既有鋼結(jié)構(gòu)的缺陷及防治

既有鋼結(jié)構(gòu)的缺陷及防治

講述人：吳濤

導(dǎo)師：張曙光既有鋼結(jié)構(gòu)的缺陷及防治

鋼結(jié)構(gòu)因其自重輕、強(qiáng)度高、塑性及韌性好、抗震性能優(yōu)越、工業(yè)裝配化程度高,被公認(rèn)為性能優(yōu)良結(jié)構(gòu)。但目前鋼結(jié)構(gòu)工程也存在著許多缺陷，這些缺陷引起的危害后果應(yīng)引起高度重視。使用過(guò)程中產(chǎn)生各種缺陷，會(huì)引起結(jié)構(gòu)損壞，從而導(dǎo)致質(zhì)量事故和經(jīng)濟(jì)損失，所以有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行認(rèn)真分析。同時(shí)，環(huán)境因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性、耐久性也產(chǎn)生很大影響。

一.技術(shù)和人為因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成的缺陷

缺陷類(lèi)型：設(shè)計(jì)缺陷自身材質(zhì)缺陷制作缺陷安裝缺陷鏈接缺陷使用缺陷

1.設(shè)計(jì)缺陷

目前我國(guó)從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員相對(duì)較少,設(shè)計(jì)人員水平相對(duì)較低。設(shè)計(jì)人員過(guò)分依賴計(jì)算機(jī),缺乏工程背景和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),人工干預(yù)的能力較差。同時(shí),過(guò)分的追求低耗鋼量或低造價(jià)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的可靠性偏低。在設(shè)計(jì)階段最主要的是人為錯(cuò)誤的影響。

常見(jiàn)的設(shè)計(jì)缺陷如下:

結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)方案不合理;計(jì)算簡(jiǎn)圖不當(dāng),結(jié)構(gòu)計(jì)算錯(cuò)誤;荷載取值與實(shí)際受力情況不符;材料選用不妥（如強(qiáng)度、韌性、疲勞、焊條、焊絲、焊接方法、焊接性能等）,不能滿足工程要求;結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不合理,造成致命缺陷;對(duì)施工階段的特點(diǎn)和使用階段的特殊要求考慮不周全，沒(méi)有按設(shè)計(jì)規(guī)范或沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程規(guī)定。

2.自身材質(zhì)缺陷

鋼材的種類(lèi)不同,缺陷也自然不同。鋼材的質(zhì)量主要取決于冶煉、澆鑄、軋制過(guò)程中的質(zhì)量控制。材質(zhì)的缺陷主要包括：

化學(xué)成分的缺陷冶煉及軋制缺陷

2.1化學(xué)成分缺陷

化學(xué)成分對(duì)鋼材的性能有重要影響。普通低碳鋼有C,Mn,Si,S,P,O,N,H8種化學(xué)成分,它們均對(duì)鋼材的性能有不同影響。其中C,Mn,Si是有益元素,但不可過(guò)量;S,P,O,N,H屬于有害雜質(zhì)。從有害影響的角度看,鋼材的化學(xué)成分將產(chǎn)生先天性的缺陷,應(yīng)嚴(yán)格加以控制。

2.2冶煉及扎制缺陷

在鋼材的冶煉和軋制過(guò)程中由于質(zhì)量控制不嚴(yán)，在某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，如碳等微量元素含量不合理、有害元素(成分)和雜質(zhì)含量過(guò)高，鋼錠冷卻溫度和時(shí)間控制不當(dāng)，軋制溫度和工藝控制不嚴(yán)等等.將會(huì)使鋼材質(zhì)量下降并含有這樣或那樣的缺陷.

常見(jiàn)的缺陷有下列幾種:

(l)發(fā)裂:主要是由熱變形過(guò)程中(軋制或鍛造)鋼內(nèi)的氣泡及非金屬夾雜物引起的.發(fā)裂的防止最好由冶金工藝解決.(2)夾層:產(chǎn)生夾層的主要原因有:鋼錠內(nèi)非金屬雜質(zhì)氫氣的析出，含錳量太大，偏析嚴(yán)重，鋼錠微孔未完全切除或凝固時(shí)部分金屬流失等.避免鋼材夾層必須在冶煉過(guò)程中消除氣泡，軋制過(guò)程中溫度適當(dāng)、壓下比正確。(3)白點(diǎn):鋼材的白點(diǎn)是因含氫量太大和組織內(nèi)應(yīng)力太大相互影響而形成的.它使鋼材質(zhì)地變松、變脆、喪失韌性、產(chǎn)生破裂，在煉鋼時(shí)，盡可能不使氫氣進(jìn)入鋼水中，.并且做到鋼錠均勻退火，軋制前合理加熱，軋制后緩慢冷卻，即可避免鋼材中的白點(diǎn)。(4)內(nèi)部破裂:軋制鋼材過(guò)程中，若其塑性較低，或軋制時(shí)壓量過(guò)小，特別是上下軋輥的壓力曲線不“相交”，則同外層的延伸量不等，引起鋼材的內(nèi)部破裂.這種缺陷可以用合適的軋制壓縮比(鋼錠直徑與鋼坯直徑之比)來(lái)補(bǔ)救。(5)斑疤:這是一種表面粗糙的缺陷，可能產(chǎn)生在各種軋材、型鋼及鋼板的表面.它會(huì)使薄鋼板成型時(shí)的沖壓性能變壞，甚至產(chǎn)生裂紋和破裂。(6)劃痕:一般都產(chǎn)生在鋼板的下表面主要是由軋鋼設(shè)備的某些零件摩擦所致。(7)切痕:它是薄板表面上常見(jiàn)的折疊得比較好的形似接縫的折皺，在屋面板與薄鐵板的表面上尤為常見(jiàn)。(8)過(guò)熱:過(guò)熱是指鋼材加熱到上臨界點(diǎn)后還繼續(xù)升高溫度時(shí)，其機(jī)械性能變差，如抗拉強(qiáng)度，特別是沖擊韌性顯著降低的現(xiàn)象.它是由于鋼材晶粒在經(jīng)過(guò)上臨界點(diǎn)后開(kāi)始脹大所引起的，可用退火的方法使過(guò)熱金屬的結(jié)晶顆粒變細(xì)，恢復(fù)其機(jī)械性能。(9)機(jī)械性能不合格:鋼材的機(jī)械性能一般要求抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和截面收縮率四項(xiàng)指標(biāo)得到保證，有時(shí)再加上冷彎;用在動(dòng)力荷載和低溫時(shí)還須要求沖擊韌性.如果上述機(jī)械性能大部分不合格，鋼材只能報(bào)廢;若僅有個(gè)別項(xiàng)達(dá)不到要求，可作等外品處理。(10)過(guò)燒:當(dāng)金屬的加熱溫度很高時(shí)，鋼內(nèi)雜質(zhì)集中的晶粒邊界開(kāi)始氧化和部分溶化時(shí)發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象.由于溶化的結(jié)果，晶粒邊界周?chē)纬梢粚雍苄〉姆墙饘俦∧⑵妨８糸_(kāi).因此過(guò)燒的金屬經(jīng)不起變形，在軋制或鍛造過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋和龜裂，有時(shí)甚至裂成碎塊.過(guò)燒的金屬為廢品，只能回爐重?zé)?，因?yàn)檫@種金屬不論用什么熱處理方法都不能挽回。(11)化學(xué)成分不合格或偏析嚴(yán)重;這將引起鋼材可焊性下降，甚至無(wú)法焊接;機(jī)械性能也不會(huì)好.所以，太差的只好報(bào)廢，稍差的也只可作等外品使用。

3.制作缺陷

鋼構(gòu)件的加工制作主要是鋼構(gòu)件(柱、梁、支撐)的制作。鋼結(jié)構(gòu)制作的基本元件大多是熱軋型材和板材。完整的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,需要通過(guò)將基本元件使用機(jī)械設(shè)備和成熟的工藝方法,進(jìn)行各種操作處理,達(dá)到規(guī)定產(chǎn)品的預(yù)定要求目標(biāo)。鋼結(jié)構(gòu)的加工制作由放樣、號(hào)料、切割、成形加工、制孔、組裝、焊接、矯正等一系列的工序組成。每一道工序都有可能產(chǎn)生缺陷。鋼結(jié)構(gòu)加工制作可能出現(xiàn)的缺陷如下:

選材不合格;原材料矯正引起冷作硬化;放樣、號(hào)料尺寸超公差;切割邊未加工或達(dá)不到要求;孔徑誤差;沖孔未作加工,存在硬化區(qū)和微裂紋;構(gòu)件冷加工引起鋼材硬化和微裂紋;構(gòu)件熱加工引起的殘余應(yīng)力;表面清洗防銹不合格。

4.安裝缺陷

裝配化程度高是鋼結(jié)構(gòu)的一大特點(diǎn)。在鋼結(jié)構(gòu)的安裝階段出現(xiàn)事故的頻率與施工組織設(shè)計(jì)緊密相關(guān),對(duì)該階段的缺陷應(yīng)高度重視。

鋼結(jié)構(gòu)安裝階段可能出現(xiàn)的缺陷如下:結(jié)構(gòu)位置出現(xiàn)偏差;由于機(jī)械作用而引起的構(gòu)件扭曲和局部變形;安裝順序及工藝不當(dāng),甚至錯(cuò)誤;吊裝、定位、校正方法不正確;臨時(shí)支撐剛度不足,安裝中的穩(wěn)定性差;現(xiàn)場(chǎng)焊接及螺栓施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;連接節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件的裝配不精確;防火及防腐做法不達(dá)標(biāo)。

5．連接缺陷

鋼結(jié)構(gòu)的連接方法有鉚接、栓接、焊接3種。目前栓焊混合連接采用較多。一般工廠制作以焊接居多,現(xiàn)場(chǎng)制作以螺栓連接居多或者部分相互交叉使用。

5.1鉚接缺陷

鉚接傳力可靠,塑性、韌性較好,在20世紀(jì)上半葉以前曾是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法。由于鉚接是現(xiàn)場(chǎng)熱作業(yè),目前只在橋梁結(jié)構(gòu)和吊車(chē)梁構(gòu)件中偶爾使用。

鉚接連接給鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的主要缺陷有:鉚釘本身不合格;鉚釘引起構(gòu)件截面削弱;鉚釘松動(dòng),鉚合質(zhì)量差;鉚合溫度過(guò)高,引起局部鋼材硬化;板件之間緊密度不夠。

5.2栓接缺陷

栓接包括普通螺栓連接和高強(qiáng)螺栓連接兩大類(lèi)。螺栓連接給鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的主要缺陷有:螺栓孔引起構(gòu)件截面削弱;普通螺栓連接在長(zhǎng)期動(dòng)載作用下的螺栓松動(dòng);高強(qiáng)螺栓連接預(yù)應(yīng)力松弛引起的滑移變形;螺栓及附件鋼材質(zhì)量不合格;孔徑及孔位偏差;摩擦面處理達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,尤其是摩擦面系數(shù)達(dá)不到要求。

5.3焊接缺陷

焊接是鋼結(jié)構(gòu)連接最重要的手段。焊接連接的優(yōu)點(diǎn)是不削弱截面、節(jié)省材料、構(gòu)造簡(jiǎn)單、連接方便、連接剛度大、密閉性好,尤其是可以保證等強(qiáng)連接或剛性連接。焊接給鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的主要缺陷有:

焊接引起焊縫熱影響區(qū)母材的塑性和韌性降低,使鋼材硬化、變脆和開(kāi)裂;焊接會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余變形;焊接會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中;焊縫存在裂紋、焊瘤、邊緣未熔合、未焊透、咬肉,夾渣和氣孔等缺陷。

6.使用缺陷

鋼結(jié)構(gòu)使用階段可能出現(xiàn)的缺陷如下:使用期間由于地基不均勻沉降、溫度應(yīng)力以及人為因素造成的結(jié)構(gòu)損壞;對(duì)建筑物進(jìn)行超載使用;任意開(kāi)洞、局部改造削弱了構(gòu)件截面和結(jié)構(gòu)整體性;使用過(guò)程中,