既有钢结构的缺陷及防治

既有钢结构的缺陷(quēxiàn)及防治

讲述(jiǎngshù)人：吴涛

导师：张曙光共三十四页既有钢结构的缺陷(quēxiàn)及防治

钢结构因其自重轻、强度高、塑性(sùxìng)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。共三十四页

一.技术(jìshù)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(cáizhì)缺陷制作缺陷安装缺陷链接缺陷使用缺陷

共三十四页1.设计(shèjì)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(guò〃fèn)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。

共三十四页常见的设计缺陷如下(rúxià):

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。共三十四页

2.自身材质(cáizhì)缺陷

钢材的种类不同,缺陷也自然(zìrán)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

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2.1化学成分缺陷(quēxiàn)

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(quēxiàn),应严格加以控制。共三十四页

2.2冶炼及扎制缺陷(quēxiàn)

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(bùdānɡ)，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.共三十四页

常见的缺陷有下列(xiàliè)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(gōngyì)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。共三十四页(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(hélǐ)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。共三十四页(5)斑疤:这是一种(yīzhǒnɡ)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。共三十四页(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(xiànxiàng).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。共三十四页(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(xíngchéng)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。共三十四页

3.制作(zhìzuò)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(dàduō)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。共三十四页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(cúnzài)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。共三十四页

4.安装(ānzhuāng)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(gōngyì)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。共三十四页

5．连接(liánjiē)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(gōngchǎng)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。共三十四页

5.1铆接(mǎojiē)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(yǐnqǐ)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。共三十四页

5.2栓接缺陷(quēxiàn)

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(bùdào)设计要求,尤其是摩擦面系数达不到要求。共三十四页

5.3焊接(hànjiē)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(yìnglì)或应力(yìnglì)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。共三十四页共三十四页

6.使用(shǐyòng)缺陷

钢结构使用阶段可能出现的缺陷如下:使用期间由于(yóuyú)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。共三十四页

二．环境因素对钢结构造成(zàochénɡ)的缺陷

缺陷类型：

温度作用引起的破坏(pòhuài)和损伤化学作用引起的破坏和损伤共三十四页

1.温度作用(zuòyòng)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(niǔqǔ)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。共三十四页共三十四页

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(fùjiā)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。共三十四页

2.化学作用引起(yǐnqǐ)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(guǎngyì)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。共三十四页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(chǎnshēng)薄弱截面，对构件受力影响大，故危险性较大。共三十四页(3)点(坑)腐蚀一钢材表面有集中腐蚀现象，且向纵深(zòngshēn)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。共三十四页三.钢结构缺陷(quēxiàn)的防治

钢结构的事故是由于其本身存在(cúnzài)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