鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量缺陷分析及防治措施.ppt

第四節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量 缺陷分析與防治措施,鋼結(jié)構(gòu)作為一種承重結(jié)構(gòu)，由于其自重輕、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、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著、造型美觀以及符合綠色建筑等眾多優(yōu)點(diǎn)，深受建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的青睞，被廣泛應(yīng)用于各類建筑中，尤其在大跨和超高層建筑領(lǐng)域顯示出無(wú)以倫比的優(yōu)勢(shì)。,但世界范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的事故頻繁發(fā)生，慘痛的教訓(xùn)一再重復(fù)。國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料表明，絕大多數(shù)事故發(fā)生在施工階段到竣工驗(yàn)收前這段時(shí)間。 我國(guó)由于過去鋼結(jié)構(gòu)工程較少，缺少較完整的統(tǒng)計(jì)資料，但據(jù)調(diào)查表明，施工階段鋼結(jié)構(gòu)屋蓋事故較多，使用階段吊車梁事故較多，屋架損傷事故也不少。但最明顯的特征是大多數(shù)事故均發(fā)生在單層工業(yè)廠房中，這主要和我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍有關(guān)。,國(guó)內(nèi)一般將鋼結(jié)構(gòu)事故分為兩大類。一類是整體事故，包括結(jié)構(gòu)整體和局部倒塌。另一類是局部事故，包括出現(xiàn)不允許的變形和位移，構(gòu)件偏離設(shè)計(jì)位置，構(gòu)件腐蝕喪失承載能力，構(gòu)件或連接開裂、松動(dòng)和分層。 就其起因而言鋼結(jié)構(gòu)事故分類為材質(zhì)事故、變形事故、脆性斷裂事故、疲勞破壞事故、失穩(wěn)破壞事故、銹蝕事故、火災(zāi)事故以及倒塌事故。,一、鋼結(jié)構(gòu)的材料缺陷及質(zhì)量事故,鋼結(jié)構(gòu)所用材料主要包括鋼材和連接材料兩大類。 鋼材常用種類為q235、16mn、15mnv; 連接材料有鉚釘、螺栓和焊接材料。 材料本身性能的好壞直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的可靠性，當(dāng)材料的缺陷累積或嚴(yán)重到一定程度將會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生。,(一）鋼材的先天性缺陷原因及治理 1.缺陷的現(xiàn)象及特征 鋼材的種類繁多，但在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，常用的有兩類鋼材，即低碳鋼和低合金鋼。例如：q235、16mn、 15mnv等，鋼材的種類不同，缺陷自然也不同。,常見的先天性缺陷有化學(xué)成分缺陷、冶煉及軋制缺陷，影響其塑性、韌性、冷彎性能、沖擊韌性和可焊性以及抗銹蝕性能，尤其是可焊性和負(fù)溫沖擊韌性等都顯著降低，出現(xiàn)“熱脆”現(xiàn)象、“冷脆”現(xiàn)象、“氫脆”破壞現(xiàn)象，甚至在鋼材中形成的各類裂紋。,2.原因分析 化學(xué)成分對(duì)鋼材的性能有重要影響。從有害影響的角度來(lái)講，化學(xué)成分將產(chǎn)生一種先天性缺陷。 就q235鋼材而言，其中fe約占99%，其余的1%為c、 mn、si、s、p、o、n、h。它們雖然僅占1%，但其影響極大。,碳的含量愈高，鋼材的強(qiáng)度愈高，但其塑性、韌性、冷彎性能、沖擊韌性和可焊性以及抗銹蝕性能等都顯著降低，尤其是可焊性和負(fù)溫沖擊韌性。 因此作為建筑鋼結(jié)構(gòu)材料只能是低碳量，要求含碳量0.22%。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，為保證其良好的可焊性，通常要求含碳量0.20%。,錳的含量過高對(duì)可焊性不利，故需加以限制。 普通碳素鋼中錳的含量約為0.3% 0.8%，16mn鋼中錳含量則達(dá)到1.2%0.55%。,適量的硅可提高鋼的強(qiáng)度，而對(duì)其他性能影響較小，但含量過高則對(duì)鋼的塑性、韌性、抗銹蝕能力以及可焊性有降低作用。 一般低碳鋼中硅的含量為0.12%0.30%，低合金鋼中應(yīng)為0.20%0.55%。,硫是鋼材的一種有害雜質(zhì)，硫與鐵的化合物硫化鐵（fes）,散布在純鐵體的間層中，在8001210時(shí)熔化而使鋼材出現(xiàn)裂紋，稱為“熱脆”現(xiàn)象。 另外，含硫量增大，會(huì)降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、抗銹蝕性和可焊性。 故應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，一般不應(yīng)超過0.035% 0.050% 。,磷是鋼材的一種有害雜質(zhì)。磷雖然能提高鋼的強(qiáng)度和抗銹蝕能力，但會(huì)降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性，尤其是磷使鋼在低溫時(shí)韌性降低而產(chǎn)生脆性破壞，稱為“冷脆”現(xiàn)象。 故對(duì)磷的含量要嚴(yán)格控制，一般不超過0.035%0.045%。,氧是鋼材的一種有害雜質(zhì)。氧通常是在鋼熔融時(shí)由空氣或水分分解而進(jìn)入鋼液，冷卻后殘留下來(lái)。氧的有害影響同硫，且更甚，使鋼材“熱脆”，一般含量應(yīng)低于0.05%。 氮作為有害雜質(zhì)，可能從空氣進(jìn)入高溫的鋼液中。氮的影響與磷相似，會(huì)使鋼材“冷脆”，一般氮的含量應(yīng)低于0.008%。,氫作為有害雜質(zhì)，通常也是由空氣或水分分解而進(jìn)入鋼液。氫在低溫時(shí)易使鋼材呈脆性破壞，產(chǎn)生所謂的“氫脆”破壞現(xiàn)象。 鋼材在冶煉和軋制過程中，由于工藝參數(shù)控制不嚴(yán)等問題，缺陷在所難免，常見的缺陷常見的缺陷有偏析、夾雜、裂縫、分層、過熱或過燒、脫碳、機(jī)械性能不合格等。,3.處理與防治 鋼材的質(zhì)量主要取決于冶煉、澆鑄和軋制過程中的質(zhì)量控制，普通低碳鋼的八種化學(xué)成分均對(duì)鋼材的性能有不利影響，其中的c、mn、si是有益元素，但不可過量，s、p、o、n、h純屬有害雜質(zhì)，鋼結(jié)構(gòu)的先天性材質(zhì)缺陷應(yīng)由冶金部門處理，從煉鋼工藝上得到根本性解決，應(yīng)根據(jù)碳素結(jié)構(gòu)鋼(gb 700-88)和低合金結(jié)構(gòu)鋼(gb 1591-88)的規(guī)定，加以嚴(yán)格控制。,（二） 鋼構(gòu)件的加工制作缺陷原因及治理 1.缺陷的現(xiàn)象及特征 鋼結(jié)構(gòu)加工制作可能出現(xiàn)的缺陷如下: (1) 選材不合格; (2) 原材料矯正引起冷作硬化; (3) 放樣、號(hào)料尺寸超公差; (4) 切割邊未加工或達(dá)不到要求;,(5) 孔徑誤差; (6) 沖孔未作加工，存在硬化區(qū)和微裂紋; (7) 構(gòu)件冷加工引起鋼材硬化和微裂紋; (8) 構(gòu)件熱加工引起的殘余應(yīng)力; (9) 表面清洗防銹不合格; (10) 鋼構(gòu)件外型尺寸超公差。,2.原因分析 鋼結(jié)構(gòu)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系熱軋型材和板材。完整的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，需要通過將基本元件使用機(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)。,現(xiàn)代化的鋼結(jié)構(gòu)廠應(yīng)具有進(jìn)行剪、沖、切、折、割、鉆、鉚、焊、噴、壓、滾、彎、刨、銑、磨、鋸、涂、拋、熱處理、無(wú)損檢測(cè)等加工能力的設(shè)備，并輔以各種專用胎具、模具、夾具、吊具等工藝設(shè)備。 由此可見，鋼結(jié)構(gòu)的加工制作過程將由一系列的工序而組成，每一工序都有可能產(chǎn)生缺陷。,3.處理與防治 鋼結(jié)構(gòu)制造廠應(yīng)重視加工制作各個(gè)環(huán)節(jié)工藝的合理性和設(shè)備的先進(jìn)性，盡量減少手工作業(yè)，力求全自動(dòng)化，應(yīng)嚴(yán)格按鋼結(jié)構(gòu)加工制作的工序、標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行加工制作及質(zhì)量控制。,（三）鋼結(jié)構(gòu)的連接缺陷 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法通常有鉚接、栓接和焊接三種。目前大部分為栓焊混合連接為主。 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。,1.鋼結(jié)構(gòu)的鉚接缺陷原因及治理 （1）缺陷的現(xiàn)象及特征 鉚接工藝帶來(lái)的缺陷如下: 鉚釘本身不合格; 鉚釘孔引起構(gòu)件截面削弱;,鉚釘松動(dòng)，鉚合質(zhì)量差; 鉚合溫度過高，引起局部鋼材硬化; 板件之間緊密度不夠。,（2）原因分析 鉚接是將一端帶有預(yù)制釘頭的鉚釘，經(jīng)加熱后插人連接構(gòu)件的釘孔中，再用鉚釘槍將另一端打鉚成釘頭，以使連接達(dá)到緊固。 鉚接有熱鉚和冷鉚兩種方法。鉚接傳力可靠，塑性、韌性均較好。 在20世紀(jì)上半葉以前曾是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法，目前只在橋梁結(jié)構(gòu)和吊車梁構(gòu)件中偶爾使用，由于鉚接是現(xiàn)場(chǎng)熱作業(yè)，工藝不易控制。,（3）處理與防治 應(yīng)嚴(yán)格按鉚接工藝要求進(jìn)行施工及質(zhì)量控制。,2.鋼結(jié)構(gòu)的栓接缺陷原因及治理 （1）缺陷的現(xiàn)象及特征 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，尤其是摩擦系數(shù)達(dá)不到要求。,（2）原因分析 螺栓連接包括普通螺栓連接和高強(qiáng)螺栓連接兩大類。 普通螺栓一般為六角頭螺栓，材質(zhì)為q235，性能等級(jí)為4.6級(jí)(4.6s)，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和加工要求分為a、 b、c三級(jí)。其中a級(jí)為精制螺栓，b級(jí)為半精制螺栓。精制螺栓和半精制螺栓采用1類孔，孔徑比螺栓桿徑大0.30.5mm。c級(jí)為粗制螺栓，一般采用11類孔，孔徑比螺栓桿徑大1.01.5mm。,普通螺栓由于緊固力小，且栓桿與孔徑間空隙較大( 主要指粗制螺栓 )，故受剪性能差，但受拉連接性能好，且裝卸方便，故通常應(yīng)用于安裝連接和需拆裝的 結(jié)構(gòu)。,高強(qiáng)螺栓是繼鉚接連接之后發(fā)展起來(lái)的一種新型鋼結(jié)構(gòu)連接形式，它已成為當(dāng)今鋼結(jié)構(gòu)連接的主要手段之一。 高強(qiáng)螺栓常用性能等級(jí)為8.8級(jí)和10.9級(jí)。8.8級(jí)采用的是45號(hào)和35號(hào)或40b；10.9級(jí)采用的鋼號(hào)為合金鋼20mntib、40b、35vb。 高強(qiáng)螺栓通常包括摩擦型和承壓型兩種，而以前者應(yīng)用最多。摩擦型高強(qiáng)螺栓的孔徑比螺栓公稱直徑大1.01.5mm。高強(qiáng)螺栓連接具有安裝簡(jiǎn)便、迅速、能裝能拆和受力性能好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，深受用戶歡迎。,（3）處理與防治 應(yīng)嚴(yán)格按栓接工藝要求進(jìn)行施工及質(zhì)量控制。,3鋼結(jié)構(gòu)的焊接缺陷原因及治理 （1）缺陷的現(xiàn)象及特征 焊接是鋼結(jié)構(gòu)連接最重要的手段。焊接方法種類很多，按焊接的自動(dòng)化程度一般分為手工焊接、半自動(dòng)焊接及自動(dòng)化焊接。 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。,焊接也可能帶來(lái)以下缺陷: 焊接材料不合格。手工焊采用的是焊條，自動(dòng)焊采用的是焊絲和焊劑。 實(shí)際工程中通常容易出現(xiàn)三個(gè)問題: 一是焊接材料本身質(zhì)量有問題; 二是焊接材料與母材不匹配; 三是不注意焊接材料的烘焙工作。,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、變脆和開裂。 因焊接產(chǎn)生較大的焊接殘余變形。 因焊接產(chǎn)生嚴(yán)重的殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中。 焊縫存在的各種缺陷。如裂紋、焊瘤、邊緣未熔合、未焊透、咬肉、夾渣和氣孔等等。,2.原因分析 如圖3-57所示，焊縫成形不良表現(xiàn)在焊喉不足、余高過大、焊角尺寸不足或過大等。 如圖3-58(a)所示。氣孔是指焊縫表面或內(nèi)部存在的近似圓球形或洞形的空穴。,圖3-57 不合格焊縫剖面形狀,（a）不合格角焊縫的剖面形狀（b）不合格對(duì)接焊縫的剖面形狀,圖3-58 焊縫缺陷,產(chǎn)生氣孔的原因是：堿性焊條受潮;；酸性焊條烘焙溫度太高；焊件不清潔；電流過大使焊條發(fā)紅；極性不對(duì)；保護(hù)氣體不純且焊絲銹蝕等。 焊縫上的氣孔會(huì)降低焊縫的機(jī)械性能，破壞焊縫的致密性，尤其是連續(xù)氣孔或鏈狀氣孔的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于獨(dú)立氣孔，且特別對(duì)動(dòng)載下疲勞性能的影響遠(yuǎn)大于對(duì)靜力性能的影響。,如圖3-58(b)所示。夾渣是指殘存在焊縫中的熔渣或其他非金屬夾雜物。 產(chǎn)生夾渣的原因是; 焊接材料質(zhì)量不好，熔渣太稠；焊件上或坡口內(nèi)銹蝕或其他雜質(zhì)未清理干凈；各層熔渣在焊接過程中未徹底清除；電流太小，焊速太快；焊條不當(dāng)。,如圖3-58(c)所示。咬肉也稱咬邊，是在靠近焊縫表面的母材處產(chǎn)生的缺陷。 產(chǎn)生咬邊或咬肉的原因是：電流太大；電弧過長(zhǎng)或運(yùn)條角度不當(dāng)；焊接位置不當(dāng)。咬肉或咬邊會(huì)造成應(yīng)力集中，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)載性能及疲勞性能影響很大。,如圖3-58(d)所示。焊瘤是在焊接過程中，熔化的金屬掖滴到焊縫以外未熔化的母體上所形成的金屬瘤。 產(chǎn)生焊瘤的原因有；焊條質(zhì)量不好；運(yùn)條角度不當(dāng)；焊接質(zhì)量及焊接規(guī)范不當(dāng)。焊瘤不但影響成形美觀，而且易引起應(yīng)力集中。焊瘤處還易夾渣、未熔合，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。,如圖3-58(e)所示。未焊透是指焊縫與母材金屬之間或焊縫層間局部未熔合。按其在焊縫中的位置可分為:根部未焊透、坡口邊緣未焊透和焊縫層間未焊透。 產(chǎn)生未焊透的原因是：焊接電流太小，焊接速度太快；坡口角度太小，焊接角度不當(dāng)；焊條有偏心；焊件上有銹蝕等未清理干凈的雜質(zhì)。焊透缺陷將降低焊縫強(qiáng)度，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂解和結(jié)構(gòu)破壞。,如圖3-58(f)所示。邊緣未熔合與焊前鋼材表面清理的徹底程度有關(guān)，也與焊接電流過小或焊接速度過快以致母材金屬未達(dá)到熔化狀態(tài)有關(guān)。 裂紋是最為嚴(yán)重的焊縫缺陷，如圖3-59所示。根據(jù)裂紋發(fā)生的時(shí)間，大致可將裂紋分成高溫裂紋和低溫裂紋兩大類。,圖3-59 焊縫接頭裂紋種類,高溫裂紋：高溫裂紋也稱為加熱裂紋。主要與鋼材的硫、氧含量有關(guān)。焊道下梨狀裂紋是常見的一種高溫裂紋，主要發(fā)生在埋弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊中，手工電弧焊則很少發(fā)生。 此類裂紋產(chǎn)生的原因：主要是焊接條件不當(dāng)，如電壓過低、電流過高，在焊縫冷卻收縮時(shí)使焊道的斷面形狀呈現(xiàn)梨形。 弧形裂紋也是高溫裂紋的一種，其產(chǎn)生原因主要與弧坑處的冷卻速度過快，弧坑處的凹形未充分填滿所致。,低溫裂紋：低溫裂紋也稱為冷裂紋，主要與鋼材的含磷量、含氮量及含氫量有關(guān)。其中根部裂紋是低溫裂紋常見的一種形態(tài)。 低溫裂紋產(chǎn)生的原因如下：焊接金屬中含氫量較高。通常氮的來(lái)源有多種途徑，如焊條中的有機(jī)物、結(jié)晶水及焊接坡口附近的水分、油污等。 另外，含磷量及含氫量高也是產(chǎn)生的原因；焊接接頭約束力較大；當(dāng)母材的含碳量較高、冷卻速度較快、控制地區(qū)硬化，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。,（3）處理與防治 焊縫成形不良的修補(bǔ)措施： 采用車削、打磨、鏟或碳弧氣刨等方法消除多余焊縫金屬或部分母材，不應(yīng)有割痕或咬邊；修補(bǔ)焊縫前，應(yīng)先將所焊區(qū)域清理干凈；修補(bǔ)焊接時(shí)所用焊條直徑要小，一般不宜大于4mm；選擇合適的焊接規(guī)范。,氣孔的防止措施: 焊前必須將焊縫坡口表面雜質(zhì)清理干凈；合理選擇焊接方法；焊接材料必須烘焙；在風(fēng)速大的環(huán)境下施焊應(yīng)采取防風(fēng)措施。另外，對(duì)超過規(guī)定的氣孔必須刨去后重新補(bǔ)焊。,為防止夾渣，在焊前應(yīng)選擇合理的焊接規(guī)范及坡口尺寸，正確掌握操作工藝及使用工藝性能良好的焊條，坡口兩側(cè)要清理干凈。 在多層施焊時(shí)要注意認(rèn)真仔細(xì)徹底清理每層的熔渣，特別是堿性焊條。另外，夾渣缺陷的修補(bǔ)一般采用碳弧氣刨將其缺陷的焊縫金屬除去，手工補(bǔ)焊。,為了避免咬肉缺陷的措施: 在施焊時(shí)正確的選擇焊接電流和焊接速度，掌握正確的運(yùn)條方法，采用合適的焊條角度和電弧長(zhǎng)度。咬邊的修補(bǔ)措施參見焊縫成形不良的處理方法。,防止焊瘤的措施是： 盡可能使焊縫處于平焊位置進(jìn)行焊接，正確選擇焊接規(guī)范，正確掌握運(yùn)條方法。焊瘤的修補(bǔ)一般采用打磨的方法將其打磨光順。,為了防止未焊透缺陷，應(yīng)選擇合理的焊接規(guī)范，正確選用坡口形式、尺寸、角度和溝隙，采用適當(dāng)?shù)墓に嚭驼_的操作方法。未焊透的消除方法一般采用碳弧氣刨刨去有缺陷的焊縫，用手工焊進(jìn)行補(bǔ)焊。 邊緣未熔合的消除方法為采用碳弧氣刨刨去焊縫后重焊。,高溫裂紋的防止措施為: 選擇適當(dāng)?shù)暮附与妷汉碗娏?焊縫的成形一般控制在寬度與高度之比為1:1.4較適宜。 弧形裂紋的防止措施是安裝必要的引弧板和滅弧板，在焊接因故中斷或在焊縫終端應(yīng)注意填滿弧坑。,低溫裂紋的防止措施為： 選用低氫或超低氫或其他焊接材料；對(duì)焊條或焊劑等進(jìn)行必要的烘焙，使用時(shí)注意保管；焊前應(yīng)將焊接坡口及其附近的水分、油分、鐵銹等雜質(zhì)清理干凈； 選擇正確的焊接順序和焊接方向，一般性構(gòu)件焊接時(shí)最好采用由中間向兩端對(duì)稱施焊的方法；進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后熱處理，降低冷卻速度。,焊接裂紋通常采用的修補(bǔ)措施如下： 通過超聲波或磁粉探傷檢查出裂紋的部位和尺寸；沿焊接裂紋界限各項(xiàng)焊縫兩端延長(zhǎng)50mm，將焊縫金屬或部分母材用碳弧氣刨刨去； 選擇正確的焊接規(guī)范、焊接材料以及采用預(yù)熱、控制層間溫度和后熱等工藝措施進(jìn)行補(bǔ)焊。,四、鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)翰、安裝和使用維護(hù)中的缺陷 原因及治理 鋼結(jié)構(gòu)在工廠制作完成后，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝完畢進(jìn)人使用期。在此過程中通常可能遇到以下缺陷： （1）運(yùn)輸過程中引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件較大的變形和損傷； （2）吊裝過程中引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件較大的變形和局部失穩(wěn)；,（3）安裝過程中沒有足夠的臨時(shí)支撐或錨固，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生較大的變形，喪失穩(wěn)定性，甚至傾覆等； （4）現(xiàn)場(chǎng)焊接及螺栓連接質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求； （5）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；,（6）不能做到定期維護(hù)，致使結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重，影響到結(jié)構(gòu)的耐久性。 鋼結(jié)構(gòu)施工單位應(yīng)重視安裝工序的合理性、人員的高素質(zhì)以及現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢工作。尤其是臨時(shí)支撐和安全措施不可忽視。,五、鋼結(jié)構(gòu)的材料事故的原因及治理 1事故的現(xiàn)象及特征 鋼結(jié)構(gòu)材料事故是指由于材料本身的原因引發(fā)的事故。材料事故可概括為兩大類:裂縫事故和倒塌事故。 裂縫事故主要出現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件中； 倒塌事故是因材質(zhì)原因引起的結(jié)構(gòu)局部倒塌和整體倒塌。,2原因分析 鋼結(jié)構(gòu)材料事故的產(chǎn)生原因有：鋼材質(zhì)量不合格；鉚釘質(zhì)量不合格；螺栓質(zhì)量不合格；焊接材料質(zhì)量不合格；設(shè)計(jì)時(shí)選材不合理；制作時(shí)工藝參數(shù)不合理，鋼材與焊接材料不匹配；安裝時(shí)管理混亂，導(dǎo)致材料混用或隨意替代。,3處理與防治 材料事故最常見的是構(gòu)件裂縫，而且裂縫純屬材料本身不合格所引起。應(yīng)認(rèn)真復(fù)檢鋼材及連接材料的各項(xiàng)指標(biāo)，以確認(rèn)事故原因。鋼材應(yīng)符合碳素結(jié)構(gòu)鋼( gb 700-2006 )和低合金結(jié)構(gòu)鋼( gb 1591-88 )中的相關(guān)規(guī)定。焊接材料應(yīng)符合碳鋼焊條( gb 5117-95 )、低合金鋼焊條( gb 5118-85 )以及焊接用焊絲( gb 1300-17 )等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。,螺栓材料應(yīng)符合 緊固件機(jī)械性能 ( gb 3098-2000 ) 、 鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺栓、大六角螺母、墊圈型式尺寸與技術(shù)條件和 鋼結(jié)構(gòu)用扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接型式尺寸及技術(shù)條件 等有關(guān)規(guī)定。 如果構(gòu)件裂縫的確是材料本身的原因。通常應(yīng)采用“加固或更換構(gòu)件”的處理方法。,如果結(jié)構(gòu)不重要，構(gòu)件的裂紋細(xì)小時(shí)，也可按下列處理方法： 用電鉆在裂縫兩端各鉆一直徑約12l6mm的圓孔(直徑大致與鋼板厚度相等)，裂縫末端必須落入孔中，減少裂縫處應(yīng)力集中。沿裂縫邊緣用氣割或風(fēng)鏟加工成k形坡口。裂縫端部及焊縫側(cè)金屬預(yù)熱到150200，用焊條堵焊裂縫，堵焊后用砂輪打磨平整為佳。對(duì)于鉚釘連接附近的構(gòu)件裂縫，可采用在其端部鉆孔后，用高強(qiáng)螺栓封住。,構(gòu)件鋼板夾層缺陷的處理： 鋼板夾層是鋼材最常見的缺陷之一，往往在構(gòu)件加工前不易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)已成半成品或成品，或者已用于結(jié)構(gòu)投人使用。下面分幾類構(gòu)件介紹鋼板夾層處理方法。,（1）桁架節(jié)點(diǎn)板夾層處理 對(duì)于屋蓋結(jié)構(gòu)承受靜載或間接動(dòng)載的桁架節(jié)點(diǎn)板，當(dāng)夾層深度小于節(jié)點(diǎn)板高度的1/3時(shí)，應(yīng)將夾層表面鏟成v形坡口，焊合處理; 當(dāng)允許在角鋼和節(jié)點(diǎn)板上鉆孔時(shí)，也可用高強(qiáng)螺栓擰合;當(dāng)夾層深度等于或大于節(jié)點(diǎn)板1/3高度時(shí)，應(yīng)將節(jié)點(diǎn)板拆換處理。,（2）實(shí)腹梁、柱翼緣板夾層處理。當(dāng)承受靜載的實(shí)腹梁和實(shí)腹柱翼緣有夾層存在時(shí)，可按下述方法處理。 在一半長(zhǎng)度內(nèi)，板夾層總長(zhǎng)度(連續(xù)或間斷)不超過200mm，夾層深度不超過翼緣板斷面高度1/5且不大于100mm時(shí)?？刹蛔魈幚砣钥墒褂谩?當(dāng)夾層總長(zhǎng)度超過200mm，而夾層深度不超過翼緣斷面高度1/5，可將夾層表面鏟成v形坡口予以焊合。 當(dāng)夾層深度未超過冀緣斷面高度1/2時(shí)?？稍趭A層處鉆孔，用高強(qiáng)螺栓擰合，此時(shí)應(yīng)驗(yàn)算鉆孔所削弱的截面; 當(dāng)夾層深度超過翼緣斷面高度1/2時(shí)，應(yīng)將夾層的一邊翼緣板全部切除，另?yè)Q新板。,焊縫裂紋處理： 對(duì)于焊縫裂紋，原則上要刨掉重焊(用碳弧氣刨或風(fēng)鏟)，但對(duì)承受靜載的實(shí)腹梁翼緣和腹板處的焊縫裂紋，可采用在裂紋兩端鉆上止裂孔，并在兩板之間加焊短斜板方法處理，斜板厚度應(yīng)大于裂紋長(zhǎng)度。,六、案例 某車間為五跨單層廠房，全長(zhǎng)759m，寬159m，屋蓋共用鋼屋架118榀。其中40榀屋架下弦角鋼為216014，其肢端普遍存在不同程度的裂縫，見 圖3-60，裂縫深25mm，個(gè)別達(dá)20mm，縫寬0.10.7mm，長(zhǎng)0.510m不等。,圖3-60 屋架下弦角鋼裂縫,1原因分析 經(jīng)取樣檢驗(yàn)，該批角鋼材質(zhì)符合a3f標(biāo)準(zhǔn)，估計(jì)裂縫是在鋼材生產(chǎn)過程中形成的，由于現(xiàn)場(chǎng)缺乏嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)制度，管理混亂，而將這批鋼材用到工程上。,2處理措施 由于角鋼裂縫造成截面削弱，強(qiáng)度與耐久性降低，必須采取加固措施處理。 （1）加固原則 加固鋼材截面一律按已知裂縫最大深度20mm加倍考慮，并與屋架下弦角鋼重心基本重合，不產(chǎn)生偏心受拉，其斷面按雙肢和對(duì)稱考慮，鋼材焊接時(shí)，要求不損害原下弦桿件并要防止結(jié)構(gòu)變形。,（2）加固方法 在下弦兩側(cè)沿長(zhǎng)度方向各加焊一根規(guī)格為90566的不等邊角鋼。加固長(zhǎng)度為：當(dāng)端節(jié)間無(wú)裂縫時(shí)，僅加固到第二節(jié)點(diǎn)延伸至節(jié)點(diǎn)板一端；見圖3-61(a)；當(dāng)端節(jié)間下弦有裂縫，則按全長(zhǎng)加固：見圖3-61(b)。,圖3-61 屋架下弦加固示意圖,加固角鋼在屋架下弦節(jié)點(diǎn)板及下弦拼接板范圍內(nèi)，均采用連續(xù)焊縫焊接，其余部位采用間斷焊縫與下弦焊接，若加固角鋼與原下弦拼接角鋼相碰，則在相碰部分切去14mm，切除部分兩端加工成弧形，并另在底部加焊一根636(材質(zhì)為a3f)加強(qiáng)。,若在屋架下弦節(jié)點(diǎn)及拼接板處有裂縫，均在底部加焊一根636角鋼，加固角鋼本身的拼接在端頭適當(dāng)削坡等強(qiáng)對(duì)接，但要求與原下弦角鋼拼接錯(cuò)開不少于500mm。所有下弦角鋼裂縫部分用砂輪將表面打磨后，用直徑3mm焊條電焊封閉，以防銹蝕，焊條用t42。,二、鋼結(jié)構(gòu)的變形事故,（一）鋼結(jié)構(gòu)的變形事故原因與治理 1事故的現(xiàn)象及特征 鋼結(jié)構(gòu)的變形可分為總體變形和局部變形兩類。 總體變形是指整個(gè)結(jié)構(gòu)的外形和尺寸發(fā)生變化，出現(xiàn)彎曲、畸變和扭曲等，如圖3-62所示。,圖3-62 總體變形,（a） 彎曲變形 （b）畸變 （c）扭曲,局部變形是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在局部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)變形。例如，構(gòu)件凹凸變形、端面的角變位、板邊褶皺波浪形變形等，如圖3-63所示。,圖3-63 總體變形,（a）凹凸變形 （b）褶皺波浪變形（c）角變形,總體變形與局部變形在實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)中有可能單獨(dú)出現(xiàn)，但更多的是組合出現(xiàn)。無(wú)論何種變形都會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的美觀，降低構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性，給連接和組裝帶來(lái)困難，尤其是附加應(yīng)力的產(chǎn)生，將嚴(yán)重降低構(gòu)件的承載力。影響到整體結(jié)構(gòu)的安全。,2原因分析 鋼結(jié)構(gòu)的形成過程為：材料 構(gòu)件 結(jié)構(gòu)。在形成的過程中變形原因如下： （1）鋼材的初始變形 鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材常由鋼廠以熱軋鋼板和熱軋型鋼供應(yīng)。熱軋鋼板厚度為4.560mm，薄鋼板厚度為0.354.0mm；熱軋型鋼包括角鋼、槽鋼、工字鋼、h型鋼、鋼管、c型鋼、t型鋼，其中冷彎薄壁型鋼厚度在26mm。,鋼材由于軋制及人為因素等原因，時(shí)常存在初始變形，尤其是冷彎薄壁型鋼，因此在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作前必須認(rèn)真檢查材料，矯正變形，不允許超出鑰材規(guī)定的變形范圍。,（2）加工制作中的變形 1）冷加工產(chǎn)生的變形 剪切鋼板產(chǎn)生變形，一般為彎扭變形，窄板和厚板變形大一點(diǎn);刨削以后產(chǎn)生的彎曲變形，窄板和薄板變形大一點(diǎn)。 2）制作、組裝帶來(lái)的變形 由于加工工藝不合理、組裝場(chǎng)地不平整、組裝方法不正確、支撐不當(dāng)?shù)仍?，引起的變形有彎曲、扭曲和畸變?3）焊接變形 焊接過程中的局部加熱和不均勻冷卻使焊件在產(chǎn)生殘余應(yīng)力的同時(shí)還將伴生變形。焊接變形又稱焊接殘余變形。通常包括縱向和橫向收縮變形、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形等。 焊接變形產(chǎn)生的主要原因是焊接工藝不合理、電焊參數(shù)選擇不當(dāng)和焊接遍數(shù)不當(dāng)?shù)?。焊接變形?yīng)控制在制造允許誤差限制以內(nèi)。,（3）運(yùn)輸及安裝過程中產(chǎn)生的變形 運(yùn)輸中不小心、安裝工序不合理、吊點(diǎn)位置不當(dāng)、臨時(shí)支撐不足、堆放場(chǎng)地不平，尤其是強(qiáng)迫安裝，均會(huì)使結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形明顯。 （4）使用過程中產(chǎn)生的變形 鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中由于超載、碰撞。高溫等原因都會(huì)導(dǎo)致變形。,3處理與防治 碳素結(jié)構(gòu)鋼在環(huán)境溫度低于-16，低合金結(jié)構(gòu)鋼在環(huán)境溫度低于-12時(shí)，不得進(jìn)行冷矯正。碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼在加熱矯正時(shí)，加熱溫度應(yīng)根據(jù)鋼材性能選定，但不得超過900。低合金鋼在加熱矯正后應(yīng)緩慢冷卻。,當(dāng)構(gòu)件變形不大時(shí)，可采用冷加工矯正和熱加工矯正;當(dāng)變形較大又很難校正時(shí)，應(yīng)采用加固或調(diào)換新件進(jìn)行修復(fù)。鋼材矯正后的允許偏差值應(yīng)滿足表3-12的要求。鋼構(gòu)件外形尺寸的允許偏差值應(yīng)滿足規(guī)范的要求。,表3-12 鋼材矯正后的允許偏差（mm）,（二）屋架變形和尺寸偏差案例 1.屋架傾斜彎曲 （1）工程與事故概況 某單層廠房跨度36m，柱距6m，鋼屋架安裝完成后，發(fā)現(xiàn)有兩榀屋架上弦中點(diǎn)傾斜度分別為57mm和36mm，下弦中點(diǎn)分別彎曲21mm和7mm，傾斜度超過鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范允許偏差h/250(2800/25011.2mm)和不大于15mm的要求。,（2）原因分析 屋架側(cè)向剛度差，在焊接支撐時(shí)發(fā)生了變形，沒有及時(shí)檢查糾正； 屋架制作時(shí)就存在彎曲。,（3）處理措施 減小上弦平面外的支點(diǎn)間距，在無(wú)大型屋面板的天窗部位，將原設(shè)計(jì)的剪刀撐改為米字形支撐，使支點(diǎn)間距由6m小為3m，提高承載能力； 屋架上弦原設(shè)計(jì)水平拉桿為756，改為雙角鋼2906，使其可承受壓力。 將屋面板各點(diǎn)焊縫加強(qiáng)，以增大屋面剛度，使其能起上弦支撐的作用，處理情況見圖3-46。,圖3-46 支撐加強(qiáng)示意圖,2.屋架端頭超長(zhǎng) （1）工程與事故概況 某單層廠房有鋼屋架118榀，其中有5榀屋架超長(zhǎng)，因柱已最后固牢，造成屋架無(wú)法安裝。經(jīng)檢查超長(zhǎng)尺寸一般為2040mm，最長(zhǎng)達(dá)80mm。,（2）原因分析 下弦端頭連接板與接頭未頂緊，存在510mm間隙； 兩半屋架拼接時(shí)，長(zhǎng)度控制不嚴(yán)，存在較大的正偏差。 鋼柱安裝存在向跨內(nèi)傾斜的豎向偏差(允許偏差為h/100018300/100018.3mm), 有的實(shí)際偏差達(dá)30mm。,（3）處理措施 屋架超長(zhǎng)值30mm時(shí)，將一端切除2025mm，重新焊接端頭支承板，并將焊縫加厚2mm；超長(zhǎng)值30mm時(shí)，兩端切除重焊連接板。由于連接板內(nèi)移，造成下弦及腹桿軸線偏出支承連接板外、使屋架端頭桿件內(nèi)力增大，因此，對(duì)端節(jié)間的斜腹桿需要加固，在一側(cè)焊楔形角鋼或鋼板，使軸線交點(diǎn)在屋架端頭支承連接板處，見圖3-65。,圖3-65 屋架加固示意圖,三、鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故,1.事故的現(xiàn)象及特征 鋼結(jié)構(gòu)是由鋼材組成的承重結(jié)構(gòu)，雖然鋼材是一種彈塑性材料，尤其是低碳鋼表現(xiàn)出良好的塑性，但在一定的條件下，由于各種因素的復(fù)合影響，鋼結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生脆性斷裂，而且往往在拉應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生。 脆性斷裂是指鋼材或鋼結(jié)構(gòu)在低名義應(yīng)力(低于鋼材屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度)情況下發(fā)生的突然斷裂破壞。,鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂通常具有以下特征: 破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服強(qiáng)度壽，有時(shí)僅為不的0.2倍。 破壞之前沒有顯著變形，吸收能量很小，破壞突然發(fā)生，無(wú)事故先兆。 斷口平齊光亮。,脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)中最危險(xiǎn)的破壞形式。由于脆性斷裂的突發(fā)性，往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。 因此，作為鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)人員，應(yīng)該高度重視脆性破壞的嚴(yán)重性并加以防范。,2.原因分析 雖然鋼結(jié)構(gòu)的塑性很好，但仍然會(huì)發(fā)生脆性斷裂，這是由于各種不利因素的綜合影響或作用的結(jié)果，主要原因可歸納為以下幾方面:,（1）材質(zhì)缺陷 當(dāng)鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過高時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重降低其塑性和韌性，脆性則相應(yīng)增大。通常，碳導(dǎo)致可焊性差;硫、氧導(dǎo)致“熱脆”；磷、氮導(dǎo)致 “冷脆”；氫導(dǎo)致“氫脆”。 另外，鋼材的冶金缺陷，如偏析、非金屬夾雜、裂紋以及分層等也將大大降低鋼材抗脆性斷裂的能力。,（2）應(yīng)力集中 鋼結(jié)構(gòu)由于孔洞、缺口、截面突變等缺陷不可避免，在荷載作用下，這些部位將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，而其余部位應(yīng)力較低且分布不均勻的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。,通常把截面高峰應(yīng)力與平均應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)，以表明應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。當(dāng)鋼材在某一局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，則出現(xiàn)了同號(hào)的二維或三維應(yīng)力場(chǎng)，使材料不易進(jìn)人塑性狀態(tài)，從而導(dǎo)致脆性破壞。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材的塑性降低愈多，同時(shí)脆性斷裂的危險(xiǎn)性也愈大。,鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力集中主要與其構(gòu)造細(xì)節(jié)有關(guān)： 在鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制作中，孔洞、陷在所難免。 焊接作為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法，刻槽、凹角、缺口、裂紋以及截面突變等缺雖然有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但不利的是，焊縫缺陷以及殘余應(yīng)力的存在往往成為應(yīng)力集中源。,據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鉚接結(jié)構(gòu)和螺栓連接結(jié)構(gòu)。 主要有以下原因：焊縫或多或少存在一些缺陷，如裂紋、夾渣、氣孔、咬肉等這些缺陷將成為斷裂源； 焊接后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力又分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力，前者與其他因素組合作用可能導(dǎo)致開裂；,焊接結(jié)構(gòu)的連接往往剛性較大，當(dāng)出現(xiàn)多焊縫匯交時(shí)，材料塑性變形很難發(fā)展，脆性增大； 焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體，一旦裂縫開展，就可能一裂到底，不像鉚接或螺栓連接，裂縫一遇螺孔，裂縫就會(huì)終止。,（3）使用環(huán)境 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)受到較大的動(dòng)載作用或者處于較低的環(huán)境溫度下工作時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的可能性增大。 眾所周知，溫度對(duì)鋼材的性能有顯著影響。 在0以上，當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼材的強(qiáng)度及彈性模量 e均有變化，一般是強(qiáng)度降低，塑性增大。,溫度在200以內(nèi)時(shí)，鋼材的性能沒有多大變化。但在250左右時(shí)鋼材的抗拉強(qiáng)度反彈，fy有較大提高，而塑性和沖擊韌性下降，出現(xiàn)所謂的“藍(lán)脆現(xiàn)象”，此時(shí)進(jìn)行熱加工鋼材易發(fā)生裂紋。 當(dāng)溫度達(dá)600，fy及e均接近于零，我們認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)幾乎完全喪失承載力。,當(dāng)溫度在0以下，隨溫度降低，鋼材強(qiáng)度略有提高，而塑性和韌性降低，脆性增大。 尤其是當(dāng)溫度下降到某一溫度區(qū)間時(shí)，鋼材的沖擊韌性值急劇下降，出現(xiàn)低溫脆斷。通常又把鋼結(jié)構(gòu)在低溫下的脆性破壞稱為 “ 低溫冷脆 ” 現(xiàn)象，產(chǎn)生的裂紋稱為 “ 冷裂紋 ”。 因此，在低溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)，特別是受動(dòng)力荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有負(fù)溫沖擊韌性的合格保證，以提高抗低溫脆斷的能力。,（4）鋼板厚度 隨著鋼結(jié)構(gòu)向大型化發(fā)展，尤其是高層鋼結(jié)構(gòu)的興起，構(gòu)件鋼板的厚度大有增加的趨勢(shì)。 鋼板厚度對(duì)脆性斷裂有較大影響，通常鋼板越厚，脆性破壞傾向愈大?！?層狀撕裂 ”問題應(yīng)引起高度重視。,綜上所述，材質(zhì)缺陷、應(yīng)力集中、使用環(huán)境以及鋼板厚度是影響脆性斷裂的主要因素。其中應(yīng)力集中的影響尤為重要。,在此值得一提的是，應(yīng)力集中一般不影響鋼結(jié)構(gòu)的靜力極限承載力，在設(shè)計(jì)時(shí)通常不考慮其影響。但在動(dòng)載作用下。嚴(yán)重的應(yīng)力集中加上材質(zhì)缺陷、殘余應(yīng)力、冷卻硬化、低溫環(huán)境等往往是導(dǎo)致脆性斷裂的根本原因。,3.處理與防治 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以鋼材的屈服強(qiáng)度壽作為靜力強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)，它避免不了結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。 隨著現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及高強(qiáng)鋼材的大量采用，防止其脆性斷裂已顯得十分重要。可以從以下幾方面入手:,（1）合理選擇鋼材 鋼材通常選用的原則是既保證結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)又要經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)約鋼材。 具體而言，應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、連接方法以及工作環(huán)境，尤其是在低溫下承受動(dòng)載的重要的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇韌性高的材料和焊條。,另外，改進(jìn)冶煉方法，提高鋼材斷裂韌性，也是減少脆斷的有效途徑。 我國(guó)碳素結(jié)構(gòu)鋼( gb 700-88 )已參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將q235鋼分為a, b, c, d四級(jí)，其中，a級(jí):不要求沖擊試驗(yàn);b級(jí):要求+ 20沖擊試驗(yàn);c級(jí):要求0沖擊試驗(yàn);d級(jí):要求一20沖擊試驗(yàn)。在此說明一點(diǎn)，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)至少應(yīng)選用q235b 。,（2）合理設(shè)計(jì) 合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、荷載特征、應(yīng)力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，尤其是合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)十分重要。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求使缺陷引起的應(yīng)力集中減少到最低限度，盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性。,比如，把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為超靜定結(jié)構(gòu)并采用多路徑傳力可減少脆性斷裂的危險(xiǎn)；接頭或節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)應(yīng)比其相連的桿件強(qiáng)20%50% ; 構(gòu)件斷面在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提下應(yīng)盡量寬而薄。切記：增加構(gòu)件厚度將增加脆斷的危機(jī)，尤其是設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)避免重疊交叉和焊縫集中。,（3）合理制作和安裝 就鋼結(jié)構(gòu)制作而言，冷熱加工易使鋼材硬化變脆，焊接尤其易產(chǎn)生裂紋、類裂紋缺陷以及焊接殘余應(yīng)力。就安裝而言，不合理的工藝容易造成裝配殘余應(yīng)力及其他缺陷。因此制定合理的制作安裝工藝并以減少缺陷及殘余應(yīng)力為目標(biāo)是十分重要的。,（4）合理使用及維修措施 鋼結(jié)構(gòu)在使用時(shí)應(yīng)力求滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的用途、荷載及環(huán)境，不得隨意變更。此外，還應(yīng)建立必要的維修措施，監(jiān)視缺陷或損壞情況，以防患于未然。,四、鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞事故,1事故的現(xiàn)象及特征 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是指鋼材或構(gòu)件在反復(fù)交變荷載作用下在應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉極限強(qiáng)度甚至屈服點(diǎn)的情況下發(fā)生的一種破壞。就斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)而言，疲勞破壞是從裂紋起始、擴(kuò)展到最終斷裂的過程。,疲勞破壞與靜力強(qiáng)度破壞是截然不同的兩個(gè)概念。它與塑性破壞、脆性破壞相比，具有以下特點(diǎn): （1）疲勞破壞是鋼結(jié)構(gòu)在反復(fù)交變動(dòng)載作用下的破壞形式，而塑性破壞和脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)在靜載作用下的破壞形式。,（2）疲勞破壞雖然具有脆性破壞特征，但不完全相同。疲勞破壞經(jīng)歷了裂縫起始、擴(kuò)展和斷裂的漫長(zhǎng)過程，而脆性破壞往往是無(wú)任何先兆的情況下瞬間突然發(fā)生。,（3）就疲勞破壞斷口而言，一般分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)(圖3-66)，疲勞區(qū)記載了裂縫擴(kuò)展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較清楚的疲勞紋理，呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷區(qū)真實(shí)反映了當(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴(kuò)展削弱到一臨界尺寸時(shí)脆性斷裂的特點(diǎn)，瞬斷區(qū)晶粒粗亮。,圖3-66 疲勞斷口分區(qū),2原因分析 疲勞是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，從微觀到宏觀，疲勞破壞受到眾多因素的影響，尤其是對(duì)材料和構(gòu)件靜力強(qiáng)度影響很小的因素，對(duì)疲勞影響卻非常顯著，例如構(gòu)件的表面缺陷、應(yīng)力集中等。,影響鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要因素是應(yīng)力幅、構(gòu)造細(xì)節(jié)和循環(huán)次數(shù)，而與鋼材的靜力強(qiáng)度和最大應(yīng)力無(wú)明顯關(guān)系，該觀點(diǎn)尤其對(duì)焊接鋼結(jié)構(gòu)更具有正確性。,焊接結(jié)構(gòu)由于在焊縫及其附近主體金屬通常均存在殘余應(yīng)力，有時(shí)其數(shù)值高達(dá)屈服點(diǎn)值 fy ，故在反復(fù)荷載作用下的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)，最大拉應(yīng)力是從fy開始 ，即min = fy ，然后下降到min，再升至fy 。用= max - min表示其應(yīng)力幅。,在不同應(yīng)力幅作用下，各類構(gòu)件和連接產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不同，應(yīng)力幅愈大，循環(huán)次數(shù)愈少。當(dāng)應(yīng)力幅小于一定數(shù)值時(shí)，即使應(yīng)力無(wú)限次循環(huán)，也不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，即達(dá)到通稱的疲勞極限。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范( gb 50017-2003 )參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議，將n=510000次被視為各類構(gòu)件和連接疲勞極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。應(yīng)力集中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響顯著，而構(gòu)造細(xì)節(jié)是應(yīng)力集中產(chǎn)生的根源。,3處理與防治 由疲勞性能的三個(gè)影響因素來(lái)看，應(yīng)力幅及循環(huán)次數(shù)n是客觀存在的事實(shí)，因此，提高和改善疲勞性能的途徑只有從減小應(yīng)力集中人手。具體措施如下： （1）精心選材。對(duì)用于動(dòng)載作用的鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼材的缺陷，并選擇優(yōu)質(zhì)鋼材。 （2）精心設(shè)計(jì)。力求減少截面突變，避免焊縫集中，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法合理化。,（3）精心制作。使缺陷、殘余應(yīng)力等減小到最低程度。 （4）精心施工。避免附加應(yīng)力集中的影響。 （5）精心使用。避免對(duì)結(jié)構(gòu)的局部損害，如劃痕、開孔、撞擊等。,（6）修補(bǔ)焊縫。目的是緩解缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中，方法如下： 對(duì)于對(duì)接焊縫，磨去焊縫表面部分，如對(duì)接焊縫的余高。如果焊縫內(nèi)部無(wú)顯著缺陷，疲勞強(qiáng)度可以提高到和母材相同。,對(duì)于角焊縫，應(yīng)打磨焊趾。焊縫的趾部時(shí)常存在咬肉(咬邊)等切口，且有焊渣侵入。因此，要得到較好的效果，必須像圖3-67所示b縫那樣，不僅磨去切口，還要將板磨去0.5mm，以除去侵人的焊渣。這種做法雖然使鋼板截面稍有削弱，但影響并不大。,如果像圖中a縫那樣磨去部分焊縫，就得不到改善的效果。圖3-67所示為橫向角焊縫，對(duì)于縱向角焊縫，則可打磨它的端部，使截面變化趨于緩和，打磨后的表面不應(yīng)有明顯刻痕。,圖3-67 角焊縫打磨,對(duì)于角焊縫的趾部，用氣體保護(hù)鎢弧重新熔化，可以起到消除切口的作用。此方法在不同應(yīng)力幅的情況下疲勞壽命都能同樣提高。 在焊縫及附近金屬表層采用噴射金屬丸?；蝈N擊等方法引入殘余壓應(yīng)力，是改善疲勞性能的一個(gè)有效方法。殘余壓應(yīng)力和錘擊造成的冷工硬化均會(huì)使疲勞強(qiáng)度提高，同時(shí)尖銳切口也被緩減。,依靠精心的選材、設(shè)計(jì)、制作、安裝和使用，再加上焊接之后的一些特殊工藝措施，可以達(dá)到提高和改善疲勞性能的作用。,五、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞事故,（一）鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞事故原因及治理 鋼結(jié)構(gòu)工程事故的發(fā)生，因失穩(wěn)破壞者屢見不鮮。例如，1997年加拿大魁北克大橋在施工中破壞，9000t鋼結(jié)構(gòu)全部墜入河中，橋上施工人員有75人遇難，其破壞是因懸臂的受壓下弦失穩(wěn)造成的。,1970年前后世界范圍內(nèi)也多次出現(xiàn)大跨箱形截面鋼梁橋事故； 美國(guó)哈特福特體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為 92m110m，突然于1978年破壞而落地，破壞起因是壓桿屈曲； 我國(guó)也不例外，1988年太原曾發(fā)生過13.2m17.99m網(wǎng)架塌落事故。,1事故的現(xiàn)象及特征 鋼結(jié)構(gòu)具有塑性好的顯著特點(diǎn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)因抗拉強(qiáng)度不足而破壞時(shí)，破壞前有先兆，呈現(xiàn)出較大的變形。但當(dāng)結(jié)構(gòu)因受壓穩(wěn)定性不足而破壞時(shí)，可能失穩(wěn)前變形很小，呈現(xiàn)出脆性破壞的特征，而且脆性破壞的突發(fā)性也使得失穩(wěn)破壞更具危險(xiǎn)性。,鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)可分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。但就性質(zhì)而言，又可分為以下三類。,（1）平衡分岔失穩(wěn) 完善的(即無(wú)缺陷、挺直的)軸心受壓構(gòu)件和完善的中面受壓平板的失穩(wěn)都屬于平衡分岔失穩(wěn)問題。屬于這一類的還有理想的受彎構(gòu)件以及受壓的圓柱殼等。 平衡分岔失穩(wěn)也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)，還可稱為第一類穩(wěn)定問題。它可分為穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)兩種。,穩(wěn)定分岔失穩(wěn) 這類屈曲的特點(diǎn)是有一穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在到達(dá)臨界狀態(tài)時(shí)，從未屈曲的平衡位形過渡到無(wú)限鄰近的屈曲平衡位形，即由直桿而出現(xiàn)微彎。此后變形的進(jìn)一步加大，要求荷載增加。如圖3-68，直桿軸心受壓和平面在中面受壓都屬于此類情況，板有較顯著的屈曲后強(qiáng)度。目前在門式剛架設(shè)計(jì)中已得到利用。,圖3-68 穩(wěn)定分岔失穩(wěn),不穩(wěn)定分岔失穩(wěn) 結(jié)構(gòu)屈曲后只能在遠(yuǎn)比臨界荷載低的荷載下維持平衡位形。例如承受均勻軸向荷載的柱殼(圖3-69)；承受均勻外壓力的全球殼；綴條柱；薄壁型鋼方管壓桿等。此類屈曲也叫“有限干擾屈曲”，因?yàn)樵谟邢薷蓴_作用下，在達(dá)到分岔屈曲荷載前就可能由半屈曲平衡位形轉(zhuǎn)到非鄰近的屈曲平衡位形。,穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)對(duì)缺陷的敏感性截然不同。圖3-68和圖3-69中虛線所示的是構(gòu)件有幾何缺陷時(shí)荷載與變形關(guān)系。顯然。圖中這些虛線不再有分岔點(diǎn)。,不同的是: 圖3-68中雖有缺陷，但荷載仍然可以高于臨界值；而在圖3-69中，荷載的極低值比無(wú)缺陷時(shí)大幅度降低。因此不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)對(duì)缺陷特別敏感。設(shè)計(jì)該類結(jié)構(gòu)時(shí)若無(wú)視缺陷影響，必將帶來(lái)嚴(yán)重后果。,（2）極值點(diǎn)失穩(wěn) 極值點(diǎn)失穩(wěn)也稱為第二類穩(wěn)定間題，如圖3-70所示。具有極值點(diǎn)失穩(wěn)的偏心受壓構(gòu)件的荷載撓度曲線只有極值點(diǎn)b，沒有出現(xiàn)如理想軸壓構(gòu)件那樣在同一點(diǎn)存在兩種不同變形狀態(tài)的分岔點(diǎn)，構(gòu)件彎曲變形的性質(zhì)沒有改變，故此失穩(wěn)稱為極值點(diǎn)失穩(wěn)。,圖3-69不穩(wěn)定分岔失穩(wěn) 圖3-70 極值點(diǎn)失穩(wěn),它是指用建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的承載能力。像雙向受彎構(gòu)件、雙向彎曲壓彎構(gòu)件的彈塑性彎扭失穩(wěn)都屬于極值點(diǎn)失穩(wěn)。 對(duì)于實(shí)際的軸壓構(gòu)件，由于初彎曲、初偏心等幾何缺陷的存在也應(yīng)屬于偏心受壓構(gòu)件的范疇。因此極值點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象十分普遍。,（3）躍越失穩(wěn) 此類屈曲的特點(diǎn)是：既無(wú)平衡分岔點(diǎn)，又無(wú)極值點(diǎn)，但和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)又有一些相似之處。其結(jié)構(gòu)由一個(gè)平衡位形突然跳到另一個(gè)平衡位形，其間出現(xiàn)很大的變形，且都是從喪失穩(wěn)定平衡后經(jīng)歷一段不穩(wěn)定平衡，然后重新獲得穩(wěn)定平衡。屬于此類失穩(wěn)的有鉸接坦拱、扁殼、扁平的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。,此類屈曲雖然在發(fā)生躍越后荷載可以大于臨界值。但實(shí)際工程中不允許出現(xiàn)這樣大的變形。由于過大的變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，故應(yīng)該以臨界荷載作為承載的極限。,圖3-71為一兩端鉸接的坦拱，在均布荷載q作用下有撓度，其荷載撓度曲線也有穩(wěn)定的上升段oa，但到達(dá)曲線最高點(diǎn)a時(shí)會(huì)突然跳躍到一個(gè)非鄰近的具有很大變形的c點(diǎn)，拱結(jié)構(gòu)頃刻下垂。其中虛線ab是不穩(wěn)定的，bc段雖然是穩(wěn)定的而且一直是上升的，但此時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，故不能被利用。,圖3-71 躍越失穩(wěn),2.原因分析 （1）整體失穩(wěn)事故原因分析 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤： 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤主要與設(shè)計(jì)人員的水平有關(guān)。如，缺乏穩(wěn)定概念;穩(wěn)定驗(yàn)算公式錯(cuò)誤;只驗(yàn)算基本構(gòu)件的穩(wěn)定，忽視整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗(yàn)算;計(jì)算簡(jiǎn)圖及支座約束與實(shí)際受力不符，設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備過小等等。,制作缺陷： 制作缺陷通常包括構(gòu)件的初彎曲、初偏心、熱軋冷加工以及焊接產(chǎn)生的殘余變形等。這些缺陷將對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力產(chǎn)生顯著影響。,臨時(shí)支撐不足： 鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中，當(dāng)尚未完全形成整體結(jié)構(gòu)之前，屬幾何可變體系。構(gòu)件的穩(wěn)定性很差。因此必須設(shè)置足夠的臨時(shí)支撐體系來(lái)維持安裝過程中的整體穩(wěn)定性。 若臨時(shí)支撐設(shè)置不合理或者數(shù)量不足，輕則會(huì)使部分構(gòu)件喪失穩(wěn)定，重則造成整個(gè)結(jié)構(gòu)在施工過程中倒塌或傾覆。,使用不當(dāng)： 結(jié)構(gòu)竣工投人使用后，使用不當(dāng)或意外因素也是導(dǎo)致失穩(wěn)事故的主因。例如，使用方隨意改造使用功能;改變構(gòu)件的受力狀態(tài);由積灰或增加懸吊設(shè)備引起的超載;基礎(chǔ)的不均勻沉降和溫度應(yīng)力引起的附加變形;意外的沖擊荷載等等。,（2）局部失稱事故原因分析 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤：設(shè)計(jì)人員忽視甚至不進(jìn)行構(gòu)件的局部穩(wěn)定驗(yàn)算，或者驗(yàn)收方法錯(cuò)誤，致使組成構(gòu)件的各類板件寬厚比和高厚比大于規(guī)范限值。 構(gòu)造不當(dāng)：通常在構(gòu)件局部受集中力較大的部位，原則上應(yīng)設(shè)置構(gòu)造加勁肋。另外，為了保證構(gòu)件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不變形也須設(shè)置橫隔、加勁肋等。但實(shí)際工程中，加勁肋數(shù)量不足、構(gòu)造不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象比較普遍。,原始缺陷：原始缺陷包括鋼材的負(fù)公差嚴(yán)重超規(guī)，制作過程中焊接等工藝產(chǎn)生的局部鼓曲和波浪形變形等。 吊點(diǎn)位置不合理：在吊裝過程中，尤其是大型的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，吊點(diǎn)位置的選定十分重要。吊點(diǎn)位置不同，構(gòu)件受力的狀態(tài)也不同。有時(shí)構(gòu)件內(nèi)部過大的壓應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件在吊裝過程中局部失穩(wěn)。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)重要構(gòu)件應(yīng)在圖紙中說明起吊方法和吊點(diǎn)位置。,3.處理與防治 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)事故而倒塌后，整個(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)報(bào)廢，事故的處理已沒有價(jià)值，但對(duì)于局部失穩(wěn)事故可以采取加固或更換板件的做法，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故應(yīng)以防范為主，應(yīng)該遵守以下原則。,（1）設(shè)計(jì)人員應(yīng)強(qiáng)化穩(wěn)定設(shè)計(jì)理念： 結(jié)構(gòu)的整體布置必須考慮整個(gè)體系及其組成部分的穩(wěn)定性要求，尤其是支撐體系的布置。 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算方法的前提假定必須符合實(shí)際受力情況，尤其是支座約束的影響。,構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算與細(xì)部構(gòu)造的穩(wěn)定計(jì)算必須其要有強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的概念。 強(qiáng)度問題通常采用一階分析，而穩(wěn)定問題原則上應(yīng)采用二階分析。 疊加原理適用于強(qiáng)度問題，不適用于穩(wěn)定問題。 處理穩(wěn)定問題應(yīng)有整體觀點(diǎn)，應(yīng)考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相關(guān)影響。,（2）制作單位應(yīng)力求減少缺陷 在常見的眾多缺陷中，初彎曲、初偏心、殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定承載力影響最大，因此，制作單位應(yīng)通過合理的工藝和質(zhì)量控制措施將缺陷減低到最小程度。,（3）施工單位應(yīng)確保安裝過程中的安全 施工單位只有制定科學(xué)的施工組織設(shè)計(jì)，采用合理的吊裝方案，精心布置臨時(shí)支撐，才能防止鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中失穩(wěn)，確保結(jié)構(gòu)安全。,（4）使用單位應(yīng)正常使用鋼結(jié)構(gòu)建筑物 一方面，使用單位要注意對(duì)已建鋼結(jié)構(gòu)的定期檢查和維護(hù);另一方面，當(dāng)需要進(jìn)行工藝流程和使用功能改造時(shí)，必須與設(shè)計(jì)單位或有關(guān)專業(yè)人士協(xié)商，不得擅自增加負(fù)荷或改變構(gòu)件受力。,六、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞事故案例 （一）單