表1 桿件腐蝕程度

通過(guò)對(duì)網(wǎng)架各桿件的壁厚測(cè)量，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架在使用三十年過(guò)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(dāng)塵埃落于鋼結(jié)構(gòu)表面時(shí)，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(wú)腐蝕性的塵?？梢晕礁g性物質(zhì)，當(dāng)其溶于水膜時(shí)便帶入了腐蝕性物質(zhì)。有腐蝕性的塵埃溶于水膜后會(huì)參與腐蝕反應(yīng)。尤其值得我們注意的是，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)局部落有塵埃時(shí)，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(yán)重。通過(guò)對(duì)事故網(wǎng)架桿件壁厚測(cè)量，大部分桿件厚度都是上部比下部大。當(dāng)建筑屋面漏水時(shí)，弦桿下部容易懸掛水滴，在常年使用過(guò)程中腐蝕速度高于其他無(wú)水滴的部分，造成了桿件的下部腐蝕影響較為嚴(yán)重。

所有構(gòu)件中，節(jié)點(diǎn)焊縫處本身處于最容易積水的位置腐蝕最為嚴(yán)重。焊縫附近不均勻腐蝕桿件表面會(huì)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(guò)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(diǎn)被過(guò)早的破壞。

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(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)，而Φ89×5 中C的含量超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。鋼材中含碳量超標(biāo)會(huì)提高鋼材強(qiáng)度，但會(huì)降低其塑性和韌性，同時(shí)鋼材的可焊性、抗銹蝕能力、疲勞強(qiáng)度和冷彎性能會(huì)明顯下降^[2]。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件和網(wǎng)架桿件的力學(xué)性能試驗(yàn)得出，桿件在經(jīng)過(guò)三十年的使用和銹蝕后，鋼材彈性減弱塑性增強(qiáng)，塑性屈服點(diǎn)提高且沒(méi)有明顯屈服平臺(tái)，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(zhǎng)率未達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)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(chǎng)照片顯示網(wǎng)架破壞出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)附近。為此，從采集回來(lái)的構(gòu)件中選擇外形規(guī)范、焊縫質(zhì)量良好的節(jié)點(diǎn)作為試件進(jìn)行試驗(yàn)，其管球節(jié)點(diǎn)質(zhì)量符合《鋼網(wǎng)架焊接球節(jié)點(diǎn)》（JGJ/T 11-2009）的相關(guān)規(guī)定。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)據(jù)，可得彈性模量E見(jiàn)表4。

表4 管球試件彈性模量值

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

事故網(wǎng)架存在設(shè)計(jì)缺陷，在還原的網(wǎng)架模型中存在承壓不足的焊接球12個(gè)及桿件間隙不足的焊接球68個(gè)。

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(duì)網(wǎng)架焊接球節(jié)點(diǎn)受力能力進(jìn)行驗(yàn)算。原設(shè)計(jì)模型承壓不足焊接球信息見(jiàn)表6。

事故網(wǎng)架經(jīng)過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)，其腐蝕情況見(jiàn)表7。

表7 焊接球壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)

可以看出，隨著腐蝕的加深，原設(shè)計(jì)中承載力不足的焊接球首先被破壞。當(dāng)部分焊接球被破壞后，網(wǎng)架整體受力重分布，對(duì)網(wǎng)架整體再進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)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(jiàn)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。

本文以某機(jī)修車間焊接球網(wǎng)架坍塌事故為例。對(duì)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(yàn)和驗(yàn)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(guò)構(gòu)件測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)桿件在經(jīng)過(guò)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?yàn)?.56%。

（2）根據(jù)管球節(jié)點(diǎn)在拉伸試驗(yàn)過(guò)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(duì)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(guò)程進(jìn)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(duì)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(duì)網(wǎng)架腐蝕進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲得腐蝕數(shù)據(jù)。另外，結(jié)構(gòu)維護(hù)的重要性還沒(méi)有得到充分的重視。應(yīng)建立機(jī)制，在使用過(guò)程中定期維護(hù)和觀察，將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。