既有钢结构的缺陷及防治 PPT课件

既有钢结构的缺陷及防治 讲述人 吴涛导师 张曙光 1 既有钢结构的缺陷及防治 钢结构因其自重轻 强度高 塑性及韧性好 抗震性能优越 工业装配化程度高 被公认为性能优良结构 但目前钢结构工程也存在着许多缺陷 这些缺陷引起的危害后果应引起高度重视 使用过程中产生各种缺陷 会引起结构损坏 从而导致质量事故和经济损失 所以有必要对钢结构的缺陷进行认真分析 同时 环境因素对钢结构的安全性 实用性 耐久性也产生很大影响 2 一 技术和人为因素对钢结构造成的缺陷 缺陷类型 设计缺陷自身材质缺陷制作缺陷安装缺陷链接缺陷使用缺陷 3 1 设计缺陷 目前我国从事钢结构设计人员相对较少 设计人员水平相对较低 设计人员过分依赖计算机 缺乏工程背景和设计经验 人工干预的能力较差 同时 过分的追求低耗钢量或低造价导致结构的可靠性偏低 在设计阶段最主要的是人为错误的影响 4 常见的设计缺陷如下 结构选型和设计方案不合理 计算简图不当 结构计算错误 荷载取值与实际受力情况不符 材料选用不妥 如强度 韧性 疲劳 焊条 焊丝 焊接方法 焊接性能等 不能满足工程要求 结构节点构造不合理 造成致命缺陷 对施工阶段的特点和使用阶段的特殊要求考虑不周全 没有按设计规范或没有相应的规范 规程规定 5 2 自身材质缺陷 钢材的种类不同 缺陷也自然不同 钢材的质量主要取决于冶炼 浇铸 轧制过程中的质量控制 材质的缺陷主要包括 化学成分的缺陷冶炼及轧制缺陷 6 2 1化学成分缺陷 化学成分对钢材的性能有重要影响 普通低碳钢有C Mn Si S P O N H8种化学成分 它们均对钢材的性能有不同影响 其中C Mn Si是有益元素 但不可过量 S P O N H属于有害杂质 从有害影响的角度看 钢材的化学成分将产生先天性的缺陷 应严格加以控制 7 2 2冶炼及扎制缺陷 在钢材的冶炼和轧制过程中由于质量控制不严 在某些环节出现问题 如碳等微量元素含量不合理 有害元素 成分 和杂质含量过高 钢锭冷却温度和时间控制不当 轧制温度和工艺控制不严等等 将会使钢材质量下降并含有这样或那样的缺陷 8 常见的缺陷有下列几种 l 发裂 主要是由热变形过程中 轧制或锻造 钢内的气泡及非金属夹杂物引起的 发裂的防止最好由冶金工艺解决 2 夹层 产生夹层的主要原因有 钢锭内非金属杂质氢气的析出 含锰量太大 偏析严重 钢锭微孔未完全切除或凝固时部分金属流失等 避免钢材夹层必须在冶炼过程中消除气泡 轧制过程中温度适当 压下比正确 9 3 白点 钢材的白点是因含氢量太大和组织内应力太大相互影响而形成的 它使钢材质地变松 变脆 丧失韧性 产生破裂 在炼钢时 尽可能不使氢气进入钢水中 并且做到钢锭均匀退火 轧制前合理加热 轧制后缓慢冷却 即可避免钢材中的白点 4 内部破裂 轧制钢材过程中 若其塑性较低 或轧制时压量过小 特别是上下轧辊的压力曲线不 相交 则同外层的延伸量不等 引起钢材的内部破裂 这种缺陷可以用合适的轧制压缩比 钢锭直径与钢坯直径之比 来补救 10 5 斑疤 这是一种表面粗糙的缺陷 可能产生在各种轧材 型钢及钢板的表面 它会使薄钢板成型时的冲压性能变坏 甚至产生裂纹和破裂 6 划痕 一般都产生在钢板的下表面主要是由轧钢设备的某些零件摩擦所致 7 切痕 它是薄板表面上常见的折叠得比较好的形似接缝的折皱 在屋面板与薄铁板的表面上尤为常见 11 8 过热 过热是指钢材加热到上临界点后还继续升高温度时 其机械性能变差 如抗拉强度 特别是冲击韧性显著降低的现象 它是由于钢材晶粒在经过上临界点后开始胀大所引起的 可用退火的方法使过热金属的结晶颗粒变细 恢复其机械性能 9 机械性能不合格 钢材的机械性能一般要求抗拉强度 屈服强度 伸长率和截面收缩率四项指标得到保证 有时再加上冷弯 用在动力荷载和低温时还须要求冲击韧性 如果上述机械性能大部分不合格 钢材只能报废 若仅有个别项达不到要求 可作等外品处理 12 10 过烧 当金属的加热温度很高时 钢内杂质集中的晶粒边界开始氧化和部分溶化时发生过烧现象 由于溶化的结果 晶粒边界周围形成一层很小的非金属薄膜将品粒隔开 因此过烧的金属经不起变形 在轧制或锻造过程中易产生裂纹和龟裂 有时甚至裂成碎块 过烧的金属为废品 只能回炉重炼 因为这种金属不论用什么热处理方法都不能挽回 11 化学成分不合格或偏析严重 这将引起钢材可焊性下降 甚至无法焊接 机械性能也不会好 所以 太差的只好报废 稍差的也只可作等外品使用 13 3 制作缺陷 钢构件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是热轧型材和板材 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 钢结构的加工制作由放样 号料 切割 成形加工 制孔 组装 焊接 矫正等一系列的工序组成 每一道工序都有可能产生缺陷 14 钢结构加工制作可能出现的缺陷如下 选材不合格 原材料矫正引起冷作硬化 放样 号料尺寸超公差 切割边未加工或达不到要求 孔径误差 冲孔未作加工 存在硬化区和微裂纹 构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹 构件热加工引起的残余应力 表面清洗防锈不合格 15 4 安装缺陷 装配化程度高是钢结构的一大特点 在钢结构的安装阶段出现事故的频率与施工组织设计紧密相关 对该阶段的缺陷应高度重视 钢结构安装阶段可能出现的缺陷如下 结构位置出现偏差 由于机械作用而引起的构件扭曲和局部变形 安装顺序及工艺不当 甚至错误 吊装 定位 校正方法不正确 临时支撑刚度不足 安装中的稳定性差 现场焊接及螺栓施工质量达不到设计要求 连接节点处构件的装配不精确 防火及防腐做法不达标 16 5 连接缺陷 钢结构的连接方法有铆接 栓接 焊接3种 目前栓焊混合连接采用较多 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 17 5 1铆接缺陷 铆接传力可靠 塑性 韧性较好 在20世纪上半叶以前曾是钢结构的主要连接方法 由于铆接是现场热作业 目前只在桥梁结构和吊车梁构件中偶尔使用 铆接连接给钢结构带来的主要缺陷有 铆钉本身不合格 铆钉引起构件截面削弱 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 18 5 2栓接缺陷 栓接包括普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类 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 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 尤其是摩擦面系数达不到要求 19 5 3焊接缺陷 焊接是钢结构连接最重要的手段 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 焊接给钢结构带来的主要缺陷有 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 焊接会产生较大的焊接残余变形 焊接会产生严重的残余应力或应力集中 焊缝存在裂纹 焊瘤 边缘未熔合 未焊透 咬肉 夹渣和气孔等缺陷 20 21 6 使用缺陷 钢结构使用阶段可能出现的缺陷如下 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 对建筑物进行超载使用 任意开洞 局部改造削弱了构件截面和结构整体性 使用过程中 材料的腐蚀引起的横断面面积的减少 未在生产条件改变时对建筑物进行必要的鉴定和加固 交变荷载作用下金属内部结构强度发生变化引起的连接破坏 生产操作不当而造成构件或结构损坏但未及时修复 对建筑物不能做到定期维护 致使结构腐蚀严重 影响到结构的耐久性 22 二 环境因素对钢结构造成的缺陷 缺陷类型 温度作用引起的破坏和损伤化学作用引起的破坏和损伤 23 1 温度作用引起的破坏和损伤 钢结构构件安装在热源附近时 会因为温度作用受到损伤 严重时将会引起破坏 在设计中已经明确规定 当构件表面温度超过150 时 在结构防护处理中就要采取隔热措施 一般钢结构构件表面温度达到200 250 时 油漆层破坏 达到300 400 时 构件因温度作用发生扭曲变形 超过400 时 钢材的强度特征和结构的承载能力急剧下降如图一所示 24 25 在高温车间温度变化大时 会出现相当大的温度变形 形成的温度位移 将使结构实际位置与设计位置出现偏差 当有阻碍自由变形的约束作用 如支撑 嵌固等作用时 由此在结构内产生有周期特征的附加应力 在这些应力的作用下也会导致构件的扭曲和或出现裂缝 在温度比较低的环境下 特别是在有应力集中的钢结构构件中 可产生冷脆裂纹 这种冷脆可以在工作应力不变的条件下发生和发展 导致破坏 26 2 化学作用引起的损伤和破坏 钢结构在其正常使用过程中都有其所处的环境 尤其是长期处于腐蚀环境下 如土壤 大气 酸雨 海洋环境等 均会出现腐蚀现象 在不同的腐蚀环境下 金属表面发生的最基本的腐蚀行为 钢结构件的腐蚀及锈蚀会削弱构件的有效截面积 降低构件的承载能力 使构件过早损坏 甚至会使钢构件产生脆破坏的可能性增大 钢材的锈蚀是腐蚀的形式之一 广义而言 钢材的腐蚀包括锈蚀 钢材的腐蚀主要有二类 即电化腐蚀与化学腐蚀 27 钢材的腐蚀损坏可分为四类 l 均匀腐蚀一腐蚀均匀分布于整个钢构件表面 易观察到 此类腐蚀危险性较小 2 不均匀腐蚀一因钢材中杂质分布不均匀等因素 使得钢材表面腐蚀不均匀 此类腐蚀将使结构和构件产生薄弱截面 对构件受力影响大 故危险性较大 28 3 点 坑 腐蚀一钢材表面有集中腐蚀现象 且向纵深发展 甚至使构件蚀穿 同样削弱构件截面 影响构件承载性能 危险性大 4 晶间腐蚀一又可分为应力腐蚀及氢脆两种 这两种晶间腐蚀都易使结构或构件发生脆断 而且无明显的前期变形征兆 故对结构破坏危险性很大 29 三 钢结构缺陷的防治 钢结构的事故是由于其本身存在着缺陷并在其它因素下发展而形成的 钢结构产生缺陷和出现事故的原因大体是相同的 缺陷往往是事故的前兆 因此 对缺陷应当加以防治 对自身存在的缺陷 应在钢材冶炼过程中严格生产工艺 消除各种缺陷 对在钢构件制作 连接和运输安装等过程中产生的缺陷 应严格按照各施工工艺进行 并进行严格的检查 对不合格的要找出原因 不同情况采取不同措施 如焊接中的尺寸不符 咬边 弧坑等缺陷 应采用以相同焊条补焊的处理方法 对焊瘤 夹渣 气孔 未焊透及裂缝等缺陷 应将焊缝铲除 清理干净重焊 30 对于有较严重缺陷的钢结构 应当进行加固 可以采用补强 减轻载重 纠正偏差 更换构件 加大截面 增设构件 改变传力途径 预加应力及粘贴钢板等方法 加固之前 必须对原有