腐蚀引起的某钢结构网架坍塌事故分析
发布日期：2020-04-28 09:12:39 浏览量：1755摘 要
2013年8月某一天中午，某机修车间屋面网架结构在没有任何征兆和外力影响的情况下突然坍塌，所幸未造成人员伤亡，事故发生后甲方组织鉴定机构对网架的坍塌原因进行深入分析。
本文以此事故网架为研究背景，对坍塌后的网架杆件、空心球及连接节点的进行全面的检测和试验，从该网架的设计模型、使用三十年后的钢材材性和锈蚀程度进行分析，找出该网架坍塌的原因。
工程概况
该机修车间建于1982年，至坍塌时已使用三十多年。车间主体承重结构形式为排架结构，上部采用焊接空心球网架结构，网架形式为正放四角锥，材质为A3钢（Q235），屋面为混凝土屋面板。使用多年来由于缺乏有效的维护，网架杆件和节点出现了明显的锈蚀。该车间结构平面布置如图1。
图1 车间结构平面布置图
事故现场及原因分析
图2 局部塌落现状
图3 事故现场
通过现场查看，该网架在使用过程中，缺乏合理的维护，网架杆件、节点和支座处有明显的锈蚀。存在以下几个问题：
1、网架表面锈蚀较普遍，支座节点处锈蚀尤为明显，周边区域较跨中严重。
2、支座连接处未设加劲板，导致管球节点应力过大，对焊接球造成了破坏。
3、节点处部分焊缝尺寸偏大，且有焊瘤、咬肉、夹渣等现象。
4、杆件截面尺寸不符合《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010中5.1.4条钢管不宜小于Φ48×3的规定，部分杆件采用Φ42×3.5、Φ45×5。
5、原设计中焊接球直径偏小，依据《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010规定，球面上相邻杆件的净距不宜小于10mm。网架中部分节点相邻杆件焊缝间隙过小，甚至出现叠夹，影响焊缝质量。
网架腐蚀状况
网架杆件在使用三十多年后，由于腐蚀的原因，钢材的截面尺寸及力学性能都受到一定的影响。为了能准确地反映网架的腐蚀情况，对坍塌现场的杆件和管球节点进行实验室检测。
首先将采集回来的构件进行编号，根据构件状况和腐蚀程度确定构件所处在的网架位置，按照构件上杆件位置进行编号。
对构件进行打磨除漆除锈。将杆件从杆件端头至节点焊缝均分五处，每处在杆件上下各打磨一块。打磨后构件见图4。打磨完成后，采用TIME2430超声波测厚仪测量杆件的厚度，得出杆件平均腐蚀程度见表1。
图4 节点GJ-4
图5 管球节点试件拉拔试验
表1 杆件腐蚀程度
通过对网架各杆件的壁厚测量，发现网架在使用三十年过程中的腐蚀规律。
杆件上部存在积灰腐蚀。积灰腐蚀是大气腐蚀的一种，随着环境的不同，大气中的尘埃也具有不同的性质，主要表现在其溶解性和腐蚀性上。当尘埃落于钢结构表面时，尘埃与钢结构之间的缝隙有利于水分的凝结。另外，有些无腐蚀性的尘埃可以吸附腐蚀性物质，当其溶于水膜时便带入了腐蚀性物质。有腐蚀性的尘埃溶于水膜后会参与腐蚀反应。尤其值得我们注意的是，当钢结构局部落有尘埃时，很有可能出现局部腐蚀，在局部区域出现应力集中[1]。
杆件下部腐蚀速度比上端更快。从外观上发现网架杆件上部锈蚀程度较慢，而杆件下端腐蚀较上端严重。通过对事故网架杆件壁厚测量，大部分杆件厚度都是上部比下部大。当建筑屋面漏水时，弦杆下部容易悬挂水滴，在常年使用过程中腐蚀速度高于其他无水滴的部分，造成了杆件的下部腐蚀影响较为严重。
所有构件中，节点焊缝处本身处于最容易积水的位置腐蚀最为严重。焊缝附近不均匀腐蚀杆件表面会出现蚀坑、腐蚀缝隙、结构形状的弯曲或不连续等，再加之焊缝附近由于焊接过程中出现的缺陷，焊缝附近常常出现应力集中现象，节点被过早的破坏。
钢材性能分析
为了全面深入分析网架坍塌原因，从网架钢材的化学成分、力学性能和网架构件承载力三个方面进行了试验分析。本次取样分析的钢管类型和分析结果见表2。
表2 钢材化学成分
依据《碳素结构钢》（GB/T700-2006）中的相关规定,Φ63.5×5、Φ43×3.5、Φ108×5这三种类型的杆件钢材化学成分都在规范标准要求之内，而Φ89×5 中C的含量超过规范标准。钢材中含碳量超标会提高钢材强度，但会降低其塑性和韧性，同时钢材的可焊性、抗锈蚀能力、疲劳强度和冷弯性能会明显下降[2]。
通过对标准试件和网架杆件的力学性能试验得出，杆件在经过三十年的使用和锈蚀后，钢材弹性减弱塑性增强，塑性屈服点提高且没有明显屈服平台，使钢材出现脆性破坏的可能性增大。依据《碳素结构钢》GB/T700-2006的相关规定，部分钢材伸长率未达到规范标准，试验结果见表3。
表3 钢材标准试件试验结果
网架在使用中，由于受到腐蚀的影响，其整体承载力下降。大量事故现场照片显示网架破坏出现在节点附近。为此，从采集回来的构件中选择外形规范、焊缝质量良好的节点作为试件进行试验，其管球节点质量符合《钢网架焊接球节点》（JGJ/T 11-2009）的相关规定。通过试验测得的应变和应力数据，可得弹性模量E见表4。
表4 管球试件弹性模量值
网架结构验算
1-模型参数
以现场实测数据以及甲方所提供部分图纸为依据进行建模分析，参数如下：
1）事故网架为焊接空心球网架，网架选型为正放四角锥。网架尺寸为60000mm×24000mm，网格尺寸为
2000mm×2000mm，网架高度2000mm。网架采用下弦支撑，支座为固定支座，位于柱顶。不考虑温度对网架的影响，场地类别为3类。
2）由于事故发生时，没有大风和地震的状况发生，分析时不考虑风荷载和地震荷载作用。
2-荷载参数
1）屋面恒荷载（混凝土屋面板）：3.0 kN/m2
2）屋面活荷载（非上人屋面）：0.50 kN/m2
3-荷载组合
1）基本组合1：1.2×恒载
2）基本组合2：1.2×恒载+1.4×活载
4-支座约束
《网架结构设计与施工规程》和《空间网格结构技术规程》中强调了计算模型必须与实际结构相符。即在任意水平和竖向荷载组合作用下，结构计算所假定的边界条件与支座节点的构造和设置必须相符，并保证结构的几何不变性。
该网架支座为固定支座，但须考虑在承受荷载状态下混凝土柱的位移变化。柱子线性刚度经计算：Kx=0.817kN/mm
Ky=0.2667kN/mm
Kz=777777.77kN/mm
5-验算结果
利用MST软件，对坍塌网架按照原图纸和现场检测情况进行承载力计算复合，依据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）的规定，原网架杆件全部满足计算要求, 网架中有部分杆件应力偏大。整体节点位移最大处为52.6mm，符合设计规范。原设计焊接球经验算承压不满足的有12个，焊接球钢管间隙不够的有68个。其中焊接球钢管间隙不够的节点全部位于上弦边跨，承压不满足的焊接球位于网架长跨方向中间支座处。
网架结构失效分析
6.1由杆件承载力不足引起的结构失效分析
焊接球网架结构失效反映在杆件的变形和断裂，随着腐蚀的日趋严重，杆件有效截面减小，加之局部腐蚀带来的应力集中都对杆件的破坏带来了加速效果。整体检测发现，网架在边跨附近的弦杆腐蚀最为严重，最严重的部分杆件厚度仅为原管件厚度的68%，见表5。根据事故网架构件的试验数据，采用MST软件对网架模型重新验算。在网架计算条件不变的情况下，验算后网架超应力杆件中最大应力比为1.83，已经达到了破坏应力范围。由图6可以看出，事故网架的破坏起点是从网架中间跨支座附近的下弦杆开始的。
在杆件失效后，网架结构受力重新分布，对已产生杆件破坏的网架进行验算，验算后发现已破坏杆件的相邻杆件应力迅速增大，被破坏杆件两侧的杆件应力超限严重。伴随着超应力杆件不断增加，大量杆件被破坏。部分腐蚀不严重的杆件在不断失稳的过程中也被破坏，最终导致网架坍塌。
表5 杆件超应力信息
表6 承压不足焊接球信息
图6 杆件最大应力比位置示意图
6.2 由球节点承载力不足引起的结构失效分析
事故网架存在设计缺陷，在还原的网架模型中存在承压不足的焊接球12个及杆件间隙不足的焊接球68个。
依据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）中5.2.2条，对网架焊接球节点受力能力进行验算。原设计模型承压不足焊接球信息见表6。
事故网架经过三十多年的使用后，焊接球出现了不同程度腐蚀，根据检测数据，其腐蚀情况见表7。
表7 焊接球壁厚测量数据
可以看出，随着腐蚀的加深，原设计中承载力不足的焊接球首先被破坏。当部分焊接球被破坏后，网架整体受力重分布，对网架整体再进行验算，验算后发现已破坏的焊接球两侧腹杆承载力迅速增大，承载力不足腹杆杆件信息见表8。
表8 杆件超应力信息
伴随着腹杆承载力不足被破坏后的网架内力分配不断改变和增加，腹杆被破坏后的网架超应力杆件瞬间增多，最终导致网架坍塌。
结语
本文以某机修车间焊接球网架坍塌事故为例。对事故网架从钢材性能到结构稳定做了大量的试验和验算，得出以下结论：
（1）网架结构受腐蚀作用影响，杆件有效截面减小，通过构件测量数据，发现杆件在经过三十多年的腐蚀后平均截面比原截面减少数值上弦杆为72%，下弦杆为74%，腹杆为79%，焊接球为0.56%。
（2）根据管球节点在拉伸试验过程中所得的数据，发现钢材弹性模量有不同程度的降低，E的平均数值为2.009016*105 Mpa。
（3）利用MST软件，对网架受到腐蚀影响情况下，杆件出现破坏导致网架结构失稳的过程进行模拟分析，得出网架的破坏起始杆件为网架跨中靠近支座部位的杆件。
钢材的腐蚀现象一直困扰钢结构的发展。本次研究对象在自然环境中的腐蚀情况和理论情况有一定差异。建议对网架腐蚀进行定期监测，及时获得腐蚀数据。另外，结构维护的重要性还没有得到充分的重视。应建立机制，在使用过程中定期维护和观察，将事故隐患消灭在萌芽状态。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://www.lubanwang.com/a_20200428101849.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
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