既有钢结构的缺陷及防治

既有钢结构的缺陷及防治

讲述人：吴涛

导师：张曙光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。

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

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。

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。

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

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。

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.

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。(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。(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。(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。(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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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,