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，
26、大大提高钢结构的耐火能力。此外，屏蔽法还能增加室内的美观度，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止蹿火。（3）包封法。包封法是在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法有：用现浇混凝土做耐火保护层，用砂浆或灰胶泥做耐火保护层，用矿物纤维做耐火保护层，用轻质预制板做耐火保护层。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疏导法疏导法3.疏导法是先将热量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。疏导法主要采用充水冷却保护法（简称水冷却法）。水冷却法是在空心钢柱内充满水，高温时，构件把从外界环境中吸收的热量传给水，依靠水
27、的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件的温度可维持在100 左右。水冷却法对于钢管柱的结构体系来说是一种 非常有效的防火方法，但为了防止钢结构生锈，须在水中放入专门的防锈外加剂，冬天还须加入防冻剂。由于该方法对结构设计有专门的要求，因此目前工程中已很少使用。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 钢结构火灾事故的处理案例5.3.3事故概况事故概况1.某建筑面积为12 000 m2的大型工业厂房，其主体结构为三跨双坡轻型门式刚架（见 图5-3），平面尺寸为63 m192 m，柱距为8 m，檐高为9 m，屋脊的高度为11.52 m，两端山墙抗风柱的柱距为7 m，柱为
28、等截面H型钢，边柱和中柱H型钢的截面尺寸分别为H500250108、H50025086；梁、柱连接采用8.8级摩擦型高强度螺栓；檩条为C20070203的C型钢，厂房的两端及中部等间距地设置了5条水平支撑带，每条支撑带都由交叉圆钢斜拉条和纵向刚性撑杆组成。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 图5-3 刚架立面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车间内设有一条喷涂生产线，电焊火花引燃了生产线上的玻璃钢瓦片，造成火灾，火灾损伤区域主要位于轴之间的两跨，火 灾持续时间约为20 min。因发生火灾时，车间内的可燃物数量有限，且在风势作用
29、下燃烧速度很快，热量散发的速度很快，车间内部升温不算太高，大多数受灾钢材表面呈褐色，局部呈浅黑色。根据现场受损情况和标准升温曲线推定火灾温度在 650 左右。因可燃物距离屋顶较近，火势主要在屋面板下部快速扩展，导致屋面体系受灾较重，而钢架梁、柱及端板连接节点受灾较轻，具体受损情况如表5-1所示。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事故分析事故分析2.未评定火灾对主体结构钢材性能的影响，火灾发生后，进行了力学性能检测。现场取样，在受火灾影响变形较大的钢架梁翼缘上切取了4条试件。经检测，尽管表面未经
30、打磨，但试件的力学性能仍能符合相关规范的要求，屈服强度和抗拉强度的最小值分别为290 MPa、445 MPa（见表5-2），并且有明显的屈服平台和颈缩现象，延伸率也满足要求，与竣工时检测报告中的结果差别不大，这说明钢材的弹性模量、强度等力学性能受活荷载的影响不大，这为加固处理提供了依据。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事故处理事故处理3.1 1）屋面板及檩条的处理）屋面板及檩条的处理由于受火区域的屋面板、檩条基本报废，无法继续使用，需重新更换，因此建议将屋面板保温材料的耐火等级予以提高，如改
31、为玻璃丝棉或岩棉类材料。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2 2）高强度螺栓的处理）高强度螺栓的处理因高强度螺栓出厂前都经过热处理，再次收货后容易产生退火现象，材质发生变化，强度大大降低，所以建议将受火区中的全部梁柱节点、梁梁节点中的螺栓予以更换，以保证整体结构的安全可靠。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3 3）钢架梁的处理）钢架梁的处理考虑到刚架的受损程度不大，存在继续使用的可能性，且全部更换的造价比较高，故对此做了相关分析，首先按照门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（2012年版）（CECS 1022002）的方法对刚架进行
32、了常规验算，结果表明，钢架梁的平面内稳定力为144177 MPa，而靠近、轴附近梁段的平面外稳定力较高，局部达到236 MPa，已处于理论临界状态，这说明此处需缩短梁段的侧向支撑间距。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支撑间距取两倍的檩条间距，即2.8 m；在变形小且弯矩小的区域，梁的侧向支撑间距取3倍的檩条间距，即3.6 m；其余区域仍采用原设计方案。水平支撑局部加密布置如图5-4所示。图中的SC1、SC2为25的圆钢斜拉条，刚性杆由两个C型钢檩条（C20070203）组成。斜拉条、刚性 杆与梁的连接如图5-5所示。根据门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（201
33、2年 版）（CECS 1022002）的规定对加固后的刚架重新进行了计算，发现梁的平面外稳定已不起控制作用，应力不足180 MPa，远小于实测屈服强度，说明该方案是安全可靠的。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图5-4 水平支撑局部加密布置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 图5-5 斜拉条、刚性杆与梁的连接 1钢架梁；225圆钢；3C型钢;4钢板(100608)；5钢板(2501208)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4 4）加固步骤）加固步骤（1）拆除已报废的屋面板和严重变形的檩条、拉条
34、、隅撑等，清除钢结构构件表面的残留物，并做好临时支撑及安全工作。（2）更换受火节点处的高强螺栓。更换时采用逐个替换的方法，以保证结构安全和施工方便。螺栓的初拧和终拧应严格按照相关规程操作。（3）因刚架间距局部已发生变化，所以应根据现场测量的尺寸对檩条、支撑进行下料和铺设，檩条、支撑铺设完毕并检查合格后再进行屋面板施工。（4）重新涂刷防腐、防火涂层。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理生锈腐蚀是钢结构的一个致命缺点。国内外因锈蚀导致的钢结构事故时有发生。生锈腐蚀会导致构件截面变小，承载力降低，尤其是因腐蚀而产生的“锈坑”将使钢结构发生脆性破坏的可能性增大。所以说，
35、锈蚀在影响安全性的同时，也将严重影响钢结构的耐久性。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理电化学腐蚀电化学腐蚀1.钢结构锈蚀事故的原因分析5.4.1钢材的电化学腐蚀是最重要的腐蚀类型，简单地说，是指铁与周围介质之间发生氧化还原反应的过程。还含有少量其他金属（如Mn、V、Ti）元素和非金属（如Si、C、P、S、O、N）元素，并以固溶体、化合物或机械混合物的形态共存于钢材结构中。同时，钢材还存在晶界面和缺陷。因此，当钢材表面从空气中吸附溶有CO2、O2或SO2的水分时，就会产生一层电解质水膜，这层水膜的形成使得钢材表层的不同成分或晶界面之间构成了千千万万个微电池（称为
36、腐蚀电池）。此时，铁按图5-6所示的模式和下列方程式发生反应：5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理 图5-6 电化学腐蚀 5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理阳极：放出电子，发生氧化反应。Fe Fe2+2e-4OH-O2+2H2O+4e-阴极：接收电子，发生还原反应。O2+2H2O+4e-4OH-2H+2e-H2整个腐蚀过程由阳极反应和阴极反应构成，生成的Fe(OH）2沉积于钢材表面。2Fe+O2+2H2O 2Fe2+4OH-2Fe（OH）2在富氧条件下，Fe(OH）2又进一步被氧化成Fe(OH）3。4Fe（OH）2+O2+2H2
37、O 4Fe（OH）35.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理钢材中的Fe变成Fe2O3时体积增大4倍。在少氧的条件下，Fe(OH）2中氧化不很完全的部分形成Fe3O4（黑锈），其体积约增大2倍。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理大气腐蚀大气腐蚀2.钢材暴露在大气环境条件下，因大气中水和氧等物质的作用而引起的腐蚀，称为大气腐蚀。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理1 1）机理）机理腐蚀反应为 Fe+2H2O Fe（OH）2+H2 4Fe（OH）2+O2+2H2O 4Fe（OH）3大气腐蚀的特点与完全浸没
38、在电解液内的腐蚀过程有所不同，因大气腐蚀的钢材表面含有水分，当相对湿度达到70%时，还会在钢材表面结露，加速上述反应的进行。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理2 2）影响因素）影响因素（1）湿度。湿度是决定大气腐蚀类型和速度的基本因素，当相对湿度在60（临界湿度）以上时，铁的腐蚀速度急速加快。湿度越大，一般大气的腐蚀性越强。（2）降水量。雨水的冲刷就冲掉腐蚀介质而言，起有利作用；但雨水又会破坏腐蚀产物的保护层，促进腐蚀发展。（3）温度。日气温变化越大，腐蚀越严重。（4）日照量。日照使钢材保护层的涂料老化，起间接的破坏作用。（5）大气污染物质。大气中若存在SO2
39、、海盐粒子、固体尘粒，则腐蚀会加重。因此，一般来说，工业区的腐蚀最严重，沿海地区次之，而内陆无污染工业的地区腐蚀最小。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理3 3）防治措施）防治措施（1）采用耐蚀钢材。如掺入适量的铜、铬、镍等合金元素的低合金钢的耐腐蚀性较好。（2）利用涂层和金属镀层进行保护。（3）降低大气湿度。降低大气湿度的措施很多，如钢结构构造设计、防止缝隙中存水、除尘、加入吸湿剂等。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理淡水腐蚀淡水腐蚀3.淡水腐蚀是指不含盐、碱和酸等水的腐蚀。其腐蚀机理从原则上讲，与大气腐蚀相同。淡水腐蚀的重要
40、影响因素有温度、氧气浓度和水流。淡水中常溶解有钙、镁等矿物，当这些矿物的含量较高时，称为硬水。在硬水中，钢材的腐蚀速度会有所减慢，因为碳酸钙等沉积在钢材表面而阻碍氧气通过。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理酸腐蚀酸腐蚀4.1 1）腐蚀机理）腐蚀机理在非氧化性酸中(盐酸、稀硫酸、醋酸等），钢材与这些酸中的氢发生置换反应，形成可溶性的金属盐而被腐蚀。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理2 2）影响因素）影响因素酸腐蚀的影响因素有氢离子的浓度、酸的类型、温度。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理碱腐蚀碱
41、腐蚀5.1 1）腐蚀机理）腐蚀机理当室温下水溶液的pH值为1014时，碳钢因发生钝化而使腐蚀速度下降。当pH值大于14时，由于生成不溶性的Fe2O3、Fe3O4，碳钢的腐蚀速度也不快。但在高温、高压碱水溶液中，钢材会发生溶解性腐蚀，这种腐蚀称为碱裂、碱脆化等，如锅炉的碱腐蚀。在浓碱溶液中，其反应式为 2Fe+6NaOH+3H2O Fe2O3+6NaOH+3H2在高温、高压碱水溶液中，其反应式为 2Fe+4NaOH+4H2O 2Na2FeO4+6H25.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理2 2）影响因素）影响因素碱腐蚀的影响因素主要有温度、压力、pH值和碱金属的种类
42、（一般认为碱金属的原子量越大,腐蚀性越强）。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理盐类腐蚀盐类腐蚀6.1 1）腐蚀机理）腐蚀机理（1）改变溶液的pH值。（2）发生氧化还原反应，如铁置换铜的反应，铁被溶解。Fe+CuSO4 FeSO4+Cu（3）增加溶液的导电性，使电化学腐蚀加剧。（4）某些盐类的阴、阳离子对腐蚀的特殊影响。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理2 2）影响因素）影响因素盐的种类浓度温度5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理海水腐蚀海水腐蚀7.1 1）腐蚀机理）腐蚀机理随着海洋事业的发展，海
43、洋中的钢结构越来越多，但海洋中的腐蚀介质复杂，其机理也很复杂，一般来说主要有盐类腐蚀、电化学腐蚀、海生物腐蚀等。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理2 2）影响因素）影响因素海水腐蚀的影响因素主要有与海水介质的接触深度、海水流速（随流速加大腐蚀速度加快）、海生物、海水温度。按浸入海水的深度，可将钢结构海洋腐蚀区域分为海泥区、全浸区、潮差区、飞溅区、海洋大气腐蚀区。一般来说，飞溅区最严重，因为飞溅区的金属表面常被空气海水润湿，并受到海水运动的冲击，使得该处的保护涂层易于脱落破坏。图5-7为钢柱在上述不同区域的腐蚀情况。图5-7 钢柱在不同区域的腐蚀情况5.4 5.
44、4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理土壤腐蚀土壤腐蚀8.钢结构埋入土壤中所受的腐蚀称为土壤腐蚀。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理1 1）腐蚀机理）腐蚀机理土壤腐蚀遵循电化学腐蚀的基本理论，但腐蚀电池的形成与土壤的自身特性有关，一般来说，有下列几种腐蚀电池：（1）长距离腐蚀宏电池。该腐蚀电池常发生在地下长距离的钢结构上。（2）因土壤的局部不均匀引起的腐蚀宏电池。该腐蚀电池一般由回填土密实度、夹杂物的不同引起。（3）埋没深度不同及边缘效应引起的腐蚀宏电池。（4）钢结构所处状态的差异引起的腐蚀宏电池。其由温差、应力、不同种类的钢材引起。5.4
45、5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理2 2）影响因素）影响因素土壤腐蚀的影响因素主要有土壤性质（孔隙率和孔隙结构、含水量、电阻率、酸碱度、含盐量）、杂散电流、微生物。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理有机系淡水溶剂的腐蚀有机系淡水溶剂的腐蚀9.非水溶剂包括无机系和有机系两类。无机系主要有纯硫酸、发烟硝酸等不含水的酸类，熔融氢氧化钠及碳酸钠等熔盐，在低温下成为液态的液氨等物质。鉴于工业建筑（如有机药品工业建筑、食品工业建筑、发酵工业建筑、石油化工建筑、纺织工业建筑等）中有机系非水溶剂的腐蚀较多，这里主要讲解有机系非水溶剂所引起的腐蚀。5.
46、4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理（1）极性非水溶剂(如酒精、醛、羧酸、酚类、硝基化合物）的腐蚀遵从电化学机理。（2）非极性非水溶剂(如锁状或环状结构的碳氢化合物）的腐蚀既有电化学腐蚀也有化学腐蚀。一般来说，非极性溶剂本身的腐蚀性很小，但将其置于大气中时，所生成的氧化物具有极性。例如，燃料油和润滑油被氧化后生成了羧酸，羧酸能促进金属在这些油中的腐蚀。另外，有机氯化合物和有机溴化合物具有腐蚀作用，是由于它们分解后生成了盐酸和氢溴酸。（3）非水溶剂的腐蚀与水密不可分。水的来源有大气等。油类本身含有一定的水分。在高温状态下，钢材表面会产生一层黑皮(如轧制过程中，钢材表面
47、也会产生一层黑皮），该黑皮为高温氧化物，对钢材有一定保护作用。但当有水分存在时，由于钢材黑皮的电位不同而形成原电池，使钢材发生电化学腐蚀反应。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理高温腐蚀高温腐蚀10.5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理应力腐蚀应力腐蚀11.钢材的应力腐蚀是指钢材在应力状态下腐蚀加速的现象。应力腐蚀的特征是在较极限抗拉强度低得多的应力情况下，即在一般安全使用应力的情况下，材料（钢丝或钢筋）发生脆性断裂，此时钢丝表面的腐蚀并不严重，锈蚀率一般在30以下；在有缺陷或腐蚀坑根部沿轴向会有一段黑色应力腐蚀区。5.4 5.4
48、 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理电腐蚀电腐蚀12.电腐蚀是钢筋混凝土结构或钢结构处于杂散电场中，在阳极区（电流通过钢筋的部位）发生的腐蚀。这一现象常发生在电化学工厂、电冶金车间等。电腐蚀的强弱与钢材所处阳极电位的高低成正比。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理 钢结构锈蚀事故的处理方法5.4.2新建钢结构防锈新建钢结构防锈1.对于新建钢结构，应根据其使用性质、环境介质等制定防锈方法，一般有涂料敷盖法和金属敷盖法。涂料敷盖法是在钢材表面敷盖一层涂料，使之与大气隔绝，达到防锈蚀的目的。其主要施工工艺有表面除锈、涂底漆、涂面漆。金属敷盖法是在钢材
49、表面镀上一层其他金属，所镀金属可使钢材与其他介质隔绝，也可使镀层金属的电极电位更低于铁，起到牺牲阳极(镀层金属）保护阴极（铁）的作用。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理原有钢结构锈蚀的处理原有钢结构锈蚀的处理2.1 1）锈蚀程度的分级和检查）锈蚀程度的分级和检查（1）锈蚀程度的分级。A级良好。构件基本没有锈蚀，涂层漆膜还有光泽，个别构件可有少量锈点。B级局部锈蚀。构件基本没有锈蚀，面漆有局部脱落，底漆完好，个别构件有少量锈点，或构件边缘、死角、缝隙、隐蔽部分有锈蚀。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理 C级较严重。构件局部锈蚀，
50、面漆脱落面积达20，底漆也有局部锈透，其基本金属完好，应进行维护准备工作。D级严重。构件锈蚀面积达40，面漆大片脱落，但基本金属没有被破坏，应立即进行维护工作。E级特别严重。基本金属已有锈蚀，应立即测量构件断面的削弱程度，计算是否需要更换或采取加固等措施。5.4 5.4 钢结构锈蚀事故的分析与处理钢结构锈蚀事故的分析与处理（2）重点检查部位。根据腐蚀理论及实际经验，除一般检查外，下列构件或部位还应重点检查：埋入地下的地面附近部位；可能存积水或遭受水蒸气侵蚀的部位；干湿交替构件；易积灰且湿度大的构件；组合截面净空小于12 mm，难于涂刷油漆的部位；屋盖结构、柱与屋架节点、吊车梁与柱节点、钢悬索节
