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腐蝕引起的某鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架坍塌事故分析
發(fā)布日期：2020-04-28 09:12:39 瀏覽量：1784摘 要
2013年8月某一天中午，某機修車間屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在沒有任何征兆和外力影響的情況下突然坍塌，所幸未造成人員傷亡，事故發(fā)生后甲方組織鑒定機構(gòu)對網(wǎng)架的坍塌原因進行深入分析。
本文以此事故網(wǎng)架為研究背景，對坍塌后的網(wǎng)架桿件、空心球及連接節(jié)點的進行全面的檢測和試驗，從該網(wǎng)架的設(shè)計模型、使用三十年后的鋼材材性和銹蝕程度進行分析，找出該網(wǎng)架坍塌的原因。
工程概況
該機修車間建于1982年，至坍塌時已使用三十多年。車間主體承重結(jié)構(gòu)形式為排架結(jié)構(gòu)，上部采用焊接空心球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架形式為正放四角錐，材質(zhì)為A3鋼（Q235），屋面為混凝土屋面板。使用多年來由于缺乏有效的維護，網(wǎng)架桿件和節(jié)點出現(xiàn)了明顯的銹蝕。該車間結(jié)構(gòu)平面布置如圖1。
圖1 車間結(jié)構(gòu)平面布置圖
事故現(xiàn)場及原因分析
圖2 局部塌落現(xiàn)狀
圖3 事故現(xiàn)場
通過現(xiàn)場查看，該網(wǎng)架在使用過程中，缺乏合理的維護，網(wǎng)架桿件、節(jié)點和支座處有明顯的銹蝕。存在以下幾個問題：
1、網(wǎng)架表面銹蝕較普遍，支座節(jié)點處銹蝕尤為明顯，周邊區(qū)域較跨中嚴重。
2、支座連接處未設(shè)加勁板，導(dǎo)致管球節(jié)點應(yīng)力過大，對焊接球造成了破壞。
3、節(jié)點處部分焊縫尺寸偏大，且有焊瘤、咬肉、夾渣等現(xiàn)象。
4、桿件截面尺寸不符合《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010中5.1.4條鋼管不宜小于Φ48×3的規(guī)定，部分桿件采用Φ42×3.5、Φ45×5。
5、原設(shè)計中焊接球直徑偏小，依據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010規(guī)定，球面上相鄰桿件的凈距不宜小于10mm。網(wǎng)架中部分節(jié)點相鄰桿件焊縫間隙過小，甚至出現(xiàn)疊夾，影響焊縫質(zhì)量。
網(wǎng)架腐蝕狀況
網(wǎng)架桿件在使用三十多年后，由于腐蝕的原因，鋼材的截面尺寸及力學(xué)性能都受到一定的影響。為了能準確地反映網(wǎng)架的腐蝕情況，對坍塌現(xiàn)場的桿件和管球節(jié)點進行實驗室檢測。
首先將采集回來的構(gòu)件進行編號，根據(jù)構(gòu)件狀況和腐蝕程度確定構(gòu)件所處在的網(wǎng)架位置，按照構(gòu)件上桿件位置進行編號。
對構(gòu)件進行打磨除漆除銹。將桿件從桿件端頭至節(jié)點焊縫均分五處，每處在桿件上下各打磨一塊。打磨后構(gòu)件見圖4。打磨完成后，采用TIME2430超聲波測厚儀測量桿件的厚度，得出桿件平均腐蝕程度見表1。
圖4 節(jié)點GJ-4
圖5 管球節(jié)點試件拉拔試驗
表1 桿件腐蝕程度
通過對網(wǎng)架各桿件的壁厚測量，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架在使用三十年過程中的腐蝕規(guī)律。
桿件上部存在積灰腐蝕。積灰腐蝕是大氣腐蝕的一種，隨著環(huán)境的不同，大氣中的塵埃也具有不同的性質(zhì)，主要表現(xiàn)在其溶解性和腐蝕性上。當塵埃落于鋼結(jié)構(gòu)表面時，塵埃與鋼結(jié)構(gòu)之間的縫隙有利于水分的凝結(jié)。另外，有些無腐蝕性的塵埃可以吸附腐蝕性物質(zhì)，當其溶于水膜時便帶入了腐蝕性物質(zhì)。有腐蝕性的塵埃溶于水膜后會參與腐蝕反應(yīng)。尤其值得我們注意的是，當鋼結(jié)構(gòu)局部落有塵埃時，很有可能出現(xiàn)局部腐蝕，在局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中[1]。
桿件下部腐蝕速度比上端更快。從外觀上發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架桿件上部銹蝕程度較慢，而桿件下端腐蝕較上端嚴重。通過對事故網(wǎng)架桿件壁厚測量，大部分桿件厚度都是上部比下部大。當建筑屋面漏水時，弦桿下部容易懸掛水滴，在常年使用過程中腐蝕速度高于其他無水滴的部分，造成了桿件的下部腐蝕影響較為嚴重。
所有構(gòu)件中，節(jié)點焊縫處本身處于最容易積水的位置腐蝕最為嚴重。焊縫附近不均勻腐蝕桿件表面會出現(xiàn)蝕坑、腐蝕縫隙、結(jié)構(gòu)形狀的彎曲或不連續(xù)等，再加之焊縫附近由于焊接過程中出現(xiàn)的缺陷，焊縫附近常常出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，節(jié)點被過早的破壞。
鋼材性能分析
為了全面深入分析網(wǎng)架坍塌原因，從網(wǎng)架鋼材的化學(xué)成分、力學(xué)性能和網(wǎng)架構(gòu)件承載力三個方面進行了試驗分析。本次取樣分析的鋼管類型和分析結(jié)果見表2。
表2 鋼材化學(xué)成分
依據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T700-2006）中的相關(guān)規(guī)定,Φ63.5×5、Φ43×3.5、Φ108×5這三種類型的桿件鋼材化學(xué)成分都在規(guī)范標準要求之內(nèi)，而Φ89×5 中C的含量超過規(guī)范標準。鋼材中含碳量超標會提高鋼材強度，但會降低其塑性和韌性，同時鋼材的可焊性、抗銹蝕能力、疲勞強度和冷彎性能會明顯下降[2]。
通過對標準試件和網(wǎng)架桿件的力學(xué)性能試驗得出，桿件在經(jīng)過三十年的使用和銹蝕后，鋼材彈性減弱塑性增強，塑性屈服點提高且沒有明顯屈服平臺，使鋼材出現(xiàn)脆性破壞的可能性增大。依據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700-2006的相關(guān)規(guī)定，部分鋼材伸長率未達到規(guī)范標準，試驗結(jié)果見表3。
表3 鋼材標準試件試驗結(jié)果
網(wǎng)架在使用中，由于受到腐蝕的影響，其整體承載力下降。大量事故現(xiàn)場照片顯示網(wǎng)架破壞出現(xiàn)在節(jié)點附近。為此，從采集回來的構(gòu)件中選擇外形規(guī)范、焊縫質(zhì)量良好的節(jié)點作為試件進行試驗，其管球節(jié)點質(zhì)量符合《鋼網(wǎng)架焊接球節(jié)點》（JGJ/T 11-2009）的相關(guān)規(guī)定。通過試驗測得的應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)據(jù)，可得彈性模量E見表4。
表4 管球試件彈性模量值
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)驗算
1-模型參數(shù)
以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)以及甲方所提供部分圖紙為依據(jù)進行建模分析，參數(shù)如下：
1）事故網(wǎng)架為焊接空心球網(wǎng)架，網(wǎng)架選型為正放四角錐。網(wǎng)架尺寸為60000mm×24000mm，網(wǎng)格尺寸為
2000mm×2000mm，網(wǎng)架高度2000mm。網(wǎng)架采用下弦支撐，支座為固定支座，位于柱頂。不考慮溫度對網(wǎng)架的影響，場地類別為3類。
2）由于事故發(fā)生時，沒有大風(fēng)和地震的狀況發(fā)生，分析時不考慮風(fēng)荷載和地震荷載作用。
2-荷載參數(shù)
1）屋面恒荷載（混凝土屋面板）：3.0 kN/m2
2）屋面活荷載（非上人屋面）：0.50 kN/m2
3-荷載組合
1）基本組合1：1.2×恒載
2）基本組合2：1.2×恒載+1.4×活載
4-支座約束
《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》和《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中強調(diào)了計算模型必須與實際結(jié)構(gòu)相符。即在任意水平和豎向荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)計算所假定的邊界條件與支座節(jié)點的構(gòu)造和設(shè)置必須相符，并保證結(jié)構(gòu)的幾何不變性。
該網(wǎng)架支座為固定支座，但須考慮在承受荷載狀態(tài)下混凝土柱的位移變化。柱子線性剛度經(jīng)計算：Kx=0.817kN/mm
Ky=0.2667kN/mm
Kz=777777.77kN/mm
5-驗算結(jié)果
利用MST軟件，對坍塌網(wǎng)架按照原圖紙和現(xiàn)場檢測情況進行承載力計算復(fù)合，依據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）的規(guī)定，原網(wǎng)架桿件全部滿足計算要求, 網(wǎng)架中有部分桿件應(yīng)力偏大。整體節(jié)點位移最大處為52.6mm，符合設(shè)計規(guī)范。原設(shè)計焊接球經(jīng)驗算承壓不滿足的有12個，焊接球鋼管間隙不夠的有68個。其中焊接球鋼管間隙不夠的節(jié)點全部位于上弦邊跨，承壓不滿足的焊接球位于網(wǎng)架長跨方向中間支座處。
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)失效分析
6.1由桿件承載力不足引起的結(jié)構(gòu)失效分析
焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)失效反映在桿件的變形和斷裂，隨著腐蝕的日趨嚴重，桿件有效截面減小，加之局部腐蝕帶來的應(yīng)力集中都對桿件的破壞帶來了加速效果。整體檢測發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)架在邊跨附近的弦桿腐蝕最為嚴重，最嚴重的部分桿件厚度僅為原管件厚度的68%，見表5。根據(jù)事故網(wǎng)架構(gòu)件的試驗數(shù)據(jù)，采用MST軟件對網(wǎng)架模型重新驗算。在網(wǎng)架計算條件不變的情況下，驗算后網(wǎng)架超應(yīng)力桿件中最大應(yīng)力比為1.83，已經(jīng)達到了破壞應(yīng)力范圍。由圖6可以看出，事故網(wǎng)架的破壞起點是從網(wǎng)架中間跨支座附近的下弦桿開始的。
在桿件失效后，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力重新分布，對已產(chǎn)生桿件破壞的網(wǎng)架進行驗算，驗算后發(fā)現(xiàn)已破壞桿件的相鄰桿件應(yīng)力迅速增大，被破壞桿件兩側(cè)的桿件應(yīng)力超限嚴重。伴隨著超應(yīng)力桿件不斷增加，大量桿件被破壞。部分腐蝕不嚴重的桿件在不斷失穩(wěn)的過程中也被破壞，最終導(dǎo)致網(wǎng)架坍塌。
表5 桿件超應(yīng)力信息
表6 承壓不足焊接球信息
圖6 桿件最大應(yīng)力比位置示意圖
6.2 由球節(jié)點承載力不足引起的結(jié)構(gòu)失效分析
事故網(wǎng)架存在設(shè)計缺陷，在還原的網(wǎng)架模型中存在承壓不足的焊接球12個及桿件間隙不足的焊接球68個。
依據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）中5.2.2條，對網(wǎng)架焊接球節(jié)點受力能力進行驗算。原設(shè)計模型承壓不足焊接球信息見表6。
事故網(wǎng)架經(jīng)過三十多年的使用后，焊接球出現(xiàn)了不同程度腐蝕，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，其腐蝕情況見表7。
表7 焊接球壁厚測量數(shù)據(jù)
可以看出，隨著腐蝕的加深，原設(shè)計中承載力不足的焊接球首先被破壞。當部分焊接球被破壞后，網(wǎng)架整體受力重分布，對網(wǎng)架整體再進行驗算，驗算后發(fā)現(xiàn)已破壞的焊接球兩側(cè)腹桿承載力迅速增大，承載力不足腹桿桿件信息見表8。
表8 桿件超應(yīng)力信息
伴隨著腹桿承載力不足被破壞后的網(wǎng)架內(nèi)力分配不斷改變和增加，腹桿被破壞后的網(wǎng)架超應(yīng)力桿件瞬間增多，最終導(dǎo)致網(wǎng)架坍塌。
結(jié)語
本文以某機修車間焊接球網(wǎng)架坍塌事故為例。對事故網(wǎng)架從鋼材性能到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定做了大量的試驗和驗算，得出以下結(jié)論：
（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受腐蝕作用影響，桿件有效截面減小，通過構(gòu)件測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)桿件在經(jīng)過三十多年的腐蝕后平均截面比原截面減少數(shù)值上弦桿為72%，下弦桿為74%，腹桿為79%，焊接球為0.56%。
（2）根據(jù)管球節(jié)點在拉伸試驗過程中所得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鋼材彈性模量有不同程度的降低，E的平均數(shù)值為2.009016*105 Mpa。
（3）利用MST軟件，對網(wǎng)架受到腐蝕影響情況下，桿件出現(xiàn)破壞導(dǎo)致網(wǎng)架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的過程進行模擬分析，得出網(wǎng)架的破壞起始桿件為網(wǎng)架跨中靠近支座部位的桿件。
鋼材的腐蝕現(xiàn)象一直困擾鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。本次研究對象在自然環(huán)境中的腐蝕情況和理論情況有一定差異。建議對網(wǎng)架腐蝕進行定期監(jiān)測，及時獲得腐蝕數(shù)據(jù)。另外，結(jié)構(gòu)維護的重要性還沒有得到充分的重視。應(yīng)建立機制，在使用過程中定期維護和觀察，將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。
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