.应力腐蚀断裂:在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构, 在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。4.疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂:在交变荷载作用下, 裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。疲劳断裂有高周和低周之分。循环周数在1炉以上者称为高周疲劳, 属于钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次, 每次都有较大的非弹性应变。典型的低周疲劳破坏产生于强烈地震作用下。环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。5.氢脆断裂:氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。焊条在使用前需要烘干, 就是为了防止氢脆断裂。

(三) 钢结构脆性断裂破坏的特征

脆性破坏, 破坏时几乎不发生变形, 而且瞬间发生, 破坏时应力低于极限承载力。钢材晶格之间的剪切滑移受到限制, 使变形无法发生, 脆性破坏结果是钢材晶格间被拉断。发生的机会较多, 因此非常危险。在处于韧性状态的材料中.裂纹的扩展必须有外力做功, 如果外力停止做功, 裂纹也就停止扩展。在处于脆性状态的材料中, 裂纹的扩展几乎不需要外力做功, 仅在裂纹起裂时, 从拉应力场中释放出的弹性能可驱动裂纹极为迅速的扩展。对于钢结构, 发生脆性破坏时, 已经注意到主要有以下一些共同的特征:1.残余应力的存在要在某些焊接部分引起三轴向拉力。2.所用钢材对含有大量非金属杂质很敏感。3.多数破坏发生在低温情况下。4.板厚度过大影响;应力集中的影响。5.焊接和钢材中冶金质量影响。6.脆性断裂在所有情况下都是突然发生的。

(四) 钢结构脆性断裂破坏的原因

历史上, 钢结构的非过载脆性破坏屡有发生。破坏时应力并未达到材料的抗拉强度, 甚至还低于屈服点。尤其是在焊接结构大量取代铆接结构的过程中, 脆断发生频率高, 其中不乏后果严重者。究其原因, 有如下一些:1.焊缝缺陷的存在, 使裂纹萌生的概率增大。2.焊接结构中数值可观的残余应力, 作为初应力场, 与荷载应力场的叠加可导致驱动开裂的不利应力组合。3.焊缝连接通常使得结构的刚度增大, 结构的变形, 包括塑性变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。4.焊缝连接使结构形成连续整体, 没有止裂的构造措施, 则可能一裂到底。5.对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。

除此之外, 对于大型复杂结构、工作条件恶劣 (如海洋工程) 的结构的认识不足等都是造成脆性破坏发生的因素。

(五) 防止钢结构脆性断裂破坏的措施

为了确保结构安全, 传统的强度计算是材料的屈服强度作为设计依据, 这种设计并不能避免结构脆性断裂, 因为传统设计不包含脆性强度概念, 没有考虑温度、钢板厚度, 三向应力状态等脆断的因素。随着近代工业的发展, 对防止工程结构脆性断裂, 合理选择材料外, 设计和制造起着重要作用。

1. 合理的选择材料。

首先, 要为承受动力荷载或低温下工作的钢结构选择合适的钢材, 使所用钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度 (注:使用的钢材脆性转变温度为-40℃, 那么当温度达到-40℃时。钢材脆性就报剧增加, 为了防止脆性破坏使用结构的工作温度就要高于-40℃, 如实际工作的最低温度为-30℃) 。例如选用镇静钢, 因为镇静钢锭组织细密、气泡少、化学成份均匀。不宜采用沸腾钢, 沸腾钢钢锭的组织不够致密, 气泡较多, 化学成分不均匀。用沸腾钢钢锭轧成的型钢或钢板中, 常会产生沿厚度方向的分层现象和偏析现象, 而在镇静钢中不但夹杂物较少, 使钢材发生低温玲脆含量甚微的氯也与脱氧剂硅或铝化合成为稳定的氯化物。但在沸腾钢中, 氯却以有害的不稳定的形式出现, 促使钢材易产生低温脆断。钢板的厚度, 尽量使用较薄的材料, 因为钢材愈薄, 轧压次数越多, 冶金缺陷越少, 发生脆性破坏可能性小。

2. 严格掌握焊接及加工工艺。

在修补处, 在手焊时更换焊条处, 时常由于工艺原因而带来新缺陷 (由于修补所用热量有限, 溶冶难, 且冷却过快, 材质会受到影响) 。在焊接中钢花飞溅或焊条在基材上打火, 都是错误的。树质都将变脆。接焊在施焊前要按要求加工成所需要的坡口并除锈, 以防止未焊逢和焊缝产生气泡现象, 若要在设计图中未曾规定设置, 临时附加连件之处设置附加连件, 必须得到原设计人员的同意。

3. 精心设计。

在工程中, 有不少的脆性破坏教训, 设计人员要打开思路, 研究不同的设计方案, 从中选优。如:可用焊后加工的方法来减少其焊接变形, 以满足设计要求, 也可以通过适当的施焊程序来减少焊接变形。对于施工工艺, 特别是对于焊接, 设计人员一定要熟悉。应该知道有不少焊接缺陷所产生, 主要在于施焊位置狭窄, 使施焊人员操作困难, 为了提高设计质量, 设计人员, 必须与施工相结合。

4. 需要注意的是。

不能在主要结构上任意焊接附加零件, 不能任意悬挂重物, 不能任意超负荷使用结构, 要注意检查维修, 及时油裱防锈, 避免任何撞击和机械损伤, 原设计在室温工作的结构, 在冬季停产检修时必须注意保暖。

参考文献

[1]王远清.钢结构脆性破坏事故分析[J].工业建筑, 1998, 28 (5) .

[2]赵伟大.钢结构节点脆性破坏[M].工程力学, 1999.

[3]王元清.钢结构在低温下脆性破坏的研究[J].低温建筑技术, 1998, (2) .

[4]孙昌茂.建筑钢结构的脆性破坏及防止[J].钢结构, 1999, (2) .

工程结构破坏篇4

地震造成房屋倒塌是我国农村地区的`主要震害和人员伤亡重大的直接原因.本文基于对甘肃省农村民房的调查结果,按不同结构对农村房屋进行了分类,分述了各种结构类型房屋的地震破坏机理.对今后农村房屋的改造与新建具有一定的借鉴意义.

作者：刘红玫林学文 LIU Hong-mei LIN Xue-wen 作者单位：刘红玫,LIU Hong-mei(中国地震局预测研究所兰州科技创新基地,甘肃,兰州,730000;中国地震局兰州地震研究所,甘肃,兰州,730000)

林学文,LIN Xue-wen(中国地震局兰州地震研究所,甘肃,兰州,730000)

焊接结构的脆性破坏机理与预防篇5

通过大量焊接结构脆断事故分析发现有下述一些现象和特点。

1.1 破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生, 一般都有断裂碎片散落在事故周围。

断口是脆性的平断口, 宏观外貌呈人字纹和晶粒状, 根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理性断裂。

1.2 脆断时, 裂纹传播速度极高, 当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时, 裂纹就停止扩展。

1.3 若模拟断裂时的温度, 在断口附近材料做韧性实验, 则发现其

韧性均很差, 对离断口较远材料进行力学性能复验, 其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。

2 焊接结构脆断的原因

2.1 影响金属材料脆断的主要因素

同一种金属材料由于受到外界因素的影响, 其断裂的性质会发生改变, 其中最主要的因素是温度、加载速度和应力改变, 而且这三者往往是共同起作用。

2.1.1 温度对材料断裂性质影响很大。

随着温度降低, 材料的屈服应力和断裂应力增加。而反映材料塑性的断面收缩率却随温度降低而降低。温度不仅对材料的拉伸性能有影响, 也对材料的冲击韧度、断裂韧度发生类似的影响。随着温度降低, 其韧性和韧度都下降。

2.1.2 应力状态的影响。

物体受外载时, 在不同截面上产生不同的正应力和切应力, 在主平面上作用有最大正应力, 与另一与之垂直的主平面上作用着的最小主应力与主平面成45°角的平面上作用着最大的切应力, 当最大切应力达到屈服强度后产生滑移, 表现为塑性变形。若先达到材料切断抗力, 则发生延性断裂。若最大拉正应力首先达到材料的正断抗力, 则发生脆性断裂。

2.2 影响结构脆断的设计因素

焊接结构是根据焊接工艺特点和使用要求而设计的。设计上, 有些不利因素是这类结构固有特点造成的。因而比其他结构更易于引起脆断。这些因素如下。

2.2.1 焊接连接是刚性连接。

焊接接头是通过焊缝把两母材熔合成连续的, 不可拆卸的整体, 两母材之间已没有任何相对松动的可能。结构一旦开裂, 裂纹很容易从一个构件穿越焊缝传播到另一构件, 断面扩展到结构整体, 造成整体断裂。

2.2.2 结构的整体性, 因而其刚性大。焊接结构这一特点, 导致对应力集中因素特别敏感。

2.2.3 构造设计上存在有不同程度的应力集中因素。

焊接接头中的搭接接头、T形接头和解接头, 本身就是结构上不连续部位。连接这些接头的角焊缝, 在焊趾和焊根处便是应力集中点。

2.2.4 结构细部设计不合理。尤其是细部设计考虑不周, 也会导致缺陷处或几何形状突变、就独联体和应变集中处开始的。

2.3 影响结构脆断的工艺因素

焊接结构在生产过程中一般要经历下料、冷 (或热) 成形、装配、焊接、矫形和焊后热处理等工序。金属材料经过这些工序其材质可能发生变化, 焊接可能产生缺陷, 焊后产生残余应力和变形等, 都对结构脆断有影响。

2.3.1 应变时效对结构脆断的影响。

许多低强度结构钢应变时效引起局部脆化非常严重, 它大大降低了材料延性, 提高了材料的脆性转变温度, 使材料的缺口韧性和断裂韧度值下降。热 (动) 应变时效对脆性的影响比作硬化后的应变时效更大, 即前者的脆性转变温度高于后者。

2.3.2 焊接接头非均质性的影响。

焊接接头中焊缝金属与母材之间有强度匹配问题, 以及焊接的快速加热与冷却, 使焊缝和热影响区发生金相组织变化问题。这种非均质性对结构脆断有影响。

1) 焊缝金属与母材性能不匹配。结构钢焊接在选择焊接填充金属时, 总是以母材强度为依据。由于焊材供应或焊接工艺需要等原因, 可能有三种不同强度匹配情况, 即焊缝金属强度略高于母材, 等于母材强度, 略低于母材强度的匹配。这三者只考虑了强度问题, 因而不够全面。通常强度特别高的钢材其延性和韧性相对较差。相反, 强度级别低的钢材其延性的韧性相对都较好。很难做到既等强度又等韧性的理想匹配。

2) 接头金相组织发生变化。焊接局部快速加热和冷却的特点, 使焊缝和热影响区发生一系列金相组织的变化, 因而相应地改变了接头部位的缺口韧性。

4) 焊接工艺缺陷的影响

焊接接头中易产生三种缺陷:平面缺陷、体积缺陷、成形不佳。这三类缺陷中以平面缺陷对结构断裂影响最为严重, 而平面缺陷中又以裂纹缺陷影响最甚。

平面缺陷中若裂纹位于高值拉应力区, 就更容易引起低应力破坏。体积缺陷也同样是削减工作截面而造成结构不连续, 也是产生应力集中的部位, 它对脆断的影响程度决定于缺陷的形态和所处位置。焊接角变形越大, 破坏应力也越低。

3 防止焊接结构脆性破坏的措施

材料在工作条件下韧性不足, 结构上存在严重应力集中和过大的拉应力是造成结构脆性破坏的主要因素。若能有效地解决其中一方面因素所存在的问题, 则发生脆断的可能性将显著减小。通常从选材、设计和制造三方面采取措施来防止结构的脆性破坏。

3.1 正确选用材料

所选钢材和焊接填充金属材料应保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。通常是从缺口韧性和断裂韧度两方面进行材料选定。

3.1.1 按缺口韧性试验选择材料。

对某一用途的钢材, 在什么温度下, 用什么冲击试样以及冲击值应达到多少才符合设计要求, 各国家和部门都有标准和规定。

3.1.2 按断裂韧度来选择材料。

当选择某一用途的结构材料时, 必须综合考虑强度和韧度两方面的要求。抗裂比大的材料, 容易因强度不够而失效, 这属于传统强度条件解决的问题。抗裂比小的材料, 则容易因断裂韧度不足而引起低应力的脆性断裂, 而使强度未得到充分发挥。所以选材最理想的情况是同时满足传统的强度条件和断裂力学断裂准则, 这样确定材料的屈服极限可达到最优的强度水平。

3.2 合理的结构设计

设计有脆断倾向的焊接结构, 应注意以下几个原则。

3.2.1 尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。

1) 应尽量采用应力集中系数小的对接接头, 避免采用搭接接头。2) 尽量避免断面有突变。3) 避免焊缝密集, 焊缝之间应保持一定的距离。4) 焊缝应布置在便于施焊和检验的部位, 以减少焊接缺陷。

3.2.2 减小结构刚度

在满足使用要求下, 尽量减小结构的刚度。刚度过大会引起对应力集中的敏感性和大的拘束应力。

3.2.3 避免过厚截面

不采用过厚的截面, 厚截面结构容易形成三向拉应力状态, 约束塑性变形, 而降低断裂韧性并提高脆性转变温度, 增加了脆断危险。

3.3 制造

有脆断倾向的焊接结构制造应注意以下几点

3.1对结构上任何焊缝都应看成是工作焊缝, 焊缝内外质量同样重要。

3.2在保证焊透的前提下减少焊接热输入, 或选择热输入量小的焊接方法。

3.3 充分考虑应变时效引起局部脆性的不利影响。尤其是结构上受拉边缘, 要注意加工硬化, 一般不用剪切而用气割或刨边机加工边缘。

3.4 减小或消除焊接残余内应力。

焊后热处理可消除焊接残余应力。同时也能消除冷作引起的应变时效和焊接引起的动应变时效的不利影响。

4 结束语

为防止重要焊接结构发生脆性破坏, 除采取上述措施外, 在制造过程中还要加强质量检查, 采用多种无损检测手段, 及时发现焊接缺陷。在使用过程中也应不间断地进行监控。发现不安全因素及时处理, 能修复的须及时修复。才能有效防止脆断事故的发生。

摘要：焊接结构应用以来, 曾发生过一些脆性断裂事故。这些事故无征兆, 是突然发生的。一般都有灾难后果, 所以必须予以高度重视。引起焊接结构脆断的原因是多方面的, 它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结构脆断是一个系统工程, 光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。

工程结构破坏篇6

框架结构由梁和柱组成, 平面布置灵活, 易于满足建筑物设置大房间的要求, 在工业与民用建筑中广泛应用。根据汶川地震震害调查, 楼梯作为建筑物竖向交通通道, 在地震中具有疏散和逃生功能, 但在强烈地震作用下, 楼梯破坏主要集中在框架结构和砌体结构, 通常是抗震的薄弱环节。如何结合GB50011-2010《建筑抗震设计规范》给出的指导思想, 在合理的结构设计中考虑区分不同的情况, 辩证地采用不同的设计思路, 形成系统的、合理完整的框架结构楼梯设计思路, 使楼梯成为“抗震安全通道”, 具有比框架主体结构更高的防灾能力, 是值得深入探讨的问题。

1 框架楼梯抗震设计中的不足

楼梯从结构角度讲是不规则结构, 其受力特点复杂, 容易出现应力集中现象;特别是在水平地震作用下, 由于楼梯板的“斜撑”作用, 楼梯形成的实际支撑对结构刚度的影响, 与结构整体刚度的大小有关, 对结构受力性能的影响更是相当复杂。从楼梯设计计算看:以前框架结构在楼梯设计时梯段梁或梯段板按受弯构件简化模型进行计算, 仅计算竖向荷载设计楼梯构件, 未将楼梯作为整体结构的一部分考虑。而在地震作用下, 梯段板与框架主体结构相连, 成为压弯或拉弯构件, 楼梯参与框架结构整体受力后, 结构的水平刚度增大, 结构自振周期减小, 势必造成总地震作用加大。平面布置方面:楼梯的扭转破坏主要出现于设置在建筑物尽端或拐角处, 由于其布置在两端或拐角处扭转应力比较大, 应力集中, 造成楼梯的整体性破坏 (见图1) 。

2 框架结构楼梯的主要震害

从震害现象表明, 楼梯间是框架结构抗震的薄弱环节, 主要表现在:梯段板、楼梯间角柱、梯柱、平台梁的破坏和填充墙等非结构构件的破坏等。

2.1 梯段板破坏

梯段板震害主要发生在楼梯施工缝 (梯段板1/3跨) 处和距离两端支座约1/4跨处位置, 表现为水平裂缝处混凝土酥碎, 梯段板面下挠, 甚至断裂 (见图2) 。分析原因有以下几点:

1) 在梯段板实际配筋计算时, 梯段板按单向板力学模型进行配筋计算, 上部负筋通常按照跨度的1/4长度布置, 当楼梯板在考虑地震作用时, 会出现失稳破坏 (压弯构件) , 提前退出受压工作, 只能受拉 (钢筋作用) 。当楼梯板因地震作用受拉时 (拉弯构件) , 由于楼梯板面筋经常是不贯通的, 故发现楼梯板在1/3附近出现裂缝 (即出现在面筋截断处以外) , 甚至钢筋拉断 (楼梯掉落) 。

2) 文献[1]阐述了由于设计的原因, 上下两层楼梯的自振频率可能略有不同, 会造成上、下梯板的水平位移出现差值, 有可能造成梯板断裂。

3) 由于施工原因, 施工缝一般留置在梯段板1/3跨处, 即楼梯踏步的上三步或下三步的位置, 施工时施工缝质量不好控制, 常存在夹渣, 新旧截面粘结力受到削弱, 降低结构的承载能力, 再加上当第二次再浇筑时, 新入模的混凝土自重及冲击力, 会使刚度较低的突出部分悬空局部压碎或产生裂缝, 形成隐形内伤, 反而不利于构件的质量控制。

2.2 楼梯间框架角柱的破坏

楼梯间角柱的破坏主要表现为柱跨中部位出现钢筋屈曲, 混凝土酥碎, 发生剪切破坏。分析原因, 主要是现有的板式楼梯休息平台是通过平台梁与框架柱相连, 使楼梯间框架角柱净高约为其他位置框架柱的一半, 易形成短柱, 楼梯间角柱将承受比其他位置框架柱更大的地震剪力, 致使大震下角柱跨中发生剪切屈曲破坏。

2.3 梯柱的破坏

大震中支撑休息平台和梯段板的梯柱, 出现梯柱柱头破损, 混凝土酥碎破坏。分析原因: (1) 支撑梯段板的梯柱是双向压弯、双向剪切构件, 向实际梯柱设计通常是按构造配筋, 截面尺寸为200 mm×200 mm或240 mm×240mm;未考虑实际地震产生弯矩和剪力; (2) 由于休息平台的约束, 易形成短柱。

2.3 楼梯平台梁、板的破坏

楼梯平台梁和平台板的破坏主要是在平台梁的两端和跨中出现混凝土保护层剥落、钢筋外鼓破坏。原因是梯梁 (平台梁) 在承受梯板传来的竖向力和水平力时, 地震时还要承受反复的地震作用, 由于梯段在框架中的“斜撑”作用的存在, 使平台梁、板在空间上承受弯矩、剪力和扭矩复合应力作用, 受力状态变为极为复杂, 导致楼梯平台梁在跨中发生剪扭破坏, 梁中钢筋过早屈服, 两端节点出现塑性铰 (见图3) 。

3 框架结构楼梯的抗震设计

楼梯在地震中具有疏散和逃生功能, GB50011-2010《建筑抗震设计规范》 (以下简称《设计规范》) 中提出建筑的抗震性能化设计问题, 确保达到大震下能具有安全避难通道的具体目标和性能要求。根据楼梯间作为“抗震安全通道”的要求, 使楼梯部位的破坏轻于框架体系的破坏, 应从系统的角度考虑楼梯的抗震设计问题。

3.1 楼梯抗震概念设计

“大震不倒”是三水准抗震设防的原则之一, 要求结构在出现高于本地区设防烈度约一度的大震水准下不发生倒塌, 其本质就是为了使人在大震下有足够的时间和空间逃生。由于地震具有复杂性, 因此首先需要通过概念抗震设计来间接实现“大震不倒”, 楼梯的抗震概念设计与计算设计同等重要。

3.1.1 框架结构楼梯间平面布置

楼梯在整个建筑中的平面位置应合理布局, 布置应尽量减小其造成的结构不规则, 应尽量与建筑刚度中心对称布置。应尽量避免楼梯布置在建筑的尽端或转角处, 或选择悬挑楼梯、错层楼梯、转角独立楼梯间等布置形式[2]。

3.1.2 非结构构件

《设计规范》中明确提出作为疏散通道的楼梯间墙体的抗震安全要求, 提高对生命的保护。在结构设计中增加了楼梯间的非承重墙体, 应与主体结构有可靠的连接或锚固, 避免地震时倒塌伤人, 要求楼梯间和通道的填充墙尚应采用钢丝网砂浆面层加强。

3.1.3 楼梯结构

包括楼梯间的围护墙必须考虑具有一定的防火能力, 参见GB50016-2006《建筑设计防火规范》。楼梯间应采用防烟楼梯, 梯段之间应采用耐火极限不低于2.00 h的不燃烧实体墙分隔, 楼梯间的首层可将走道和门厅等包括在楼梯间内, 形成扩大的封闭楼梯间, 但应采用乙级防火门等措施与其他走道和房间隔开, 解决上述问题需要设计和施工工程师们的共同努力。

3.2 楼梯的抗震设计

由于框架结构中楼梯梯板具有斜撑作用, 对结构的整体刚度有较明显的影响, 《设计规范》提出了根据楼梯对主体抗震性能的影响大小来决定是否参与整体计算的设计原则。因此, 楼梯可按“抗”和“放”两种设计思路考虑楼梯设计问题。

3.2.1 楼梯设计的“抗”

1) 宜选用现浇钢筋混凝土楼梯。楼梯构件与主体结构整浇时, 框架结构在地震作用下, 梯板的斜支撑作用应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响, 应对楼梯构件进行抗震承载力验算, 楼梯梁、柱的抗震等级可与所在的框架结构相同。

2) 支承楼梯段的横梁应考虑楼梯段引起的推力和扭矩作用, 设计时应按双向受弯扭构件并按框架梁的要求进行设计。平台板应采用双层双向配筋, 梯段板上部负筋沿板通长布置。

3) 避免形成短柱。楼梯间的框架柱由于休息平台板的约束可能形成短柱, 为了避免短柱剪切的破坏, 应满足《设计规范》的要求:剪跨比不大于2的柱、柱的净高与柱截面高度之比小于4的梯柱, 轴压比应降低, 箍筋应沿柱全长加密, 其体积配箍率不应小于1.2%, 宜采用复合螺旋箍或井字复合箍。

4) 抗震构造措施。

(1) 梯板纵向面筋拉通且不小于最小配筋率, 底、面纵筋均按充分考虑钢筋抗拉强度的要求锚固;双层钢筋网之间设置间距不小于6@600的拉筋;分布筋末端弯直钩伸至对边。

(2) 梯板按斜支撑构件设计。

3.2.2 楼梯设计的“放”

从抗震概念设计上来讲, “放”的思路要优越于“抗”的思路。原因: (1) 目前对于楼梯间的认识缺少准确的分析和试验, 仅凭震害观察和程序分析就做出这么大的修改, 需要慎重; (2) 从以前的设计分析来看, 考虑楼梯的作用后, 相关的构件会出现很大的变化, 设计人员很难接受; (3) 若“放”掉梯板的约束后, 明显会减轻梯板的斜撑作用, 计算结果也能够被设计人员接受。具体措施有以下两种:

1) 对楼梯敏感的结构体系应将楼梯单元作为一个子结构体系的概念加以分析和设计, 可不考虑抗震要求。在休息平台设4根梯柱 (无平台梁的折板楼梯设2根梯柱) , 休息平台与框架柱设缝脱离, 使其成为非抗侧力构件, 改善楼梯系统的受力状态, 尽量消除其对框架主体结构的不利影响按钢筋混凝土框架结构进行设计。

2) 对于现浇混凝土板式楼梯, 在楼梯梯段板与平台板或楼板连接处设置滑动支承的构造, 使梯段板在水平地震作用下, 不产生“斜撑”的受力状态, 只发生相对水平滑动, 不产生拉压变形, 楼梯板将由拉弯、压弯受力状态还原为受弯状态, 对结构整体的抗侧刚度影响也相应降低。采用滑动支座的力学分析模型 (见图4) , 楼梯设计简单。

图集11G101-2《现浇混凝土板式楼梯》给出了滑动支承的形式, 梯段上端与中间平台梁或楼 (屋) 面梁整体连接, 下端则简支于楼 (屋) 面梁或中间平台梁上, 且支承长度不小于踏步宽, 这样可消除梯段的地震轴力, 在强烈地震下仍可保持楼梯的整体性, 施工也相对简单[3]。

3) 抗震构造措施。 (1) 梯柱截面不小于墙厚x300, 混凝土标号不应低于C25, 纵筋不小于414, 箍筋不小于8@100;楼梯间框架柱配筋增大10%~20%, 箍筋全长加密; (2) 梯梁加强抗剪抗扭构造, 箍筋不小于8@150, 腰筋不小于N214; (3) 梯板纵向面筋拉通且不小于最小配筋率, 底、面纵筋均按充分考虑钢筋抗拉强度的要求锚固;双层钢筋网之间设置间距不小于6@600的拉筋;分布筋末端弯直钩伸至对边。

3.3 楼梯间填充墙构造

楼梯间填充墙宜优先采用轻质墙体, 砂浆强度等级不应低于M 5。墙顶与框架梁和楼板密切结合, 墙长大于5 m时, 墙顶与梁宜有拉结;墙长大于层高2倍时, 宜设置间距不大于4 m的钢筋混凝土构造柱;墙高超过4 m时, 墙体半层高处 (或门洞上皮) 宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。与柱之间应加强拉接, 采用砌体填充墙时, 应采取减少对主体结构的不利影响措施, 应沿框架柱全高每隔500 mm设26的通长钢筋;并应设置间距不大于层高且不大于4 m的钢筋混凝土构造柱并采用钢丝网砂浆面层加强[4]。

4 结束语

汶川地震灾害如此惨重, 并非仅是强震和结构设计上的问题, 还暴露出材料、施工质量优劣和施工方法等存在的缺陷。实践表明, 施工缝不可避免地对结构整体性造成隐患, 应改进和提高施工缝的施工质量, 提高施工缝界面上的粘结咬合力, 按照规范要求和大量工程实践的效果比较, 提出施工缝留设的位置, 减少安全隐患。楼梯的重要性不可言语, 抗震设计工作是一项系统工程, 期待工程师们在今后的设计中, 能从系统的角度重视框架结构楼梯的抗震设计问题, 保证这一求生之路能够真正成为“抗震安全通道”。[ID:000961]

参考文献

[1]张风亮.浅谈楼梯的抗震分析和设计分析[J].建筑结构, 2010, 40 (4) :135.

[2]吴应雄, 黄英.汶川地震灾害引发建筑结构设计的思考[J].福建建筑, 2008, 26 (10) :90-95.

[3]图集11G101-2现浇混凝土板式楼梯[K].39-41.

工程结构破坏篇7

关键词：网格结构,极限荷载,破坏原因

空间网架结构的平板网架是1940年在德国建造的。近二十余年来, 各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大, 目前, 尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别;结构形式丰富多彩, 采用了许多新材料和新技术, 发展了许多新的空间结构形式。

我国虽然尚是一个发展中国家, 但由于国大人多, 随着国力的不断增强, 要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛, 这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。随之而来的是如何解决网格结构极限荷载状态下, 网格结构破坏的动态过程和主要决定因素。以确定量化指标 (数据) , 而指导技术工作, 确保安全储备, 降低工程造价。达到精细化设计, 施工的国内先进水平。通过研究找出网格结构极限荷载作用下破坏的主要因素, 确定出相关构件, 部位, 形态, 破坏方式等, 以供设计工作者及生产单位在设计及生产过程中加以强化规避, 从而确保网格结构工程质量安全可靠。主要技术内容方向较少有针对网格结构单向构件极限破坏分析, 应对网格工程精细化设计, 施工, 降低工程成本, 确保结构安全度具有深远现实意义及历史意义。

1 网格结构极限荷载下的破坏研究主要内容

根据空间网架结构, 在规定跨度下, 规定网格, 规定矢高, 规定支座约束及相对应的各种荷载作用下, 《MSGS空间网格结构分析设计软件》进行各种数量级的大量计算, 首先建立网架结构模型, 并对各种构件进行统计分析, .网格结构极限荷载下的破坏, 拟解决易发生破坏的配件规格质量, 破坏点位置及关键部位, 动态状况等。从中找出各种结构构件的规格数量的变化, 同各种外部条件变化的关系。通过数学模型的统计计算, 从中得出极限状态荷载破坏条件下下的计算参数。

2 网格结构极限荷载下的破坏解决问题

2.1 网格结构极限荷载下的破坏, 拟解决易发生破坏的配件规格质量, 破坏点位置及关键部位, 动态状况等。

2.2 通过计算解决极限荷载状态下, 网格结构破坏的动态过程和主要决定因素。以确定量化指标 (数据) , 而指导技术工作, 确保安全储备, 降低工程造价。达到精细化设计。

3 采取的研究方法

3.1 确定网格结构尺寸范围 (跨度, 矢高, 长度, 节点类型) 。

3.2 通过《MSGS空间网格结构分析设计程序》计算确定结构模型。

3.3 通过多个梯次加荷载计算分析网格结构挠度变化趋势, 结构配件规格变化动态趋势及结构模型内力变化情况。

3.4 通过数据统计找出变化规律。

3.5 初步确定结果。

3.6 根据结果进行网架实际模型设计设计, 出图。

3.7 加工制作, 拼装成型。

3.8 分级加荷测量。

3.9 对结果进行整理分析。

3.1 0 总结得出结论。

4 网格结构极限荷载下的破坏研究过程

建立结构受力模型, 结构模型所覆盖的研究范畴。拟采用中国建筑科学研究院开发的《MSGS空间网格结构分析设计程序》2013板软件进行建模, 计算分析。设计网架图纸, 根据图纸制作网架结构构件, 并进行组装形成模型, 然后逐级加载, 实验分析。选择最具代表性的网架结构方案、建立模型 (网架实体) 进行实际加荷实验并记录进行分析验证。

5 结论

根据一定跨度下的相同网格尺寸, 不同网架矢高, 相同支座约束及不同荷载作用下的计算机辅助设计, 从而得到相应数据, 以达到解决极限荷载状态下, 网格结构破坏的动态过程和主要决定因素。以确定量化指标 (数据) , 而指导技术工作, 确保安全储备, 降低工程造价。达到精细化设计, 施工的国内先进水平。

国内近几年刚刚有一些设计和施工单位因看到其前景广阔, 开始投入资金和人力加以研发。其结论的潜在用户是全国各工业与民用设计单位及钢网架结构生产施工单位、建设单位、建设监理单位及咨询单位亦可作为项目可行性研究的投资计算依据, 亦可促进大跨网架结构方案的科学性、合理性、适用性。

参考文献

[1]韩庆华, 裴波, 王成博, 刘兴业.预应力组合网架结构的自振特性分析及现场测试[J].地震工程与工程振动, 2004, 2.

[2]卢伟煌.莆田体育场大悬挑网架结构方案的研究[J].福建建筑, 2004, 5.

[3]李锦彬, 陈灏沆, 李浩.考虑支座高差的网架挠度检测计算方法分析[J].广东土木与建筑, 2000, 5.

[4]王琦.海丰鞋厂80m×80m网架屋盖设计[J].广东土木与建筑, 2001, 4.

[5]张勇, 梁隐之.某大型教学楼屋面网架结构设计[J].广东土木与建筑, 2003, 11.

[6]孙云.预应力加固钢结构的理论分析与设计计算研究[D].南京:东南大学, 2004.

[7]顾德敏, 王爱国.某游泳跳水馆钢屋盖结构自振特性和风振动力响应分析[J].钢结构, 2002, 5.

工程结构破坏篇8

关键词：输电铁塔,冰雪荷载,倒塌,破环原因

2008年初,我国南方大部分省区遭遇了罕见的雪灾,据相关部门1月31日发布的灾情信息,此次雪灾造成湖南、湖北、贵州、安徽等19省区3287.9万人受灾,农作物受灾面积7270.8×103hm2,倒塌房屋22.3万间,损坏房屋86.2万间,因灾直接经济损失537.9亿元。雪灾期间,全国有13个省电力运行受影响,电缆断线2.7万条,输电塔也受到不同程度的破坏,变电站停止运作共1,497座。输电塔结构的覆冰已经对电力系统的安全稳定运行造成了严重的危害,有必要对输电塔结构的覆冰破坏进行理论分析。

1 输电塔的结构形式

高压输电塔设施主要采用钢铁结构(薄壁钢杆),结构形式多为空间桁架,其特点是高跨比较大,以水平荷载作用为主。三面、四面或多面平面桁架组成的空间钢桁架桁架杆件只受轴向力,应力分布均匀,材料强度得到充分利用。理想桁架杆件都是二力杆,其内力只有轴力,而没有弯矩和剪力,截面应力分布均匀。这一受力特点反映了实际桁架结构的主要工作形态,轴力为桁架的主内力。实际桁架中由于各杆轴线不一定准确交于结点上,结点也并非理想铰结等原因,还同时存在微小的附加弯矩和剪力对轴力的影响,这种影响是次要的(因结点刚性及桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而异,一般在5%~0.1%),内力增量称为次内力。在此种情况下,几乎不会出现倒塌现象。

2 输电塔线路的覆冰原因和条件

覆冰,是一种分布相当广泛的自然现象。但对于运行的输电线路来说,则是一场自然灾害,经常引起输电线路倒杆、倒塔、断线和绝缘子闪络等重大事故,给电网安全运行带来严重的危害。导线覆冰是一个复杂的过程,覆冰量与导线半径、过冷水滴直径有关,还与含风量、风速、风向、气温及覆冰时间等因素有关)。

输电线路的覆冰,是由于潮湿的雾气和雨雪,经过一定的温度和风速,覆着在铁塔和导线上的雾凇或雪凇现象。一般产生的气象条件是0℃以下,特别是在-4℃~-5℃时左右最容易出现覆冰。导线覆冰之所以成为圆形或椭圆形,是因为导线受风一侧结了一定的覆冰后,由于重心变化,导线向背风一侧翻转,等翻转过来的一侧结了一定的覆冰后,又向背风一侧翻转,如此循环往复而形成。我国南方大部分地区冬季气温较高,空气潮湿,下雪后,雪落到地面先化成水,水又冻成冰,冰上又下雪,所以这次南方雪灾地区输电线路和高压电铁塔上都结着厚厚的冰。

3 输电塔结构的破环原因分析

输电线路设计时导线覆冰荷载大多按10mm冰厚计算。湖南地区覆冰严重,其不同地域取15mm、20mm甚至更大的厚度。但今年冰冻雨雪天气引起的导线覆冰厚度,已远远超出此设计取值。超过设计标准的覆冰荷载使铁塔破坏和倒塌,在具体作用方式上又有所不同,可以大致分为将铁塔压坏、拉坏、扭坏、屈曲失稳破坏以及拉扭共同破坏等几种形式。

3.1 覆冰将铁塔压坏

主要是由于导地线、铁塔等的自重加上覆在其上的冰层的重量后,超过铁塔的实际承压能力,铁塔的主材或斜材发生受压屈曲破坏,导致整个铁塔破坏、坍塌。这类破坏,在铁塔两侧导线的覆冰垂直荷载大致相当。从调研和统计资料看,由于覆冰而被直接压倒的铁塔较少。

3.2 覆冰将铁塔拉坏

主要是由于铁塔两侧的导线,因不均匀覆冰而产生纵向不平衡张力。当覆冰累积到一定体积和重量之后,输电导线的重量倍增,超过导线、金具、绝缘子及杆塔的机械强度,使导线从压接管内抽出,或外层铝股全断、钢芯抽出。这种破坏大多发生在导线还没有因覆冰过载而出现断裂、掉落等情况下。正常情况下的铁塔,其两侧的导线张力基本保持平衡。但在铁塔两侧导线不均匀覆冰的情况下,这一受力平衡状态被破坏,铁塔两侧产生张力差,铁塔会向张力大的一侧发生倾斜、弯曲。在超过一定允许值后,铁塔杆件发生拉、压破坏,导致铁塔折断、倒塌。由于导线不均匀覆冰导致的铁塔破坏,主要发生在铁塔两侧档距较大或两侧高差相差较大的地方。这些地方由于地形地貌的特殊性,线路设计时铁塔两侧档距或高差相差较大不可避免,为导线不均匀覆冰及纵向不平衡张力的产生创造了客观条件。同时也由于地势原因,在冰雪融化时更容易出现不同时融冰的现象,加剧铁塔两侧纵向张力的不平衡。从调研和统计资料看,此次冰灾90%左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及不均匀脱冰产生的纵向不平衡张力造成的。

3.3 覆冰将铁塔扭坏

主要是由于铁塔一侧的导地线断线破坏等产生断线冲击荷载和过大的纵向不平衡张力。在超过设计承受能力的冰荷载的作用下,会发生导地线断线、金具脱落、绝缘子断裂等。这些破坏会造成铁塔一侧的某根(相)导线或地线的张力突然被释放,对铁塔施加动力冲击荷载。同时,两侧不平衡的导地线张力对塔身产生扭转力矩。动力与静力的共同作用极易造成铁塔横担破坏、脱落,进而引起倒塔,或直接破坏主材造成倒塔。从调研和统计资料看,此次冰灾由于断线冲击导致的倒塔不在少数,并且大多发生在横担较宽的双回路铁塔上。

3.4 覆冰杆件屈曲失稳破坏

主要是输电塔塔身的杆件结构在严重的裹冰荷载作用下,使原来只受轴向力的斜向杆件同时受到杆身冰雪荷载不可忽视的重力荷载作用。此时,杆件除受轴向力外,仍受到杆件冰雪荷载作用下的重力荷载,杆件转化成受拉、压、弯组合构件。由于杆件设计时是忽略杆件自身的重力荷载的,其抗弯刚度也就不在考虑范围之内,一旦杆件受到严重冰雪荷载作用,就很容易因抗弯刚度不足而发生屈曲破坏,部分杆件的破坏。直接导致其他杆件的失稳,致使塔身发生扭曲倒塌。

3.5 造成倒塔还有一个原因,就是导线舞动

舞动是导线在覆冰初期由于冰形的不规则在风力的作用下而产生的大幅上下翻飞振荡。由于振动幅值大,加之持续时间较长,使得铁塔承受很大的往复拉、压和扭力,因而容易造成铁塔联结螺栓松脱、构件疲劳失效等,直接引起倒塔。一些铁塔在导线舞动的作用下尽管没有直接倒塔,但已产生损伤,在不断加厚的冰荷载的作用下更易发生倒塌。此次冰灾由舞动引起的倒塔数量较少。

4 减少覆冰危害的基本方法

1)要减轻导线覆冰带来的危害,在新建线路时,首先要充分掌握该地区的冰雪情,并仔细研究输电走廊的微气候、微地形,尽量避开重冰区;无法避开时,应在重冰区采取抗冰设计。为加强已有线路的抗冰害能力,应视具体情况区别对待,可增大爬电距离,改善绝缘子伞裙结构,增加铁塔承重能力,在绝缘子表面涂憎水涂料以及对杆塔横担和绝缘子进行清扫,这些都是解决覆冰绝缘子冰闪的有效方法。

2)随着电网的升级,我国即将建设的1000k V交流、±800k V直流特高压输电线路工程,特高压输电塔在荷载上远大于现有输电塔,对输电塔的结构设计、钢材强度提出了更高的要求。为了使输电塔经济合理,钢材强度就必须大幅提高,需要使用Q390、Q420、Q460等高强度钢材。以此来增加输电塔杆件的抗拉压强度。

3)输电塔连接方式常采用焊接连接和螺栓连接。在螺栓连接方面,目前主要采用5.8级、6.8级强度较低的螺栓。随着输电塔的规模扩大,构件受力越来越大,单靠增加螺栓数量的办法,很不经济合理,因此,输电塔上使用高强度螺栓十分必要。国外输电塔上已经使用了9.9级高强度螺栓。我国输电塔在使用8.8级、10.9级螺栓也作了一些尝试,但热镀锌后质量很不稳定,在施工过程中就发现氢脆破坏现象,那么在覆冰荷载作用下,就更容易被破坏。因此,高强度螺栓在输电塔上没有广泛使用。

4)设计时适当考虑杆件的受弯作用,增强杆件的抗弯刚度,尽量避免不可预测的其他作用。

参考文献

浅谈钢结构厂房的损伤和破坏篇9

1 钢结构厂房损伤和破坏的特点及规律

钢结构事故往往是由于自身存在缺陷并在其他因素作用下发展起来的。根据前苏联的统计,钢结构在设计、施工和使用各个阶段都会存在问题(见表1)。建造阶段的风险多来自设计、施工的失误和疏忽;正常使用阶段的风险主要来自非正常的外界活动;老化阶段的风险主要来自各种损伤的积累和正常抗力的消失。

从表2可以看出,钢结构的冷脆、疲劳、失稳、连接破坏所占比例较大。钢结构的连接方式有三种:焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接,其中焊缝连接是最主要的连接方式。由于受材料性质、焊接工艺等因素影响焊接钢结构不可避免的存在各种缺陷,加上使用阶段的不利作用(如超载、动载等),焊缝连接成为最易出现缺陷和事故的连接形式,而在焊接钢结构的事故中,脆性破坏占到了75%以上。表3列举了焊接钢结构脆性破坏的情况,应指出每个脆性破坏的实例都是由多个因素共同作用的结果。

2 钢结构厂房损伤和破坏的类型

按照破坏形式,钢结构破坏类型包括以下几类:

1)钢结构承载力和刚度的失效。承载力失效是指在正常使用条件下结构构件或连接因材料强度被超过而导致破坏,如钢材强度指标不合格、连接强度不满足等。刚度失效主要指结构构件产生影响其继续承载或正常使用的塑性变形或振动,结构或构件的设计刚度不足或结构支撑体系不够为刚度失效产生的主要原因。

2)钢结构的失稳。钢结构失稳包括整体失稳和局部失稳,主要发生在轴心受压构件、压弯构件和受弯构件。两类失稳形式都将影响结构的正常承载和使用或引发结构的其他形式破坏,影响结构构件整体稳定性的因素有设计原因、构件的初始缺陷、受力条件的改变,影响结构构件局部失稳的因素有构件局部稳定性不满足、局部受力部位加劲肋构造措施不合理等。

3)钢结构的疲劳。对存在中、重级工作制吊车的工业厂房,经常承受动力荷载的吊车梁系统,在工作期限内所经历的循环次数和实际循环应力特征超过设计采用的参数时,就很有可能发生疲劳破坏。

4)钢结构的脆性断裂。该种破坏是极限状态中最危险的破坏形式,突然发生且破坏时的应力很低。构件所用钢材抗脆断性能较差、加工制作产生影响结构局部塑性、韧性限制其塑性变形的缺陷、应力集中、较厚钢板的三相受拉应力状态、低温和动载等因素都易造成结构构件脆性断裂。

5)钢结构的腐蚀。钢材与环境介质之间发生化学、电化学或物理作用,引起材料的变质和破坏。钢材所处的环境不同,腐蚀情况也不同,当受到化学或电化学侵蚀时,钢材表面生成非金属性的物质,使断面产生缺损。建筑物中钢材的腐蚀主要是由于水和氧气的作用发生典型的淡水腐蚀和大气腐蚀,使结构构件截面削弱,可靠性降低。

同时,钢结构的各种破坏形式又是相互联系和相互影响的,在一个事故中可能发生多种破坏形式,而且导致各种破坏形式的原因也具有一定的共性。

3 钢结构厂房损伤和破坏的原因

结构构件在各个阶段都可能发生损伤和破坏,产生的原因如下:

建造阶段包括设计、制作、安装三部分[2]。在结构设计时,由于设计人员缺乏工程背景和经验,过分依赖计算机,片面追求低用钢量、低造价,使结构设计时常出现以下问题:

1)结构选型和设计方案不合理;2)荷载取值与实际受力情况不符;3)计算简图不当,结构计算错误;4)材料选用不妥,节点构造不合理;5)对施工阶段、使用阶段的特殊要求欠考虑。

在钢结构制作阶段,制作工艺不良,设备落后,不按照图纸制作或制作尺寸偏差过大,不能严格遵守施工验收规范和操作规程的相关规定,制造后的钢结构构件存在原始缺陷、初始应力变形。

在安装阶段,安装顺序及工艺不当,吊装、定位、校正方法不正确,现场焊接或螺栓连接施工质量达不到设计要求,防火、防腐蚀做法不合格,以上诸原因都使钢结构在使用前就存在不足,结构的可靠性不能满足正常设计、施工。

在正常使用阶段,过大的地基下沉、超载、结构构件损伤、火灾、使用环境恶劣以及生产条件变化等原因都造成结构承载力降低、耐久性下降,结构的可靠性降低。钢结构老化阶段,各种缺陷和损伤日积月累,其可靠性严重降低,该阶段钢结构事故出现的可能性很大。

由于技术和人为的原因,构件中常会有影响结构正常使用以及承载力、耐久性、完整性的种种隐藏和显露不足的缺陷存在,缺陷类型有先天性缺陷、加工制作缺陷、连接缺陷以及运输、安装和维护中的缺陷。