钢结构工程质量缺陷ppt课件.ppt

第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施 1 钢结构作为一种承重结构 由于其自重轻 强度高 塑性及韧性好 抗震性能优越 工业装配化程度高 综合经济效益显著 造型美观以及符合绿色建筑等众多优点 深受建筑师和结构工程师的青睐 被广泛应用于各类建筑中 尤其在大跨和超高层建筑领域显示出无以伦比的优势 2 但世界范围内钢结构的事故频繁发生 惨痛的教训一再重复 国内外大量文献统计资料表明 绝大多数事故发生在施工阶段到竣工验收前这段时间 我国由于过去钢结构工程较少 缺少较完整的统计资料 但据调查表明 施工阶段钢结构屋盖事故较多 使用阶段吊车梁事故较多 屋架损伤事故也不少 但最明显的特征是大多数事故均发生在单层工业厂房中 这主要和我国钢结构的应用范围有关 3 国内一般将钢结构事故分为两大类 一类是整体事故 包括结构整体和局部倒塌 另一类是局部事故 包括出现不允许的变形和位移 构件偏离设计位置 构件腐蚀丧失承载能力 构件或连接开裂 松动和分层 就其起因而言钢结构事故分类为材质事故 变形事故 脆性断裂事故 疲劳破坏事故 失稳破坏事故 锈蚀事故 火灾事故以及倒塌事故 4 一 钢结构的材料缺陷及质量事故 钢结构所用材料主要包括钢材和连接材料两大类 钢材常用种类为Q235 16Mn 15MnV 连接材料有铆钉 螺栓和焊接材料 材料本身性能的好坏直接影响到钢结构的可靠性 当材料的缺陷累积或严重到一定程度将会导致钢结构事故的发生 5 一 钢材的先天性缺陷原因及治理1 缺陷的现象及特征钢材的种类繁多 但在建筑钢结构中 常用的有两类钢材 即低碳钢和低合金钢 例如 Q235 16Mn 15MnV等 钢材的种类不同 缺陷自然也不同 6 常见的先天性缺陷有化学成分缺陷 冶炼及轧制缺陷 影响其塑性 韧性 冷弯性能 冲击韧性和可焊性以及抗锈蚀性能 尤其是可焊性和负温冲击韧性等都显著降低 出现 热脆 现象 冷脆 现象 氢脆 破坏现象 甚至在钢材中形成的各类裂纹 7 2 原因分析化学成分对钢材的性能有重要影响 从有害影响的角度来讲 化学成分将产生一种先天性缺陷 就Q235钢材而言 其中Fe约占99 其余的1 为C Mn Si S P O N H 它们虽然仅占1 但其影响极大 8 碳的含量愈高 钢材的强度愈高 但其塑性 韧性 冷弯性能 冲击韧性和可焊性以及抗锈蚀性能等都显著降低 尤其是可焊性和负温冲击韧性 因此作为建筑钢结构材料只能是低碳量 要求含碳量 0 22 对于焊接结构 为保证其良好的可焊性 通常要求含碳量 0 20 9 锰的含量过高对可焊性不利 故需加以限制 普通碳素钢中锰的含量约为0 3 0 8 16Mn钢中锰含量则达到1 2 0 55 10 适量的硅可提高钢的强度 而对其他性能影响较小 但含量过高则对钢的塑性 韧性 抗锈蚀能力以及可焊性有降低作用 一般低碳钢中硅的含量为0 12 0 30 低合金钢中应为0 20 0 55 11 硫是钢材的一种有害杂质 硫与铁的化合物硫化铁 FeS 散布在纯铁体的间层中 在800 1210 时熔化而使钢材出现裂纹 称为 热脆 现象 另外 含硫量增大 会降低钢材的塑性 冲击韧性 疲劳强度 抗锈蚀性和可焊性 故应严格控制其含量 一般不应超过0 035 0 050 12 磷是钢材的一种有害杂质 磷虽然能提高钢的强度和抗锈蚀能力 但会降低钢的塑性 冲击韧性 冷弯性能和可焊性 尤其是磷使钢在低温时韧性降低而产生脆性破坏 称为 冷脆 现象 故对磷的含量要严格控制 一般不超过0 035 0 045 13 氧是钢材的一种有害杂质 氧通常是在钢熔融时由空气或水分分解而进入钢液 冷却后残留下来 氧的有害影响同硫 且更甚 使钢材 热脆 一般含量应低于0 05 氮作为有害杂质 可能从空气进入高温的钢液中 氮的影响与磷相似 会使钢材 冷脆 一般氮的含量应低于0 008 14 氢作为有害杂质 通常也是由空气或水分分解而进入钢液 氢在低温时易使钢材呈脆性破坏 产生所谓的 氢脆 破坏现象 钢材在冶炼和轧制过程中 由于工艺参数控制不严等问题 缺陷在所难免 常见的缺陷常见的缺陷有偏析 夹杂 裂缝 分层 过热或过烧 脱碳 机械性能不合格等 15 3 处理与防治钢材的质量主要取决于冶炼 浇铸和轧制过程中的质量控制 普通低碳钢的八种化学成分均对钢材的性能有不利影响 其中的C Mn Si是有益元素 但不可过量 S P O N H纯属有害杂质 钢结构的先天性材质缺陷应由冶金部门处理 从炼钢工艺上得到根本性解决 应根据 碳素结构钢 GB700 88 和 低合金结构钢 GB1591 88 的规定 加以严格控制 16 二 钢构件的加工制作缺陷原因及治理1 缺陷的现象及特征钢结构加工制作可能出现的缺陷如下 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 17 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 18 2 原因分析钢结构的加工制作主要是钢构件 柱 梁 支撑 的制作 钢结构制作的基本元件大多系热轧型材和板材 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 19 现代化的钢结构厂应具有进行剪 冲 切 折 割 钻 铆 焊 喷 压 滚 弯 刨 铣 磨 锯 涂 抛 热处理 无损检测等加工能力的设备 并辅以各种专用胎具 模具 夹具 吊具等工艺设备 由此可见 钢结构的加工制作过程将由一系列的工序而组成 每一工序都有可能产生缺陷 20 3 处理与防治钢结构制造厂应重视加工制作各个环节工艺的合理性和设备的先进性 尽量减少手工作业 力求全自动化 应严格按钢结构加工制作的工序 标准要求进行加工制作及质量控制 21 三 钢结构的连接缺陷钢结构的连接方法通常有铆接 栓接和焊接三种 目前大部分为栓焊混合连接为主 一般工厂制作以焊接居多 现场制作以螺栓连接居多或者部分相互交叉使用 22 1 钢结构的铆接缺陷原因及治理 1 缺陷的现象及特征铆接工艺带来的缺陷如下 铆钉本身不合格 铆钉孔引起构件截面削弱 23 铆钉松动 铆合质量差 铆合温度过高 引起局部钢材硬化 板件之间紧密度不够 24 2 原因分析铆接是将一端带有预制钉头的铆钉 经加热后插人连接构件的钉孔中 再用铆钉枪将另一端打铆成钉头 以使连接达到紧固 铆接有热铆和冷铆两种方法 铆接传力可靠 塑性 韧性均较好 在20世纪上半叶以前曾是钢结构的主要连接方法 目前只在桥梁结构和吊车梁构件中偶尔使用 由于铆接是现场热作业 工艺不易控制 25 3 处理与防治应严格按铆接工艺要求进行施工及质量控制 26 2 钢结构的栓接缺陷原因及治理 1 缺陷的现象及特征螺栓连接给钢结构带来的主要缺陷有 螺栓孔引起构件截面削弱 普通螺栓连接在长期动载作用下的螺栓松动 27 高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形 螺栓及附件钢材质量不合格 孔径及孔位偏差 摩擦面处理达不到设计要求 尤其是摩擦系数达不到要求 28 2 原因分析螺栓连接包括普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类 普通螺栓一般为六角头螺栓 材质为Q235 性能等级为4 6级 4 6S 根据产品质量和加工要求分为A B C三级 其中A级为精制螺栓 B级为半精制螺栓 精制螺栓和半精制螺栓采用1类孔 孔径比螺栓杆径大0 3 0 5mm C级为粗制螺栓 一般采用11类孔 孔径比螺栓杆径大1 0 1 5mm 29 普通螺栓由于紧固力小 且栓杆与孔径间空隙较大 主要指粗制螺栓 故受剪性能差 但受拉连接性能好 且装卸方便 故通常应用于安装连接和需拆装的结构 30 高强螺栓是继铆接连接之后发展起来的一种新型钢结构连接形式 它已成为当今钢结构连接的主要手段之一 高强螺栓常用性能等级为8 8级和10 9级 8 8级采用的是45号和35号或40B 10 9级采用的钢号为合金钢20MnTiB 40B 35VB 高强螺栓通常包括摩擦型和承压型两种 而以前者应用最多 摩擦型高强螺栓的孔径比螺栓公称直径大1 0 1 5mm 高强螺栓连接具有安装简便 迅速 能装能拆和受力性能好 安全可靠等优点 深受用户欢迎 31 3 处理与防治应严格按栓接工艺要求进行施工及质量控制 32 3 钢结构的焊接缺陷原因及治理 1 缺陷的现象及特征焊接是钢结构连接最重要的手段 焊接方法种类很多 按焊接的自动化程度一般分为手工焊接 半自动焊接及自动化焊接 焊接连接的优点是不削弱截面 节省材料 构造简单 连接方便 连接刚度大 密闭性好 尤其是可以保证等强连接或刚性连接 33 焊接也可能带来以下缺陷 焊接材料不合格 手工焊采用的是焊条 自动焊采用的是焊丝和焊剂 实际工程中通常容易出现三个问题 一是焊接材料本身质量有问题 二是焊接材料与母材不匹配 三是不注意焊接材料的烘焙工作 34 焊接引起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低 使钢材硬化 变脆和开裂 因焊接产生较大的焊接残余变形 因焊接产生严重的残余应力或应力集中 焊缝存在的各种缺陷 如裂纹 焊瘤 边缘未熔合 未焊透 咬肉 夹渣和气孔等等 35 2 原因分析如图3 57所示 焊缝成形不良表现在焊喉不足 余高过大 焊角尺寸不足或过大等 如图3 58 a 所示 气孔是指焊缝表面或内部存在的近似圆球形或洞形的空穴 36 图3 57不合格焊缝剖面形状 a 不合格角焊缝的剖面形状 b 不合格对接焊缝的剖面形状 37 图3 58焊缝缺陷 38 产生气孔的原因是 碱性焊条受潮 酸性焊条烘焙温度太高 焊件不清洁 电流过大使焊条发红 极性不对 保护气体不纯且焊丝锈蚀等 焊缝上的气孔会降低焊缝的机械性能 破坏焊缝的致密性 尤其是连续气孔或链状气孔的影响远远大于独立气孔 且特别对动载下疲劳性能的影响远大于对静力性能的影响 39 如图3 58 b 所示 夹渣是指残存在焊缝中的熔渣或其他非金属夹杂物 产生夹渣的原因是 焊接材料质量不好 熔渣太稠 焊件上或坡口内锈蚀或其他杂质未清理干净 各层熔渣在焊接过程中未彻底清除 电流太小 焊速太快 焊条不当 40 如图3 58 c 所示 咬肉也称咬边 是在靠近焊缝表面的母材处产生的缺陷 产生咬边或咬肉的原因是 电流太大 电弧过长或运条角度不当 焊接位置不当 咬肉或咬边会造成应力集中 尤其对结构动载性能及疲劳性能影响很大 41 如图3 58 d 所示 焊瘤是在焊接过程中 熔化的金属掖滴到焊缝以外未熔化的母体上所形成的金属瘤 产生焊瘤的原因有 焊条质量不好 运条角度不当 焊接质量及焊接规范不当 焊瘤不但影响成形美观 而且易引起应力集中 焊瘤处还易夹渣 未熔合 导致裂缝产生 42 如图3 58 e 所示 未焊透是指焊缝与母材金属之间或焊缝层间局部未熔合 按其在焊缝中的位置可分为 根部未焊透 坡口边缘未焊透和焊缝层间未焊透 产生未焊透的原因是 焊接电流太小 焊接速度太快 坡口角度太小 焊接角度不当 焊条有偏心 焊件上有锈蚀等未清理干净的杂质 焊透缺陷将降低焊缝强度 引起应力集中 导致裂解和结构破坏 43 如图3 58 f 所示 边缘未熔合与焊前钢材表面清理的彻底程度有关 也与焊接电流过小或焊接速度过快以致母材金属未达到熔化状态有关 裂纹是最为严重的焊缝缺陷 如图3 59所示 根据裂纹发生的时间 大致可将裂纹分成高温裂纹和低温裂纹两大类 44 45 46 47 图3 59焊缝接头裂纹种类 48 高温裂纹 高温裂纹也称为加热裂纹 主要与钢材的硫 氧含量有关 焊道下梨状裂纹是常见的一种高温裂纹 主要发生在埋弧焊或二氧化碳气体保护焊中 手工电弧焊则很少发生 此类裂纹产生的原因 主要是焊接条件不当 如电压过低 电流过高 在焊缝冷却收缩时使焊道的断面形状呈现梨形 弧形裂纹也是高温裂纹的一种 其产生原因主要与弧坑处的冷却速度过快 弧坑处的凹形未充分填满所致 49 低温裂纹 低温裂纹也称为冷裂纹 主要与钢材的含磷量 含氮量及含氢量有关 其中根部裂纹是低温裂纹常见的一种形态 低温裂纹产生的原因如下 焊接金属中含氢量较高 通常氮的来源有多种途径 如焊条中的有机物 结晶水及焊接坡口附近的水分 油污等 另外 含磷量及含氢量高也是产生的原因 焊接接头约束力较大 当母材的含碳量较高 冷却速度较快 控制地区硬化 从而导致裂纹的产生 50 3 处理与防治焊缝成形不良的修补措施 采用车削 打磨 铲或碳弧气刨等方法消除多余焊缝金属或部分母材 不应有割痕或咬边 修补焊缝前 应先将所焊区域清理干净 修补焊接时所用焊条直径要小 一般不宜大于4mm 选择合适的焊接规范 51 气孔的防止措施 焊前必须将焊缝坡口表面杂质清理干净 合理选择焊接方法 焊接材料必须烘焙 在风速大的环境下施焊应采取防风措施 另外 对超过规定的气孔必须刨去后重新补焊 52 为防止夹渣 在焊前应选择合理的焊接规范及坡口尺寸 正确掌握操作工艺及使用工艺性能良好的焊条 坡口两侧要清理干净 在多层施焊时要注意认真仔细彻底清理每层的熔渣 特别是碱性焊条 另外 夹渣缺陷的修补一般采用碳弧气刨将其缺陷的焊缝金属除去 手工补焊 53 为了避免咬肉缺陷的措施 在施焊时正确的选择焊接电流和焊接速度 掌握正确的运条方法 采用合适的焊条角度和电弧长度 咬边的修补措施参见焊缝成形不良的处理方法 54 防止焊瘤的措施是 尽可能使焊缝处于平焊位置进行焊接 正确选择焊接规范 正确掌握运条方法 焊瘤的修补一般采用打磨的方法将其打磨光顺 55 为了防止未焊透缺陷 应选择合理的焊接规范 正确选用坡口形式 尺寸 角度和沟隙 采用适当的工艺和正确的操作方法 未焊透的消除方法一般采用碳弧气刨刨去有缺陷的焊缝 用手工焊进行补焊 边缘未熔合的消除方法为采用碳弧气刨刨去焊缝后重焊 56 高温裂纹的防止措施为 选择适当的焊接电压和电流 焊缝的成形一般控制在宽度与高度之比为1 1 4较适宜 弧形裂纹的防止措施是安装必要的引弧板和灭弧板 在焊接因故中断或在焊缝终端应注意填满弧坑 57 低温裂纹的防止措施为 选用低氢或超低氢或其他焊接材料 对焊条或焊剂等进行必要的烘焙 使用时注意保管 焊前应将焊接坡口及其附近的水分 油分 铁锈等杂质清理干净 选择正确的焊接顺序和焊接方向 一般性构件焊接时最好采用由中间向两端对称施焊的方法 进行焊前预热及焊后热处理 降低冷却速度 58 焊接裂纹通常采用的修补措施如下 通过超声波或磁粉探伤检查出裂纹的部位和尺寸 沿焊接裂纹界限各项焊缝两端延长50mm 将焊缝金属或部分母材用碳弧气刨刨去 选择正确的焊接规范 焊接材料以及采用预热 控制层间温度和后热等工艺措施进行补焊 59 四 钢结构运翰 安装和使用维护中的缺陷原因及治理钢结构在工厂制作完成后 运至现场安装 安装完毕进人使用期 在此过程中通常可能遇到以下缺陷 1 运输过程中引起结构或构件较大的变形和损伤 2 吊装过程中引起结构或构件较大的变形和局部失稳 60 3 安装过程中没有足够的临时支撑或锚固 导致结构或构件产生较大的变形 丧失稳定性 甚至倾覆等 4 现场焊接及螺栓连接质量达不到设计要求 5 使用期间由于地基不均匀沉降 温度应力以及人为因素造成的结构损坏 61 6 不能做到定期维护 致使结构腐蚀严重 影响到结构的耐久性 钢结构施工单位应重视安装工序的合理性 人员的高素质以及现场质检工作 尤其是临时支撑和安全措施不可忽视 62 五 钢结构的材料事故的原因及治理1 事故的现象及特征钢结构材料事故是指由于材料本身的原因引发的事故 材料事故可概括为两大类 裂缝事故和倒塌事故 裂缝事故主要出现在钢结构基本构件中 倒塌事故是因材质原因引起的结构局部倒塌和整体倒塌 63 2 原因分析钢结构材料事故的产生原因有 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 64 3 处理与防治材料事故最常见的是构件裂缝 而且裂缝纯属材料本身不合格所引起 应认真复检钢材及连接材料的各项指标 以确认事故原因 钢材应符合 碳素结构钢 GB700 2006 和 低合金结构钢 GB1591 88 中的相关规定 焊接材料应符合 碳钢焊条 GB5117 95 低合金钢焊条 GB5118 85 以及 焊接用焊丝 GB1300 17 等相关标准规定 65 螺栓材料应符合 紧固件机械性能 GB3098 2000 钢结构用高强度大六角螺栓 大六角螺母 垫圈型式尺寸与技术条件 和 钢结构用扭剪型高强度螺栓连接型式尺寸及技术条件 等有关规定 如果构件裂缝的确是材料本身的原因 通常应采用 加固或更换构件 的处理方法 66 如果结构不重要 构件的裂纹细小时 也可按下列处理方法 用电钻在裂缝两端各钻一直径约12 l6mm的圆孔 直径大致与钢板厚度相等 裂缝末端必须落入孔中 减少裂缝处应力集中 沿裂缝边缘用气割或风铲加工成K形坡口 裂缝端部及焊缝侧金属预热到150 200 用焊条堵焊裂缝 堵焊后用砂轮打磨平整为佳 对于铆钉连接附近的构件裂缝 可采用在其端部钻孔后 用高强螺栓封住 67 构件钢板夹层缺陷的处理 钢板夹层是钢材最常见的缺陷之一 往往在构件加工前不易发现 当发现时已成半成品或成品 或者已用于结构投人使用 下面分几类构件介绍钢板夹层处理方法 68 1 桁架节点板夹层处理对于屋盖结构承受静载或间接动载的桁架节点板 当夹层深度小于节点板高度的1 3时 应将夹层表面铲成V形坡口 焊合处理 当允许在角钢和节点板上钻孔时 也可用高强螺栓拧合 当夹层深度等于或大于节点板1 3高度时 应将节点板拆换处理 69 2 实腹梁 柱翼缘板夹层处理 当承受静载的实腹梁和实腹柱翼缘有夹层存在时 可按下述方法处理 在一半长度内 板夹层总长度 连续或间断 不超过200mm 夹层深度不超过翼缘板断面高度1 5且不大于100mm时 可不作处理仍可使用 70 当夹层总长度超过200mm 而夹层深度不超过翼缘断面高度1 5 可将夹层表面铲成V形坡口予以焊合 当夹层深度未超过冀缘断面高度1 2时 可在夹层处钻孔 用高强螺栓拧合 此时应验算钻孔所削弱的截面 当夹层深度超过翼缘断面高度1 2时 应将夹层的一边翼缘板全部切除 另换新板 71 焊缝裂纹处理 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和腹板处的焊缝裂纹 可采用在裂纹两端钻上止裂孔 并在两板之间加焊短斜板方法处理 斜板厚度应大于裂纹长度 72 六 案例某车间为五跨单层厂房 全长759m 宽159m 屋盖共用钢屋架118榀 其中40榀屋架下弦角钢为2 160 14 其肢端普遍存在不同程度的裂缝 见图3 60 裂缝深2 5mm 个别达20mm 缝宽0 1 0 7mm 长0 5 10m不等 73 图3 60屋架下弦角钢裂缝 74 1 原因分析经取样检验 该批角钢材质符合A3F标准 估计裂缝是在钢材生产过程中形成的 由于现场缺乏严格的质量检验制度 管理混乱 而将这批钢材用到工程上 75 2 处理措施由于角钢裂缝造成截面削弱 强度与耐久性降低 必须采取加固措施处理 1 加固原则加固钢材截面一律按已知裂缝最大深度20mm加倍考虑 并与屋架下弦角钢重心基本重合 不产生偏心受拉 其断面按双肢和对称考虑 钢材焊接时 要求不损害原下弦杆件并要防止结构变形 76 2 加固方法在下弦两侧沿长度方向各加焊一根规格为 90 56 6的不等边角钢 加固长度为 当端节间无裂缝时 仅加固到第二节点延伸至节点板一端 见图3 61 a 当端节间下弦有裂缝 则按全长加固 见图3 61 b 77 图3 61屋架下弦加固示意图 78 加固角钢在屋架下弦节点板及下弦拼接板范围内 均采用连续焊缝焊接 其余部位采用间断焊缝与下弦焊接 若加固角钢与原下弦拼接角钢相碰 则在相碰部分切去14mm 切除部分两端加工成弧形 并另在底部加焊一根 63 6 材质为A3F 加强 79 若在屋架下弦节点及拼接板处有裂缝 均在底部加焊一根 63 6角钢 加固角钢本身的拼接在端头适当削坡等强对接 但要求与原下弦角钢拼接错开不少于500mm 所有下弦角钢裂缝部分用砂轮将表面打磨后 用直径3mm焊条电焊封闭 以防锈蚀 焊条用T42 80 二 钢结构的变形事故 一 钢结构的变形事故原因与治理1 事故的现象及特征钢结构的变形可分为总体变形和局部变形两类 总体变形是指整个结构的外形和尺寸发生变化 出现弯曲 畸变和扭曲等 如图3 62所示 81 图3 62总体变形 a 弯曲变形 b 畸变 c 扭曲 82 局部变形是指结构构件在局部区域内出现变形 例如 构件凹凸变形 端面的角变位 板边褶皱波浪形变形等 如图3 63所示 83 图3 63总体变形 a 凹凸变形 b 褶皱波浪变形 c 角变形 84 总体变形与局部变形在实际的工程结构中有可能单独出现 但更多的是组合出现 无论何种变形都会影响到结构的美观 降低构件的刚度和稳定性 给连接和组装带来困难 尤其是附加应力的产生 将严重降低构件的承载力 影响到整体结构的安全 85 2 原因分析钢结构的形成过程为 材料 构件 结构 在形成的过程中变形原因如下 1 钢材的初始变形钢结构所用的钢材常由钢厂以热轧钢板和热轧型钢供应 热轧钢板厚度为4 5 60mm 薄钢板厚度为0 35 4 0mm 热轧型钢包括角钢 槽钢 工字钢 H型钢 钢管 C型钢 T型钢 其中冷弯薄壁型钢厚度在2 6mm 86 钢材由于轧制及人为因素等原因 时常存在初始变形 尤其是冷弯薄壁型钢 因此在钢结构构件制作前必须认真检查材料 矫正变形 不允许超出钥材规定的变形范围 87 2 加工制作中的变形1 冷加工产生的变形剪切钢板产生变形 一般为弯扭变形 窄板和厚板变形大一点 刨削以后产生的弯曲变形 窄板和薄板变形大一点 2 制作 组装带来的变形由于加工工艺不合理 组装场地不平整 组装方法不正确 支撑不当等原因 引起的变形有弯曲 扭曲和畸变 88 3 焊接变形焊接过程中的局部加热和不均匀冷却使焊件在产生残余应力的同时还将伴生变形 焊接变形又称焊接残余变形 通常包括纵向和横向收缩变形 弯曲变形 角变形 波浪变形和扭曲变形等 焊接变形产生的主要原因是焊接工艺不合理 电焊参数选择不当和焊接遍数不当等 焊接变形应控制在制造允许误差限制以内 89 3 运输及安装过程中产生的变形运输中不小心 安装工序不合理 吊点位置不当 临时支撑不足 堆放场地不平 尤其是强迫安装 均会使结构构件变形明显 4 使用过程中产生的变形钢结构在使用过程中由于超载 碰撞 高温等原因都会导致变形 90 3 处理与防治碳素结构钢在环境温度低于 16 低合金结构钢在环境温度低于 12 时 不得进行冷矫正 碳素结构钢和低合金结构钢在加热矫正时 加热温度应根据钢材性能选定 但不得超过900 低合金钢在加热矫正后应缓慢冷却 91 当构件变形不大时 可采用冷加工矫正和热加工矫正 当变形较大又很难校正时 应采用加固或调换新件进行修复 钢材矫正后的允许偏差值应满足表3 12的要求 钢构件外形尺寸的允许偏差值应满足规范的要求 92 表3 12钢材矫正后的允许偏差 mm 93 94 二 屋架变形和尺寸偏差案例1 屋架倾斜弯曲 1 工程与事故概况某单层厂房跨度36m 柱距6m 钢屋架安装完成后 发现有两榀屋架上弦中点倾斜度分别为57mm和36mm 下弦中点分别弯曲21mm和7mm 倾斜度超过 钢结构工程施工及验收规范 允许偏差 h 250 2800 250 11 2mm 和不大于15mm的要求 95 2 原因分析 屋架侧向刚度差 在焊接支撑时发生了变形 没有及时检查纠正 屋架制作时就存在弯曲 96 3 处理措施 减小上弦平面外的支点间距 在无大型屋面板的天窗部位 将原设计的剪刀撑改为米字形支撑 使支点间距由6m小为3m 提高承载能力 屋架上弦原设计水平拉杆为 75 6 改为双角钢2 90 6 使其可承受压力 将屋面板各点焊缝加强 以增大屋面刚度 使其能起上弦支撑的作用 处理情况见图3 46 97 图3 46支撑加强示意图 98 2 屋架端头超长 1 工程与事故概况某单层厂房有钢屋架118榀 其中有5榀屋架超长 因柱已最后固牢 造成屋架无法安装 经检查超长尺寸一般为20 40mm 最长达80mm 99 2 原因分析 下弦端头连接板与接头未顶紧 存在5 10mm间隙 两半屋架拼接时 长度控制不严 存在较大的正偏差 钢柱安装存在向跨内倾斜的竖向偏差 允许偏差为H 1000 18300 1000 18 3mm 有的实际偏差达30mm 100 3 处理措施屋架超长值 30mm时 将一端切除20 25mm 重新焊接端头支承板 并将焊缝加厚2mm 超长值 30mm时 两端切除重焊连接板 由于连接板内移 造成下弦及腹杆轴线偏出支承连接板外 使屋架端头杆件内力增大 因此 对端节间的斜腹杆需要加固 在一侧焊楔形角钢或钢板 使轴线交点在屋架端头支承连接板处 见图3 65 101 图3 65屋架加固示意图 102 三 钢结构的脆性断裂事故 1 事故的现象及特征钢结构是由钢材组成的承重结构 虽然钢材是一种弹塑性材料 尤其是低碳钢表现出良好的塑性 但在一定的条件下 由于各种因素的复合影响 钢结构也会发生脆性断裂 而且往往在拉应力状态下发生 脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力 低于钢材屈服强度或抗拉强度 情况下发生的突然断裂破坏 103 钢结构的脆性断裂通常具有以下特征 破坏时的应力常小于钢材的屈服强度寿 有时仅为不的0 2倍 破坏之前没有显著变形 吸收能量很小 破坏突然发生 无事故先兆 断口平齐光亮 104 脆性破坏是钢结构极限状态中最危险的破坏形式 由于脆性断裂的突发性 往往会导致灾难性后果 因此 作为钢结构专业技术人员 应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范 105 2 原因分析虽然钢结构的塑性很好 但仍然会发生脆性断裂 这是由于各种不利因素的综合影响或作用的结果 主要原因可归纳为以下几方面 106 1 材质缺陷当钢材中碳 硫 磷 氧 氮 氢等元素的含量过高时 将会严重降低其塑性和韧性 脆性则相应增大 通常 碳导致可焊性差 硫 氧导致 热脆 磷 氮导致 冷脆 氢导致 氢脆 另外 钢材的冶金缺陷 如偏析 非金属夹杂 裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力 107 2 应力集中钢结构由于孔洞 缺口 截面突变等缺陷不可避免 在荷载作用下 这些部位将产生局部高峰应力 而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中 108 通常把截面高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数 以表明应力集中的严重程度 当钢材在某一局部出现应力集中 则出现了同号的二维或三维应力场 使材料不易进人塑性状态 从而导致脆性破坏 应力集中越严重 钢材的塑性降低愈多 同时脆性断裂的危险性也愈大 109 钢结构或构件的应力集中主要与其构造细节有关 在钢构件的设计和制作中 孔洞 陷在所难免 焊接作为钢结构的主要连接方法 刻槽 凹角 缺口 裂纹以及截面突变等缺虽然有众多的优点 但不利的是 焊缝缺陷以及残余应力的存在往往成为应力集中源 110 据资料统计 焊接结构脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓连接结构 主要有以下原因 焊缝或多或少存在一些缺陷 如裂纹 夹渣 气孔 咬肉等这些缺陷将成为断裂源 焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力 前者与其他因素组合作用可能导致开裂 111 焊接结构的连接往往刚性较大 当出现多焊缝汇交时 材料塑性变形很难发展 脆性增大 焊接使结构形成连续的整体 一旦裂缝开展 就可能一裂到底 不像铆接或螺栓连接 裂缝一遇螺孔 裂缝就会终止 112 3 使用环境当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时 钢结构脆性破坏的可能性增大 众所周知 温度对钢材的性能有显著影响 在0 以上 当温度升高时 钢材的强度及弹性模量E均有变化 一般是强度降低 塑性增大 113 温度在200 以内时 钢材的性能没有多大变化 但在250 左右时钢材的抗拉强度反弹 fy有较大提高 而塑性和冲击韧性下降 出现所谓的 蓝脆现象 此时进行热加工钢材易发生裂纹 当温度达600 fy及E均接近于零 我们认为钢结构几乎完全丧失承载力 114 当温度在0 以下 随温度降低 钢材强度略有提高 而塑性和韧性降低 脆性增大 尤其是当温度下降到某一温度区间时 钢材的冲击韧性值急剧下降 出现低温脆断 通常又把钢结构在低温下的脆性破坏称为 低温冷脆 现象 产生的裂纹称为 冷裂纹 因此 在低温下工作的钢结构 特别是受动力荷载作用的钢结构 钢材应具有负温冲击韧性的合格保证 以提高抗低温脆断的能力 115 4 钢板厚度随着钢结构向大型化发展 尤其是高层钢结构的兴起 构件钢板的厚度大有增加的趋势 钢板厚度对脆性断裂有较大影响 通常钢板越厚 脆性破坏倾向愈大 层状撕裂 问题应引起高度重视 116 综上所述 材质缺陷 应力集中 使用环境以及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素 其中应力集中的影响尤为重要 117 在此值得一提的是 应力集中一般不影响钢结构的静力极限承载力 在设计时通常不考虑其影响 但在动载作用下 严重的应力集中加上材质缺陷 残余应力 冷却硬化 低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因 118 3 处理与防治钢结构设计是以钢材的屈服强度寿作为静力强度的设计依据 它避免不了结构的脆性断裂 随着现代钢结构的发展以及高强钢材的大量采用 防止其脆性断裂已显得十分重要 可以从以下几方面入手 119 1 合理选择钢材钢材通常选用的原则是既保证结构安全可靠 同时又要经济合理 节约钢材 具体而言 应考虑到结构的重要性 荷载特征 连接方法以及工作环境 尤其是在低温下承受动载的重要的焊接结构 应选择韧性高的材料和焊条 120 另外 改进冶炼方法 提高钢材断裂韧性 也是减少脆断的有效途径 我国 碳素结构钢 GB700 88 已参照国际标准将Q235钢分为A B C D四级 其中 A级 不要求冲击试验 B级 要求 20 冲击试验 C级 要求0 冲击试验 D级 要求一20 冲击试验 在此说明一点 对于焊接结构至少应选用Q235B 121 2 合理设计合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平 最低工作温度 荷载特征 应力集中等因素后 再选择合理的结构形式 尤其是合理的构造细节十分重要 设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度 尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性 122 比如 把结构设计为超静定结构并采用多路径传力可减少脆性断裂的危险 接头或节点的承载力设计应比其相连的杆件强20 50 构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄 切记 增加构件厚度将增加脆断的危机 尤其是设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中 123 3 合理制作和安装就钢结构制作而言 冷热加工易使钢材硬化变脆 焊接尤其易产生裂纹 类裂纹缺陷以及焊接残余应力 就安装而言 不合理的工艺容易造成装配残余应力及其他缺陷 因此制定合理的制作安装工艺并以减少缺陷及残余应力为目标是十分重要的 124 4 合理使用及维修措施钢结构在使用时应力求满足设计规定的用途 荷载及环境 不得随意变更 此外 还应建立必要的维修措施 监视缺陷或损坏情况 以防患于未然 125 四 钢结构的疲劳破坏事故 1 事故的现象及特征钢结构的疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下在应力远低于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生的一种破坏 就断裂力学的观点而言 疲劳破坏是从裂纹起始 扩展到最终断裂的过程 126 疲劳破坏与静力强度破坏是截然不同的两个概念 它与塑性破坏 脆性破坏相比 具有以下特点 1 疲劳破坏是钢结构在反复交变动载作用下的破坏形式 而塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静载作用下的破坏形式 127 2 疲劳破坏虽然具有脆性破坏特征 但不完全相同 疲劳破坏经历了裂缝起始 扩展和断裂的漫长过程 而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下瞬间突然发生 128 3 就疲劳破坏断口而言 一般分为疲劳区和瞬断区 图3 66 疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程 颜色发暗 表面有较清楚的疲劳纹理 呈沙滩状或波纹状 瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点 瞬断区晶粒粗亮 129 图3 66疲劳断口分区 130 2 原因分析疲劳是一个十分复杂的过程 从微观到宏观 疲劳破坏受到众多因素的影响 尤其是对材料和构件静力强度影响很小的因素 对疲劳影响却非常显著 例如构件的表面缺陷 应力集中等 131 影响钢结构疲劳破坏的主要因素是应力幅 构造细节和循环次数 而与钢材的静力强度和最大应力无明显关系 该观点尤其对焊接钢结构更具有正确性 132 焊接结构由于在焊缝及其附近主体金属通常均存在残余应力 有时其数值高达屈服点值fy 故在反复荷载作用下的实际应力循环 最大拉应力是从fy开始 即 min fy 然后下降到 min 再升至fy 用 max min表示其应力幅 133 在不同应力幅作用下 各类构件和连接产生疲劳破坏的应力循环次数不同 应力幅愈大 循环次数愈少 当应力幅小于一定数值时 即使应力无限次循环 也不会产生疲劳破坏 即达到通称的疲劳极限 钢结构设计规范 GB50017 2003 参照有关标准的建议 将N 5 10000次被视为各类构件和连接疲劳极限对应的应力循环次数 应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著 而构造细节是应力集中产生的根源 134 3 处理与防治由疲劳性能的三个影响因素来看 应力幅及循环次数N是客观存在的事实 因此 提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力集中人手 具体措施如下 1 精心选材 对用于动载作用的钢结构或构件 应严格控制钢材的缺陷 并选择优质钢材 2 精心设计 力求减少截面突变 避免焊缝集中 使钢结构构造做法合理化 135 3 精心制作 使缺陷 残余应力等减小到最低程度 4 精心施工 避免附加应力集中的影响 5 精心使用 避免对结构的局部损害 如划痕 开孔 撞击等 136 6 修补焊缝 目的是缓解缺陷产生的应力集中 方法如下 对于对接焊缝 磨去焊缝表面部分 如对接焊缝的余高 如果焊缝内部无显著缺陷 疲劳强度可以提高到和母材相同 137 对于角焊缝 应打磨焊趾 焊缝的趾部时常存在咬肉 咬边 等切口 且有焊渣侵入 因此 要得到较好的效果 必须像图3 67所示B缝那样 不仅磨去切口 还要将板磨去0 5mm 以除去侵人的焊渣 这种做法虽然使钢板截面稍有削弱 但影响并不大 138 如果像图中A缝那样磨去部分焊缝 就得不到改善的效果 图3 67所示为横向角焊缝 对于纵向角焊缝 则可打磨它的端部 使截面变化趋于缓和 打磨后的表面不应有明显刻痕 139 图3 67角焊缝打磨 140 对于角焊缝的趾部 用气体保护钨弧重新熔化 可以起到消除切口的作用 此方法在不同应力幅的情况下疲劳寿命都能同样提高 在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入残余压应力 是改善疲劳性能的一个有效方法 残余压应力和锤击造成的冷工硬化均会使疲劳强度提高 同时尖锐切口也被缓减 141 依靠精心的选材 设计 制作 安装和使用 再加上焊接之后的一些特殊工艺措施 可以达到提高和改善疲劳性能的作用 142 五 钢结构失稳破坏事故 一 钢结构失稳破坏事故原因及治理钢结构工程事故的发生 因失稳破坏者屡见不鲜 例如 1997年加拿大魁北克大桥在施工中破坏 9000t钢结构全部坠入河中 桥上施工人员有75人遇难 其破坏是因悬臂的受压下弦失稳造成的 143 1970年前后世界范围内也多次出现大跨箱形截面钢梁桥事故 美国哈特福特体育馆网架结构 平面尺寸为92m 110m 突然于1978年破坏而落地 破坏起因是压杆屈曲 我国也不例外 1988年太原曾发生过13 2m 17 99m网架塌落事故 144 1 事故的现象及特征钢结构具有塑性好的显著特点 当结构因抗拉强度不足而破坏时 破坏前有先兆 呈现出较大的变形 但当结构因受压稳定性不足而破坏时 可能失稳前变形很小 呈现出脆性破坏的特征 而且脆性破坏的突发性也使得失稳破坏更具危险性 145 钢结构失稳可分为整体失稳和局部失稳 但就性质而言 又可分为以下三类 146 1 平衡分岔失稳完善的 即无缺陷 挺直的 轴心受压构件和完善的中面受压平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题 属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等 平衡分岔失稳也叫分支点失稳 还可称为第一类稳定问题 它可分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳两种 147 稳定分岔失稳这类屈曲的特点是有一稳定的平衡状态 结构在到达临界状态时 从未屈曲的平衡位形过渡到无限邻近的屈曲平衡位形 即由直杆而出现微弯 此后变形的进一步加大 要求荷载增加 如图3 68 直杆轴心受压和平面在中面受压都属于此类情况 板有较显著的屈曲后强度 目前在门式刚架设计中已得到利用 148 图3 68稳定分岔失稳 149 不稳定分岔失稳结构屈曲后只能在远比临界荷载低的荷载下维持平衡位形 例如承受均匀轴向荷载的柱壳 图3 69 承受均匀外压力的全球壳 缀条柱 薄壁型钢方管压杆等 此类屈曲也叫 有限干扰屈曲 因为在有限干扰作用下 在达到分岔屈曲荷载前就可能由半屈曲平衡位形转到非邻近的屈曲平衡位形 150 稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳对缺陷的敏感性截然不同 图3 68和图3 69中虚线所示的是构件有几何缺陷时荷载与变形关系 显然 图中这些虚线不再有分岔点 151 不同的是 图3 68中虽有缺陷 但荷载仍然可以高于临界值 而在图3 69中 荷载的极低值比无缺陷时大幅度降低 因此不稳定分岔失稳对缺陷特别敏感 设计该类结构时若无视缺陷影响 必将带来严重后果 152 2 极值点失稳极值点失稳也称为第二类稳定间题 如图3 70所示 具有极值点失稳的偏心受压构件的荷载挠度曲线只有极值点B 没有出现如理想轴压构件那样在同一点存在两种不同变形状态的分岔点 构件弯曲变形的性质没有改变 故此失稳称为极值点失稳 153 图3 69不稳定分岔失稳图3 70极值点失稳 154 它是指用建筑钢材做成的偏心受压构件 在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力 像双向受弯构件 双向弯曲压弯构件的弹塑性弯扭失稳都属于极值点失稳 对于实际的轴压构件 由于初弯曲 初偏心等几何缺陷的存在也应属于偏心受压构件的范畴 因此极值点失稳现象十分普遍 155 3 跃越失稳此类屈曲的特点是 既无平衡分岔点 又无极值点 但和不稳定分岔失稳又有一些相似之处 其结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形 其间出现很大的变形 且都是从丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡 然后重新获得稳定平衡 属于此类失稳的有铰接坦拱 扁壳 扁平的网壳结构等 156 此类屈曲虽然在发生跃越后荷载可以大于临界值 但实际工程中不允许出现这样大的变形 由于过大的变形会导致结构破坏 故应该以临界荷载作为承载的极限 157 图3 71为一两端铰接的坦拱 在均布荷载q作用下有挠度 其荷载挠度曲线也有稳定的上升段OA 但到达曲线最高点A时会突然跳跃到一个非邻近的具有很大变形的C点 拱结构顷刻下垂 其中虚线AB是不稳定的 BC段虽然是稳定的而且一直是上升的 但此时结构已经破坏 故不能被利用 158 图3 71跃越失稳 159 2 原因分析 1 整体失稳事故原因分析 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 稳定验算公式错误 只验算基本构件的稳定 忽视整体结构的稳定验算 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等 160 制作缺陷 制作缺陷通常包括构件的初弯曲 初偏心 热轧冷加工以及焊接产生的残余变形等 这些缺陷将对钢结构的稳定承载力产生显著影响 161 临时支撑不足 钢结构在安装过程中 当尚未完全形成整体结构之前 属几何可变体系 构件的稳定性很差 因此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 若临时支撑设置不合理或者数量不足 轻则会使部分构件丧失稳定 重则造成整个结构在施工过程中倒塌或倾覆 162 使用不当 结构竣工投人使用后 使用不当或意外因素也是导致失稳事故的主因 例如 使用方随意改造使用功能 改变构件的受力状态 由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 意外的冲击荷载等等 163 2 局部失称事故原因分析 设计错误 设计人员忽视甚至不进行构件的局部稳定验算 或者验收方法错误 致使组成构件的各类板件宽厚比和高厚比大于规范限值 构造不当 通常在构件局部受集中力较大的部位 原则上应设置构造加劲肋 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 但实际工程中 加劲肋数量不足 构造不当的现象比较普遍 164 原始缺陷 原始缺陷包括钢材的负公差严重超规 制作过程中焊接等工艺产生的局部鼓曲和波浪形变形等 吊点位置不合理 在吊装过程中 尤其是大型的钢结构构件 吊点位置的选定十分重要 吊点位置不同 构件受力的状态也不同 有时构件内部过大的压应力将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 165 3 处理与防治当钢结构发生整体失稳事故而倒塌后 整个结构已经报废 事故的处理已没有价值 但对于局部失稳事故可以采取加固或更换板件的做法 钢结构失稳事故应以防范为主 应该遵守以下原则 166 1 设计人员应强化稳定设计理念 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 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 167 构件的稳定计算与细部构造的稳定计算必须其要有强节点的概念 强度问题通常采用一阶分析 而稳定问题原则上应采用二阶分析 叠加原理适用于强度问题 不适用于稳定问题 处理稳定问题应有整体观点 应考虑整体稳定和局部稳定的相关影响 168 2 制作单位应力求减少缺陷在常见的众多缺陷中 初弯曲 初偏心 残余应力对稳定承载力影响最大 因此 制作单位应通过合理的工艺和质量控制措施将缺陷减低到最小程度 169 3 施工单位应确保安装过程中的安全施工单位只有制定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 才能防止钢结构安装过程中失稳 确保结构安全 170 4 使用单位应正常使用钢结构建筑物一方面 使用单位要注意对已建钢结构的定期检查和维护 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受力 171 六 钢结构失稳破坏事故案例 一 单层厂房屋盖局部倒塌1 工程与事故概况原苏联某钢厂冷轧车间