鋼結(jié)構(gòu)變形的矯正

1、鋼結(jié)構(gòu)變形的矯正81 鋼結(jié)構(gòu)變形的基本概念 為什么有的船首尾會(huì)上翹中部會(huì)下垂(稱中垂變形)?有的船首尾會(huì)下垂中部會(huì)上拱(稱中拱變形)?在同一艘船上為什么更換一塊甲板，會(huì)比更換一塊同樣大小的船底板造成的總體變形要大?其實(shí)鋼結(jié)構(gòu)箱形構(gòu)件、工字鋼梁與船十分相似。 假如在一根工字鋼“中和軸”處對(duì)稱堆焊，并不會(huì)引起上翹變形(圖8-la)。假如在工字鋼翼面板上堆焊，就會(huì)引起上翹變形。堆焊量愈大，變形愈大(圖8-16)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，橫截面上都有一根與某一基準(zhǔn)面對(duì)應(yīng)的中和軸(重心軸)。其特點(diǎn)是：中和軸以上各個(gè)零件的截面積分別乘以截面積形心到中和軸距離的總和，等于中和軸以下各個(gè)零件截面積分別乘以截面積形心到

2、中和軸距離的總和。假如在工字鋼下面焊一根扁鋼，那么這個(gè)組合件的中和軸就要向下偏移，見(jiàn)圖8-1c。 焊接變形是圍繞型鋼中和軸進(jìn)行的。在上翼板上焊接，工字鋼會(huì)產(chǎn)生中垂變形(圖8-1(b)；若在下翼板上焊接，會(huì)產(chǎn)生中拱變形；若焊縫對(duì)稱于中和軸焊接，從理論上講，不會(huì)產(chǎn)生總體變形。82焊接變形原理 鋼結(jié)構(gòu)施工中，造成結(jié)構(gòu)變形的主要原因是焊接。焊接是在高溫狀態(tài)下進(jìn)行，焊接時(shí)熔池溫度高達(dá)17闐，構(gòu)件受熱是局部的、不均勻的，焊縫區(qū)域受熱后要膨脹，但是焊縫四周的金屬又處于冷的狀態(tài)，阻止受熱金屬的膨脹，使受熱金屬(焊縫金屬)產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力。同時(shí)，金屬在高溫時(shí)，其屈服點(diǎn)很低(當(dāng)溫度為700時(shí)，其屈服點(diǎn)僅為原來(lái)的10

3、左右)，當(dāng)熱金屬內(nèi)的壓縮應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)as后，焊縫內(nèi)的熱金屬就會(huì)造成塑性壓縮變形，此種塑性壓縮變形是不可逆的。隨著加熱金屬的冷卻，壓縮應(yīng)力隨之減小、消失；進(jìn)一步冷卻，加熱區(qū)段開始增長(zhǎng)反方向的應(yīng)力(拉伸應(yīng)力)。但由于周圍冷金屬的阻止，使得熱金屬(焊縫)不能得到充分的收縮，因而又使其內(nèi)部呈現(xiàn)拉伸應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)變形。 從上述分析可以看出，焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生，是由于焊縫區(qū)域受熱不均勻和焊縫周圍金屬的約束所致，而熱膨脹過(guò)程中出現(xiàn)的塑性壓縮變形，便是冷卻中產(chǎn)生殘余變形的根源。 在鋼板上面沿縱向堆焊一條焊縫，此焊縫長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為b。我們把堆上去的焊縫看作是加在鋼板上的熱能，將焊縫的投影面積看作是一分離的板條

4、bxI。板條受熱后，假定四周沒(méi)有冷金屬的約束，板條勢(shì)必膨脹，膨脹長(zhǎng)度厶i，膨脹寬度厶6。但是實(shí)際上板條bxL與鋼板不是分離的，四周會(huì)受到冷金屬的約束而無(wú)法膨脹，所以板條是縮短了長(zhǎng)度L、寬度b。板條的縮短是由于產(chǎn)生壓縮應(yīng)力a0所致，且a0>as因而板條產(chǎn)生塑性變形(縮短)。 當(dāng)焊接完畢溫度降低時(shí)，ao亦下降，板條要收縮，但是由于四周冷金屬的阻止，使得板條無(wú)法得到充分的縮短，因而產(chǎn)生了殘余應(yīng)力(拉應(yīng)力)。板條內(nèi)的拉應(yīng)力使四周的冷金屬造成壓縮，四周的板受到壓縮后，在平面內(nèi)將出現(xiàn)波形。對(duì)于厚度在8mm以下的板，因?yàn)樗呐R界應(yīng)力比屈服點(diǎn)低得多，因此當(dāng)焊縫收縮時(shí)，焊縫內(nèi)呈現(xiàn)的殘余拉應(yīng)力ao(即四周冷

5、金屬所受到的壓應(yīng)力)會(huì)超過(guò)臨界應(yīng)力，因而板易喪失穩(wěn)定性而出現(xiàn)波浪形，在板邊會(huì)產(chǎn)生皺折，見(jiàn)圖8-2。 假如在板的邊緣堆焊，且板是狹長(zhǎng)的，則存在板內(nèi)的拉應(yīng)力會(huì)使板條呈現(xiàn)彎曲變形。又因?yàn)楹缚p是堆焊于鋼板的上面，板的受熱在厚度上分布是不均勻的，因此板要以焊縫處為轉(zhuǎn)折點(diǎn)而產(chǎn)生角變形。角變形與板厚有關(guān)，厚板比薄板的角變形小，這是因?yàn)楹癜宓目箯澞?shù)大，塑性變形小。角變形又與焊足的大小有關(guān)，加大焊足容易造成角變形。因此，從防止變形的觀點(diǎn)出發(fā)，在保證焊縫強(qiáng)度的條件下，連續(xù)的角焊縫比間斷的角焊縫變形要小。 總之，焊接會(huì)引起結(jié)構(gòu)的縱向和橫向收縮變形、角度形、波浪形及構(gòu)件邊緣的皺折算，并能引起結(jié)構(gòu)的總體變形。 影響焊

6、接變形的因素是： (1)加熱程度。變形大小主要受焊接規(guī)范的影響，采用大電流和降低焊接速度都會(huì)使線能量增大，使變形增加。9 螺 栓 連 接91普通螺栓連接911 普通螺栓的種類和特性 (1)材料：一般采用Q235。 (2)形式：大六角頭形，粗牙普通螺栓。其代號(hào)用字母M與公稱直徑(nlm)表示，工程中常用M18、M20、M22、M24。 (3)標(biāo)準(zhǔn)：CB 5780-86，GB 5781-86六角頭螺栓一C級(jí)、六角頭螺栓一全螺紋一C級(jí) CB 5782-5784-86六角頭螺栓一A和B級(jí)、六角頭螺栓一全螺紋一A和B級(jí)。 (4)分類 1)c級(jí)螺栓(原粗制螺栓)：加工粗糙、尺寸不夠準(zhǔn)確，只要求類孔(在單個(gè)

7、零件上一次沖成或不用鉆模鉆成設(shè)計(jì)孔徑的孔)、成本低。栓比孔徑小1520mm，由于?L隙較大，當(dāng)傳遞剪力時(shí)，連接變形大，承受剪力較差，但傳遞拉力性能仍較好，故局限于承受鋼板間的摩擦阻力，重要結(jié)構(gòu)采用c級(jí)螺栓時(shí)，應(yīng)加牛腿或剪切板。c級(jí)螺栓廣泛用于需要裝拆連接，承受拉力的安裝連接，不重要的連接或作安裝時(shí)的臨時(shí)固定等。 2)A級(jí)和B級(jí)螺栓：A級(jí)由車床加工而成，用于拆裝結(jié)構(gòu)或傳遞較大剪力的重要結(jié)構(gòu)。B級(jí)螺栓的直徑不小于24nma，長(zhǎng)度不小于150nm。 A級(jí)螺栓(原精制)和B級(jí)螺栓(原半精制)加工精度較高，要求I類孔，孔徑與栓徑相等，只分別允許其有正和負(fù)公差，栓桿和螺孔間的空隙僅為o3mm左右。因此A緩

8、和B級(jí)螺栓與螺?L為緊配合，受剪性能較好，變形很小，但制造和安裝過(guò)于費(fèi)工，價(jià)格昂貴，目前在鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。 孔壁質(zhì)量屬于下列情況者為I類孔： 在裝配好的構(gòu)件上按設(shè)計(jì)孔徑鉆成的孔； 在單個(gè)構(gòu)件和零件上按設(shè)計(jì)孔徑分別用鉆模鉆成的孔； 在單個(gè)零件上，先鉆成或沖成較小的孔徑，然后在裝配好的構(gòu)件上再擴(kuò)鉆至設(shè)計(jì)孔徑的孔。 (5)螺栓的制圖符號(hào) 在鋼結(jié)構(gòu)施工圖上需將螺栓及螺孔的施工要求，用圖形表示，以免引起混淆(圖9-1)。詳細(xì)表示方法參見(jiàn)建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)(GBl05-87)。 (6)螺栓的有效面積(表9-1)2)構(gòu)造要求 螺栓的間距也不宜過(guò)大。尤其是受壓板件，當(dāng)栓距過(guò)大時(shí)，容易發(fā)生凸曲現(xiàn)象。板和剛性構(gòu)件

9、(如槽鋼、角鋼等)連接時(shí)，栓距過(guò)大不易緊密接觸，潮氣易于侵入縫隙而銹蝕。按規(guī)范規(guī)定，栓孔中心最大間距受壓時(shí)為12do或18tmin。(tmin。為外層較薄板件的厚度)，受拉時(shí)為16do或24tmin，中心至構(gòu)件邊緣最大距離為4do或18txin。 3)施工要求 螺栓應(yīng)有足夠距離，以便于轉(zhuǎn)動(dòng)扳手，擰緊螺母。912 普通螺栓連接的構(gòu)造要求 (1)螺栓的直徑 在同一結(jié)構(gòu)連接中，無(wú)論是臨時(shí)安裝螺栓還是永久螺栓，為了便于制造，宜用同一種直徑的螺栓孔d。螺栓直徑d的選擇根據(jù)連接件的尺寸和受力大小而定，可參照表9-1螺栓的有效面積，按螺栓結(jié)構(gòu)形式和受力大小進(jìn)行計(jì)算。常用的標(biāo)準(zhǔn)螺栓直徑是M16、M18、M20

10、、M22、M24。 (2)螺栓的排列及間距 螺栓的排列及間距可分為并列排列與錯(cuò)位排列兩種，如圖9-2所示。其排列原則如下： 1)受力要求 螺栓孔(do)的最小端距(沿受力方向)為2do，以免板端被剪掉；螺栓孔的最小邊距(垂直于受力方向)為15Jo(切割邊)或12do(軋成邊)。在型鋼上，螺栓應(yīng)排列在型鋼準(zhǔn)線上。中間螺孔的最小間距(栓距和線距)為3do，否則螺孔周圍應(yīng)力集中的相互影響較大，且對(duì)鋼板的截面削弱過(guò)多，從而降低其承載能力。10 鉚 接 工 藝 半個(gè)世紀(jì)以前，鉚接是鋼結(jié)構(gòu)連接的主要形式，例如船舶、大橋等均采用鉚接工藝。 直徑10mm以上鋼鉚釘必須加熱以后“紅鉚”。施工時(shí)工地上煙灰飛舞、施

11、工條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度高，這是鉚接工藝的缺點(diǎn)。但是鉚接具有重新分布高應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，故能減少產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞的危險(xiǎn)。當(dāng)一個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋，可以在鉚縫處終止，防止裂紋蔓延，鉚接不會(huì)有殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形。因此一些受強(qiáng)力的構(gòu)件以及無(wú)法焊接的部位，仍然采用鉚接結(jié)構(gòu)，對(duì)于鉚接結(jié)構(gòu)的修理，仍會(huì)涉及鉚接工藝。對(duì)于構(gòu)件厚度4mm以下的鋼結(jié)構(gòu)工程、鋁合金結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)、金屬與非金屬結(jié)構(gòu)、較多地仍采用鉚接結(jié)構(gòu)。101 施工準(zhǔn)備 (1)鉚釘規(guī)格的選用： 新結(jié)構(gòu)可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；舊結(jié)構(gòu)修理必須根據(jù)結(jié)構(gòu)上鉚釘孔的實(shí)際情況來(lái)確定。鉚接結(jié)構(gòu)一般是50年前所造，那時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不一樣，有的雖然有鉚釘圖紙，但是幾次更換鉚釘之后，鉚釘孔直徑已

12、擴(kuò)大，,-fL深度已增加，圖紙上鉚釘規(guī)格已不適用，必須根據(jù)實(shí)際情況選定鉚釘規(guī)格。 (2)鉚釘材料應(yīng)具有合格證，材料經(jīng)過(guò)拉絲(將盤圓直徑拉細(xì))之后，會(huì)產(chǎn)生冷作硬化，必須作退火處理。 (3)鉚釘成品每批抽三只作冷彎試驗(yàn)，彎到兩頭相碰，彎曲處表面不應(yīng)有裂口和裂紋。每批中應(yīng)抽三只作打扁試驗(yàn)，將其燒紅、塞人孔模打扁到鉚釘錐頭直徑為釘桿直徑的2，5倍，不發(fā)生裂口。 (4)對(duì)于鉚接結(jié)構(gòu)在修理時(shí)改成焊接結(jié)構(gòu)，必須將原構(gòu)件取樣化學(xué)分析，化學(xué)成分應(yīng)符合焊接要求。 (5)制造鉚釘窩子的材料為T8或T8A高碳工具鋼。鉚釘窩子使用壽命與其頸部的加工精度和熱處理工藝有很大關(guān)系。有的鉚釘窩子使用壽命極短、極易在肩部發(fā)生斷裂

13、，其原因是加工時(shí)頸部圓弧處留有刀痕，雖然經(jīng)淬火處理，但未作回火處理，故其韌性很差，往往易在頸部斷裂。改進(jìn)的方法是：頸部放余量、淬火后進(jìn)行回火處理，用磨床加工，消除頸部刀痕。鉚釘窩子熱處理規(guī)范：淬火溫度700800，保溫28-30rain油冷；回火溫度450；500，保溫2h，空冷。102拆換鉚釘工藝102。1 拆卸舊鉚釘方法 (1)鉆孔法。在鉚釘鎖頭上打孔，孔徑比釘桿小lmm，孔深與锪孔深度相當(dāng)，然后將釘桿沖進(jìn)去。 (2)用氣割矩割斷錐頭然后沖進(jìn)去釘桿。 (3)用碳精棒電弧切割，或用氧一乙炔火焰氣割去掉鉚釘鎖頭部分，然后沖進(jìn)去釘桿。1022 割換舊鉚釘?shù)某绦?(1)大量更換鉚釘，應(yīng)分批進(jìn)行。第

14、一批割三留一，待沖去釘桿用螺栓固定后再割卸其余部分鉚釘。 (2)外板接縫鉚釘，一般是割六留二，分兩批割。1023 單換鉚釘?shù)墓に嚰凹夹g(shù)要求 鋼結(jié)構(gòu)不換，單換舊鉚釘，當(dāng)釘桿拆除后，應(yīng)檢查板縫內(nèi)墊料是否完好，若損壞且有條件更換者應(yīng)更換，以保證水密性。 鉚接前應(yīng)去除鉚釘孔內(nèi)氧化鐵及垃圾，同時(shí)用锪孔鉆，將原锪孔圓錐面修刮至露出金屬光澤。若原锪孔處的圓錐面已損壞，要用電焊修補(bǔ)好后再行锪孔。實(shí)踐證明，锪孔圓錐面的好壞，直接影響鉚接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)水密性。103 鉚接新結(jié)構(gòu)施32工藝1031 鉚釘規(guī)格和尺寸(表10-1)1032 鉚釘化學(xué)成分及機(jī)械性能 制作鉚釘?shù)匿摬臑閷Ｓ娩摬腗L2、ML3及普通碳鋼，其化學(xué)成分

15、與力學(xué)性能如表10-2、表10-3所示。圓形筒倉(cāng)因焊接引起的變形主要有橢圓超差、局部棱角度超差，周長(zhǎng)超差。不宜采用火焰矯正。    橢圓超差的處理：一般采用撐、拉法，即用鋼管或型鋼截取至要求長(zhǎng)度，斜放入筒倉(cāng)內(nèi)，用錘擊或千斤頂送至最小直徑并調(diào)整至垂直于接口平面，將其撐大。另一方法則用葫蘆將最大處拉緊，使其縮小。    棱角度超差的處理：若構(gòu)件的板厚較薄，采用大錘拍打?qū)ψ冃翁庍M(jìn)行調(diào)整，一般可用較厚的鋼板按筒倉(cāng)半徑切割幾塊12m長(zhǎng)的弓形，點(diǎn)焊在變形處，然后用鍥鐵進(jìn)行調(diào)整處理。    周長(zhǎng)超差的處理：一般先測(cè)量要

16、組對(duì)口的上、下周長(zhǎng)，視其差值確定處理方法，若差值不太大，采用平均分配法，將圓周先進(jìn)行等分，在每一等分內(nèi)分配一定的偏差值進(jìn)行組對(duì)。若測(cè)量的差值過(guò)大，只好采用開膛大法了，將筒倉(cāng)的縱焊縫割開，割除多余的料，然后合攏焊接，最后再進(jìn)行組對(duì)。    拼焊H鋼(吊車梁亦為該結(jié)構(gòu)形式)的焊接變形主要有彎曲、扭曲、冀緣波浪。在加工廠內(nèi)最好機(jī)械矯正，如H型鋼整形機(jī)或壓力機(jī)等。若在施工現(xiàn)場(chǎng)，則主要采用火焰矯正法。    彎曲的處理：對(duì)要處理的構(gòu)件先測(cè)量，確定最大彎曲量及所在位置，然后用火焰對(duì)彎曲處附近進(jìn)行三角形加熱(加熱點(diǎn)的數(shù)量與距離將視彎曲變形情況來(lái)確定)，最后才加熱變形量最大處。加熱時(shí)應(yīng)注意控制加熱溫度不宜超過(guò)臨界點(diǎn)。加熱至鋼材微紅，即用水急冷，如此反復(fù)直至變形得以矯正。