钢结构的缺陷及其应对措施文献综述

钢结构钢结构 课程专题文献综述课程专题文献综述 题 目 钢结构的缺陷及其应对措施 前言前言 钢结构工程较之其他工程有强度高 塑性韧性好 质量轻 施工周期短等众多优点 与其他建筑工程相比 更具有在 高 大 轻 三个方面发展的独特优势 而且随着改革开 放以来 我国钢结构产业发生了猛进突飞的变化 今年来 随着我国科学技术和技术人员的迅 猛增长 城市化进程的加快和人民生活水平的提高 我国钢结构建筑将在较长时间内保持 迅猛的发展趋势 1 符合经济持续健康发展的要求 在高层建筑 大型厂房 大跨度空间结 构 轻钢结构 住宅建筑中更能发挥其优势 应用广泛 各专业 行业 部门中也大量采用钢 结构 如公路和铁路桥梁 输变电铁塔 广播电视通讯塔 水利建设等 城市建设中更需大 量钢结构如地铁 立交桥 环保建筑 临时建筑等 然而 钢结构并不是万能的 它也有许多 的缺陷 下面我们就刚结构的缺陷及对其的因对措施来讨论 主题主题 钢结构是由钢材组成的一种承重结构 它的完成通常要经过设计 加工 制作和安装等 阶段 忧郁技术和认为的原因 钢结构的缺陷在所难免 其类型及因对措施如下 1 1 钢结构的先天性缺陷钢结构的先天性缺陷 建筑结构中所用的钢材为低碳钢和低合金钢 铁是钢材的基本元素 其他元素包括硅 锰 硫 磷 氮 氧等 组成钢材的化学成分及其含量对钢材的性能特别是力学性能有着重要的 影响 1 11 1钢材的化学成分缺陷钢材的化学成分缺陷 5 碳 在低碳钢中 碳是仅次于纯铁的主要元素 碳含量随低 但直接影响钢的强度 塑性 韧性和焊接性等 碳含量增加 刚的强度提高 而塑性和韧性下降 同时恶化刚得焊接性和腐 蚀性 硫和磷 硫是钢中有害成分 对钢材的力学性能和焊接接头的裂纹敏感有效大影响 课降低 钢材的塑性 韧性 焊接性和疲劳强度 氧和氮 氧和氮也是钢中的有害杂质 氧使钢热脆 氮使钢冷脆 铜 铜在低碳钢中属于杂质成分 它可以显著提高钢的耐久性 也可以提高钢的强度 但对 焊接性有不利影响 解决方法解决方法 根据钢材的实际用途合理提出和增加化学成分来改变钢材的力学性能 从而达到 最终目的 1 21 2钢材的腐蚀缺陷钢材的腐蚀缺陷 2 钢材的腐蚀是一种不均匀的破坏 腐蚀的发展很快 一旦在钢结构的表面发生 腐蚀的蚀坑会由坑底向纵深迅速的发展 使钢结构产生应力集中 而应力集中现象又会加 快钢材的腐蚀 这是一种钢材腐蚀的恶性循环 腐蚀使钢材的抗冷脆性能下降 疲劳强度 降低 钢结构建筑在自然环境下 受腐蚀会有一定的减薄现象 目前 全世界每年因钢结 构腐蚀造成的经济损失已高达数千亿美元以上 而且 钢结构由于腐蚀造成的事故危及到 结构的安全运行 腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜 特别是焊接钢结构和承受较大应力状 况下的钢结构 由于在应力作用下 腐蚀将大大的加速 由于钢结构的腐蚀给我国国民经 济带来很大损失 同时还带来了重大的安全隐患 所以钢结构防腐技术对于钢结构的安全 性能与耐久性起着极为重要的作用 因对措施因对措施 1 2 1钢结构的表面处理 人工除锈或抛丸机除锈一喷砂除锈一遍普通醇酸一防锈底漆一二遍底漆一第三遍防火涂 料 1 2 2特定的防腐处理 钢结构防腐按钢结构的使用要求而定 一般情况下用常规防锈漆即可 当所处的环境条 件较恶劣时必须要采用性能优异的防腐涂料如富锌类涂料或采用耐侯钢 1 2 3热浸锌 热浸锌是将除锈后的钢构件浸入600 左右高温融化的锌液中 使钢构件表面附 着锌层 锌层厚度对5 mm以下薄板不得小于6 5 um 对厚板不小于86 m 从而起到 防腐蚀的目的 这种方法的优点是耐久年限长 生产工业化程度高 质量稳定 因而 被大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中 如输电线塔 通讯塔 压 型钢板等 1 2 4涂层法 涂层法防腐蚀性一般不如长效防腐蚀方法 但目前氟碳涂料防腐蚀年限甚至可 达5 0年 所以用于室内钢结构或相对易于维护的室外钢结构采用较多 此方法一次 成本低 但用于户外时维护成本较高 涂层法的施工第一步是除锈 优质的涂层依赖于彻 底的除锈 所以要求高的涂层一般多用喷砂喷丸除锈 露出金属的光泽 除去所有的锈迹 和油污 现场施工的涂层可用手工除锈 涂层的选择要考虑周围的环境 不同的涂层对不 同的腐蚀条件有不同的耐受性 涂层一般有底漆 层 和面漆 层 之分 底漆含粉料多 基 料少 成膜粗糙 与钢材粘附力强 与面漆结合性好 面漆则基料多 成膜有光泽 能保 护底漆不受大气腐蚀 并能抗风化 1 2 5阴极保护法 在钢结构表面附加较活泼的金属取代对钢材的腐蚀 此方法常用于水下或地下钢结构 2 2 钢构件的加工制作缺钢构件的加工制作缺 完整的钢结构产品 需要通过将基本元件使用机械设备和成熟的工艺方法 进行各种操作处理 达 到规定产品的预定要求目标 钢结构的加工制作过程由一系列的工序组成 每一工序都有可能 产生缺陷 钢结构加工制作可能出现的缺陷 1 选材不合格 2 原材料矫正引起冷作硬化 3 放样 号料尺寸超公差 4 切割边未加工或达不到要求 5 孔径误差 6 冲孔未作加工 存在硬化区和微裂纹 7 构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹 8 构件热加工引起的残余应力 9 表面清洗防锈不合格 10 钢构件外型尺寸超公差 解决方法解决方法 提高加工操作条件 加强操作人员的技术性和专业知识 尽量减少人为误差 3 3 钢结构的链接缺陷钢结构的链接缺陷 3 1焊接缺陷 3 常见的焊接外部缺陷有尺寸不符合要求 咬边 焊瘤 弧坑及表面飞溅等 常见的焊 缝内部缺陷有夹渣及气孔等 产生焊缝缺陷的原因可从人 机 料 方法和环境五大因素 查找 3 1 1焊缝宽度过窄 这主要是焊接电流较小 焊弧过长或焊速较快造成的 由于形成的金属熔池较小或保持时 间较短 不利于钢水流动 3 1 2焊缝余高过高 有时它与前一个问题同时出现 有的焊工片面地认为焊缝高点没关系 所以不习惯于0 1 5 In Ill的焊缝余高 多数为上限或超高 但过高会产生应力集中 其主要原因是倒 数第二层焊道接头过高 造成盖面层焊道局部超高 有时各层焊接参数不合适 各层焊缝 累 计后超高 应力对焊接件的影响很大 会导致变形或者在应力释放时产生焊缝开裂 3 1 3 角焊缝单边或下陷量过大 3 角焊缝单边或下陷量过大造成单位面积上承力过大 使焊接强度降低 其原因是坡口 不规则 间隙不均匀 焊丝与工件夹角不合适以及焊接参数与工艺要求不一致 3 1 4弧坑 产生弧坑的原因是熄弧时间过短或电流较大 焊条收尾时未填满弧坑 防止措施 焊条 在收尾时稍多停留一会儿 采用断续灭弧焊 3 1 5咬边 咬边大多是局部深度超标 连续咬边超标的不多 咬边使焊接强度减弱 造成局部应力 集中 3 1 6焊瘤 熔化金属流到加热不足的母材上形成了焊瘤 主要原因是焊接电流过大 焊接熔化过慢 或焊条偏斜 防止措施是适当减小焊接电流 缩短电弧弧长 摆动时坡口边缘运条速度稍 慢一些 3 1 7严重飞溅 3 C02气体保护焊的飞溅相对要大些 应该注意采用规范的操作方法及采取适当的焊前 处理 减小气体保护焊接的飞溅 3 1 8夹渣 由于焊接电流过小或运条速度过快 金属熔池温度较低 液态金属和熔渣不易分开 或 熔渣未来得及浮出 熔池已开始凝固 有时也存在清根不彻底问题 3 1 9气孔 产生气孔的主要原因是焊材及环境因素 钢板坡I l两侧不做除锈处理 Fe 04除本身含 氧外 还含有一定的结晶水 另外在空气相对湿度较大情况下也有微小的水珠 在熔池冶 金过程中 非金属元素形成非金属氧化物 由于气体在金属中的溶解度随温度降低而减 少 在结晶过程中部分气体来不及逸出 气泡残留在金属内而形成了气孔 3 1 10未熔合 未焊 所谓的虚焊 原因有过小的焊接电流或过高的焊接速度造成的热量不够 母材坡I l表面 污物未能清除干净 坡口角度较小 钝边过大没有处理 焊条角度及运条不当等 应适当 调整焊接电流 焊接速度 焊条角度和运条速度 并清理表面污物 处理区应清除表面氧 化层 并按顺序焊接 可避免未融合现象 克服焊接缺陷应采取的措施克服焊接缺陷应采取的措施 1选择合理的焊接结构 3 在结构设计时尽量减少不必要的焊缝 力求焊缝数量最少 合理安排焊缝 尽量使 焊缝对称于截面中轴 尽量选择间断焊 以避免焊缝过于集中 2选择合理的焊接工艺 采取必要的工艺措施解决焊接应力与变形 如采用反变形法 即根据经验 分析好结构 变形的大小和方向 在装配前给予一个相反的变形 使其与焊接变形相抵消 3选择合理的装配焊接顺序 以对称焊缝为例 每个矩形管焊接必须按图1所示顺序进行焊接 焊接过程中构件的惯 性矩基本上不变 变形可以基本抵消 保持构件平直 对整个骨架来说 本着由中间向外 围依次焊接的原则 在用夹具夹紧状态下施焊 让焊缝尽可能自由收缩 以减少焊接应力 及变形 4选择合理的焊接方法 3 现采用细丝的C02气体保护焊进行大部分结构件的焊接 此种焊接方法焊接成本低 生产效率高 而且由于此方式焊接的热量比较集中 焊接速度快 所以焊缝的热影响区狭 窄 焊接变形小 焊缝金属中含氢量低 焊缝的抗裂性能好 焊接质量高 5采用合理的焊接工装 在焊接一些重要件 如各车型车架 捣固框架等 时 构件在工装中固定牢后焊接 能有 效地控制焊接变形 4 钢结构使用过程中不耐火的缺陷钢结构使用过程中不耐火的缺陷 钢结构的防火性能钢结构的防火性能 4 钢结构建筑的突出弱点是耐火极限低 保温龋热性能差 容易腐蚀等 国内外钢结构 建筑物的火灾案例都证明 发生火灾后20 min以内钢结构建筑物就会有被烧垮的威胁 变 成一片废墟 1973年5月某市体育馆火灾 1969年12月菜市文化J 场火灾 1972年8月北 京某厂纤 维板车间火灾 都暴露了钢结构耐火性能著的致弱点 特别是美国 9 1l 事件后 钢 结构的致命缺陷即抗高温能力差的问题引起业界的普遍关注 4 1钢结构耐火等级较差 4 钢的内部晶体组织对温度1卜常敏感 温度的升高或者降低都会使钢材性能发生交化 总的趋势是随着温度的升高 钢材强度降低 变形增人 建筑设计防火规范 中 将建筑 物的耐火等级分为四级 划分的依据是组成建筑物的构件的燃烧性能和构件最低的耐火极 限 未经防火保护的钢结构建筑物的耐火等级仅为四级 不能满足火灾情况 F对建筑防火 要求 钢结构适刚的体育馆 剧院等重要公共建筑 规范要求达到一 二级耐火等级 高 层建筑 一 二级耐火等级 规范要求应为而丙类的一 业厂房 规范要求必须进行必要 的防火保护 达到规范对使用性质和建筑规模建筑物耐火等级要求 4 2钢结构遇高温易变形 造成建筑物倒塌 4 钢是含碳缱小丁2 的铁碳合金 碳含量人于2 时则为铸铁 碳是形成钢材强度的主 要成分 碳含量提高 则钢材强度提高 但同时钢材的塑性 韧性 冷弯性能 可焊性能 及抗腐蚀能力下降 含碳量小 0 25 的为低碳钢 钢结构用钢的含碳量一般不人1 0 22 钢材就其臼身耐火性能来讲 在未进行防火保护的情况一卜 远低于砖石和钢 筋混凝士 火灾时 其强度会迅速下降 在150 以内钢材性能没有很火的变化 在430 540 之间则强度急剧下降 600 时强度很低不能承担载荷 在自身温度达到540 左右 时 钢材的屈服应力仅有常温屈服应力值的40 钢结构不可避免地发生变形 造成钢结 构建筑物一部分或全部倒塌毁坏 一般火场温度可达到800 1000 在这样的高温下 裸 露的钢结构会很快出现塑性变形 产生局部破坏 造成钢结构建筑整体倒塌 钢结构防火保护措施钢结构防火保护措施 1 外包防火层法 4 外包防火层法就是在钢结构外表添加外包层 可以现浇成型 也可以采用喷涂法 现浇成型的实体混凝士外包层通常刖钢丝网或钢筋来加强 以限制收缩裂缝 并保证外壳 强度 喷涂法可以在施1711 现场对钢结构表面涂抹砂浆以形成保护层 砂浆可以是彳i灰 水泥或是 膏砂浆 也可以掺入珍珠岩 棉 石膏或棉水泥 轻混凝十做成预制板 采用 胶黏剂 钉子 螺栓刊定在钢结构上 2 防火涂料法 防火涂料法就是在钢结构上喷涂防火涂料以提高其耐火极限 目前 我国钢结构防火涂 料主要分为薄涂型和厚涂型两类 即薄型 B类 和厚型 H类 两者具有不同的性能特点 分 别适用于不同场合 总结总结 通过以上分析发现 腐蚀和焊接缺陷占了很大的比重 钢结构的防腐处理是非常重要 如 果处理不好 对建筑物有很大影响 不仅会带来重大的经济损失 还会带有安全隐患 但 防腐技术还有待于进一步完善 焊接技术的不完善不仅影响了钢结构的外观和使用性能 如 果严重的话甚至会导致焊件报废 浪费材料 给企业造成直接经济损失 因此 在焊接工作进 行前做好合理的设计 加强各关键工序的质量控制 是保证完成施工质量与施工进度的前 提 还可以最大限度减少对钢筋加丁过程的