鋼結(jié)構(gòu)損傷鑒定與修復(fù)課件

1、鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,1.鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固改造的目的和意義 （1）檢測 為評定建筑結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量或鑒定既有建筑結(jié)構(gòu)的性能所實施的檢測工作，稱為結(jié)構(gòu)檢測 我國建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50344）規(guī)定，建筑鋼結(jié)構(gòu)的檢測可分為鋼結(jié)構(gòu)材料性能、連接、構(gòu)件的尺寸與偏差、變形與損傷、構(gòu)造、基礎(chǔ)沉降以及涂裝等項工作，必要時，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的實荷載檢驗或結(jié)構(gòu)的動力測試。對某一具體鋼結(jié)構(gòu)的檢測可根據(jù)實際情況確定工作內(nèi)容和檢測項目。 （2）鑒定 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和檢測結(jié)果，并考慮缺陷的影響，依據(jù)相應(yīng)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的要求，對建筑結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評估的工作，稱為可靠性鑒定 （3）加固 加固工作分為加固設(shè)計、加

2、固施工及驗收三個節(jié)段,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,一.剛結(jié)構(gòu)基本性能 （1）室溫拉伸 室溫拉伸試驗是指在室溫條件下，對拉伸試 驗進(jìn)行單向拉伸直至斷裂，測定鋼材的一項或幾 項力學(xué)性能的試驗 檢測鋼材的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，伸長率和斷面收縮率等力學(xué)性能指標(biāo)，也可以測定鋼材的彈性模量和應(yīng)變硬化模量。 （2）彎曲試驗 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形 的能力。冷彎合格一方面表示鋼材的塑性變形 能力符合要求，另一方面也表示鋼材的冶金質(zhì) 量符合要求。 （3）沖擊試驗,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,沖擊韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用 鋼材斷裂時所吸收的總能量來衡量。單向拉伸 試驗所表示的鋼材性能都是靜力性能，韌性則

3、 是動力性能。韌性是鋼材強(qiáng)度，塑性的綜合指 標(biāo)，韌性低則發(fā)生脆性破壞的可能性大 二.鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測內(nèi)容 鋼構(gòu)件材料的檢測 連接（焊接連接，緊固件連接）的檢測 構(gòu)件腐蝕的檢測 構(gòu)件缺陷與損傷的檢測 結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形的檢測 結(jié)構(gòu)構(gòu)造檢測 涂裝的檢測 地基基礎(chǔ)的檢測,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,常見焊接缺陷 焊接是鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的連接方法，對應(yīng)的事故也比較多，因此應(yīng)檢查其缺陷。焊接缺陷是指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。常見的有裂紋、焊瘤、燒穿、氣孔、未焊透、夾渣、咬邊、未融合，以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫形成不良等。 涂裝層,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,鋼材的

4、腐蝕 鋼材的腐蝕：指其表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用而遭到破壞。 鋼材腐蝕不僅使截面積減小，性能降低甚至報廢，而且因產(chǎn)生銹坑，可造成應(yīng)力集中，加速結(jié)構(gòu)破壞。尤其在沖擊荷載、循環(huán)交變荷載作用下，將產(chǎn)生銹蝕疲勞現(xiàn)象，使鋼材的疲勞強(qiáng)度大為降低，甚至出現(xiàn)脆性斷裂。 根據(jù)腐蝕作用機(jī)理，鋼材的腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種 1、化學(xué)腐蝕：指鋼材直接與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。 這種腐蝕多數(shù)是氧化作用，使鋼材表面形成疏松的氧化物。在常溫下，鋼材表面形成一薄層氧化保護(hù)膜FeO，可以起一定的防止鋼材銹蝕的作用，故在干燥環(huán)境中，鋼材銹蝕進(jìn)展緩慢。但在溫度或濕度較高的環(huán)境中，化學(xué)銹蝕進(jìn)展加快。

5、2、電化學(xué)腐蝕：指鋼材與電解質(zhì)溶液接觸，形成微電池而產(chǎn)生的腐蝕,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,潮濕環(huán)境中鋼材表面會被一層電解質(zhì)水膜所覆蓋，而鋼材本身含有鐵、碳等多種成分，由于這些成分的電極電位不同，形成許多微電池。在陽極區(qū)，鐵被氧化成為Fe2+離子進(jìn)入水膜；在陰極區(qū)，溶于水膜中的氧被還原為OH-離子。隨后兩者結(jié)合生成不溶于水的Fe（OH）2，并進(jìn)一步氧化成為疏松易剝落的紅棕色鐵銹Fe（OH）3.電化學(xué)銹蝕是鋼材銹蝕的最主要形式。 影響鋼材腐蝕的主要因素：有環(huán)境中的濕度、氧，介質(zhì)中的酸、堿、鹽；鋼材的化學(xué)成分及表面狀況等。一些鹵素離子，特別是氯離子能破壞保護(hù)膜，促進(jìn)銹蝕反應(yīng)，使銹蝕迅速發(fā)展。,鋼結(jié)構(gòu)檢測

6、鑒定及加固,鋼材銹蝕等級 鋼材表面的四個腐蝕等級分別以A、B、C和D表示。這些腐蝕等級的文字?jǐn)⑹鋈缦拢?A全面地覆蓋著氧化皮而幾乎沒有鐵銹的鋼材表面； B已發(fā)生銹蝕，并且部分氧化皮已經(jīng)剝落的鋼材表面； C氧化皮已因銹蝕而剝落，或者可以刮除，并且有少量點蝕的鋼材表面 D氧化皮已因銹蝕而全面剝離，并且已普遍發(fā)生點蝕的鋼材表面。,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,為防止鋼材腐蝕，鋼結(jié)構(gòu)常用加重腐蝕涂料構(gòu)成長效防腐結(jié)構(gòu)，或者用配套重防腐涂料涂裝防護(hù)。金屬鋅、鋁具有很大的耐大氣腐蝕的特性。在鋼鐵構(gòu)件上噴鋅或噴鋁，鋅、鋁是負(fù)電位和鋼鐵形成犧牲陽極保護(hù)作用從而使鋼鐵基本得到了保護(hù)。目前用噴鋁涂層來防止工業(yè)大氣、海洋大氣

7、的腐蝕。金屬噴涂層與防腐涂料涂層的復(fù)合涂層的防護(hù)壽命較金屬噴涂層和防腐涂料防護(hù)層二者壽命之和還要長，為單一涂料防護(hù)層壽命的數(shù)倍。 重防腐長效涂料由底漆、中間漆和面漆構(gòu)成。 從長效經(jīng)濟(jì)性考慮，噴鋁涂層最為經(jīng)濟(jì)，但一次性投入大，施工良好的涂層可在10年內(nèi)無需維修。環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆及丙烯酸聚氨酯長效防護(hù)系統(tǒng)具有較佳的經(jīng)濟(jì)性。 另外除銹也是防止鋼材腐蝕的重要方法，在這里我們主要講噴射除銹，工程中應(yīng)用比較廣泛,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,噴射或拋射除銹前，厚的銹層應(yīng)鏟除。可見的油脂和污垢也應(yīng)清除。噴射或拋射除銹后，鋼材表 面應(yīng)清除浮灰和碎屑。鋼材表面應(yīng)無可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、

8、鐵銹和油漆涂層等附著物。 參見照片BSa1.CSal 和DSa1 鋼材表面應(yīng)無可見的油脂和污垢，并且氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物已基本清除，其殘留物應(yīng)是牢固附著的。 參見照片BSa2、CSa2和DS2,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,用手工和動力工具，如用鏟刀、手工或動力鋼絲刷、動力砂紙盤或砂輪等工具除銹，手工和動力工具除銹前，厚的銹層應(yīng)鏟除，可見的油脂和污垢也應(yīng)清除。手工和動力工具除銹后， 鋼材表面應(yīng)清除去浮灰和碎屑。對于手工和動力工具除銹過的鋼材表面，鋼材表面應(yīng)無可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷聲發(fā)射監(jiān)測 概述：采用聲發(fā)射技術(shù)

9、對已開裂的焊縫進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)了在復(fù)雜的環(huán)境噪聲中識別出裂紋活動信號。通過分析疲勞裂紋損傷產(chǎn)生的原因以及材料在交變載荷作用下產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)理，得到表征焊縫裂紋活動過程的信號特征。試驗表明，聲發(fā)射技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)裂紋損傷的活度、強(qiáng)度具有較大的敏感性，可以實現(xiàn)對裂紋損傷狀態(tài)發(fā)展變化的實時監(jiān)測 本人對一項鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗研究做了簡單分析。該鋼結(jié)構(gòu)錨梁在疲勞測試過程中，錨梁一端焊縫出現(xiàn)裂紋。采用聲發(fā)射技術(shù)對裂紋處進(jìn)行重點監(jiān)測，得到裂紋損傷的疲勞活動規(guī)律，為今后的深入研究提供重要依據(jù)。該鋼結(jié)構(gòu)錨梁預(yù)定疲勞測試次數(shù)為200萬次，最大加載載荷為1714KN，最小加載載荷為124.6KN，加載頻率為1.1次。隨著疲勞

10、加載次數(shù)的增加，錨梁橫梁段與底部支撐板焊縫連接處出現(xiàn)宏觀裂紋。當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到77萬次的時候，采用聲發(fā)射技術(shù)對其進(jìn)行了疲勞監(jiān)測，采集裂紋活動過程的聲發(fā)射信號。經(jīng)過10天的監(jiān)測，一直跟蹤至疲勞測試結(jié)束，獲得了有價值的數(shù)據(jù)。,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,通過對數(shù)據(jù)的處理分析，得到裂紋損傷活動過程的信號特征。數(shù)據(jù)分析表明，裂紋在張開與閉合階段均產(chǎn)生聲發(fā)射信號，且具有不同的參數(shù)特征，只有經(jīng)過一定的疲勞周次，才會發(fā)生真正的裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展具有隨機(jī)性。圖為疲勞測試的現(xiàn)場圖片，圖中左端黑點處為已發(fā)現(xiàn)的焊縫裂紋。,圖1 疲勞試驗現(xiàn)場圖片,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,聲發(fā)射監(jiān)測原理 疲勞損傷是指材料或結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下由

11、于機(jī)械、物理、化學(xué)等因素導(dǎo)致其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劣化的結(jié)果。工程結(jié)構(gòu)中鋼梁焊縫連接處由于交變載荷作用容易產(chǎn)生疲勞損傷，其發(fā)生、發(fā)展歷程由位錯滑移微觀裂紋裂紋擴(kuò)展斷裂等階段組成。裂紋萌生、穩(wěn)定、擴(kuò)展直至最后斷裂的過程是一個能量累積和快速釋放的過程。能量的釋放包括表面能、熱能、彈性性能等形式，其中的彈性能以應(yīng)力波的形式釋放出來，產(chǎn)生聲發(fā)射。聲發(fā)射信號包含了信號源處的有效信息，通過監(jiān)測分析裂紋損傷在疲勞載荷作用下的聲發(fā)射信號，有助于了解裂紋及結(jié)構(gòu)的變化情況，進(jìn)而對材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行損傷評價。,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,疲勞裂紋損傷位置及開裂原因 裂紋位置 鋼梁左端部與底板支撐搭接處的角焊縫由于疲勞載

12、荷、焊接缺陷、應(yīng)力集中等原因產(chǎn)生兩條裂紋。一條位于鋼梁底板與底部支撐上表面板焊縫處，另一條位于橫梁左端部加強(qiáng)板底部焊縫處，裂紋源位于角焊縫頭部。 開裂原因 由于疲勞試驗機(jī)壓力軸與鋼結(jié)構(gòu)錨梁側(cè)向中面不完全重合，橫梁兩端與底部支撐板的連接焊縫既承受復(fù)合拉壓應(yīng)力，又承受復(fù)合扭剪應(yīng)力。 因此鋼結(jié)構(gòu)橫梁兩端焊接處在每一次循環(huán)都要承受拉壓剪三種狀態(tài)的復(fù)合應(yīng)力作用。在焊縫區(qū)，焊條金屬與本體金屬的熔融區(qū)往往產(chǎn)生金屬原子的位錯，在外應(yīng)力作用下，位錯原子數(shù)目不斷增加，大量的位錯部位相互通連，形成了原子尺度的滑移帶，當(dāng)滑移帶在周期載荷作用下繼續(xù)發(fā)展，便形成微裂紋。微裂紋的端部往往造成應(yīng)力集中，隨著疲勞次數(shù)的增加，裂

13、紋不斷擴(kuò)展，形成肉眼可見的宏觀裂紋。,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,圖中傳力三角梁為不對稱三角形，主壓力點分別距離橫梁左右兩端支撐處 和，從而使鋼架橫梁左端焊縫處承受較大的載荷。開裂處為角焊縫焊接，由于施焊部位空間狹窄，影響焊接質(zhì)量，焊接端部易產(chǎn)生應(yīng)力集 中，引起較 大殘余應(yīng)力，造成該端出現(xiàn)宏觀裂紋。 監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 噪聲分析 疲勞試驗現(xiàn)場噪聲主要來自于油缸沖擊、金屬塑性變形、金屬板表面之間的擠壓摩擦、加載金屬壓頭對三角梁頂端產(chǎn)生的周期性沖擊。圖 為噪聲檢測過程中傳感器布置圖，將傳感器布置在鋼梁各段，距離左端焊縫處較遠(yuǎn)。由于鋼板結(jié)構(gòu)搭接、角接情況復(fù)雜，聲波衰減加劇，因此，傳感器基本接收不到裂紋處的

14、聲發(fā)射信號。圖為不同傳感器接收到的噪聲信號的幅值時間圖，通道 分別對應(yīng)圖 中的安裝位置。由圖 中噪 聲信號分 析可知，通道貼于左側(cè)側(cè)壁，最高幅值達(dá)到左右，具有明顯的周期性，其信號出現(xiàn)的頻率等于加載頻,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,率的兩倍，表明每次疲勞循環(huán)的加載段與卸載段都會產(chǎn)生信號。， 號傳感器分別貼于三角梁與橫梁上，其信號幅值高達(dá) 左右，且通道接收到的信號幅值高于通道，但，通道低幅值信號的周期 性已經(jīng)不明顯。這說明噪聲信號主要來自于傳力3,圖2 噪聲檢測傳感器布置圖,圖3 左端裂紋信號幅值-時間圖,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,角梁與底部橫梁相接平面的摩擦以及鋼板的塑性變形和液壓缸的沖擊噪聲，噪聲信號首先

15、傳到通道，依次傳給，通道。，通道接收到高幅值信號，同時接收到大量的反射波、折射波，因此使得周期性的加載信號趨于模糊，不再具有周期性。隨著傳播路徑的增長以及鋼結(jié)構(gòu)連接形式的復(fù)雜性，信號的衰減使得，通道只能接收到低幅值、低頻率信號，一些反射波、折射波衰減 到門檻以下，因此，通道不受回波干 擾，其信號表現(xiàn)出明顯的周期性。由圖 可知，通道位于傳力三角梁與橫梁凸臺 接觸面附近，因此通道的信號波形頻譜 特征可以有效表征加載端傳來的噪聲信號 ，其幅值時間特征參數(shù)圖見圖。由于 加載和卸載過程平穩(wěn)，其疲勞加載曲線如 圖，,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,每個加載周期中號傳感器都會接收到兩次高幅值信號，且兩次信號的聲發(fā)射特

16、征參數(shù)的差別具有規(guī)律性。圖中 0至 為一次加載周期（此 試驗加載頻率 1.1）。圖中 和 分別為兩次高幅值信號出現(xiàn)的時間，其間隔時間約占每個周期的，兩次信號的上升時間分別位于300600和1100016000之間。進(jìn)一步分析可得：加載段由于載荷持續(xù)加大，應(yīng)變能迅速聚集，達(dá)到最大作用應(yīng)力（）前材料屈服或結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性極限而釋放能量并產(chǎn)生聲發(fā)射；卸載段由于載荷作用的減小，金屬構(gòu)件具有恢復(fù)原狀的彈性能將得到釋放，由于釋放過程沒有外加應(yīng)力的強(qiáng)制用，使得卸載過程均勻平穩(wěn)，高幅值信號的上升時間和持續(xù)時間較長。 作通道壓壓疲勞加載曲線示意圖分析兩次信號的頻譜圖發(fā)現(xiàn)，加載段的高頻信號比率較大，這表明加載段由于外

17、載的強(qiáng)制作用使得信號的應(yīng)變速率較大；卸載段能量的釋放較為自由，應(yīng)變速率較小，因此信號的頻率較低。由以上分析可得：圖中分別表示為加載段信號，表示卸載段信號。圖和分別為不同載荷歷程的信號波形及 譜圖。,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,鋼梁兩端信號對比分析 將傳感器布置于鋼架橫梁兩端進(jìn)行信號采集，即在圖所示鋼結(jié)構(gòu)橫梁兩端焊縫區(qū)對應(yīng)放置傳感器，其傳感器位于圖中的十字圓形區(qū)域。圖為右端（無裂紋端）信號的波形與 變換圖，圖值為左端（裂紋端）突發(fā)型信號波形與 譜圖。兩端低幅信號出現(xiàn)的頻率接近于加載頻率的倍，即在一次循環(huán)的加載與卸載過程均產(chǎn)生低幅值噪聲。,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,鋼梁右側(cè)低應(yīng)力區(qū)無裂紋端的信號時域波形呈連

18、續(xù)型，信號經(jīng)過快速傅里葉變換處理后具有較寬的頻 帶 范 圍 （50350KHz），低 頻 成 分 （80160KHz）占主要成分，且 分 布較為均勻。左端 （裂紋端）信號每個加載周期都會出現(xiàn)，其信號波 形為典型的突發(fā)型，且出現(xiàn)在加壓 到最大載荷前和卸載到最小載荷前 ，其頻譜圖與功率譜圖頻率成分集 中，位于150KHz左右，因此以突發(fā)型信號作為裂紋活動的表征信號，總結(jié)其參數(shù)特征，作為與噪聲信號參數(shù)的對比，,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,鋼結(jié)構(gòu)加固 （1）增加支撐或輔助構(gòu)件 加設(shè)輔助桿件以減小壓桿計算長度是改變結(jié)構(gòu)計算簡圖的一種簡單情況。 1)增加支撐或輔助構(gòu)件,使構(gòu)件的長細(xì)比 減小,以提高其穩(wěn)定性。如圖

19、1a)所示的短斜 桿可以把桁架端斜桿在桁架平面內(nèi)的計算長 度減小一半。如圖1b)所示的再分體系可以 減小弦桿的計算長度,如果弦桿上作用有非 節(jié)點荷載,則再分體系還減小或消除弦桿的彎矩。 2)增加支撐或輔助構(gòu)件以增大結(jié)構(gòu)的空間剛度,從而使結(jié)構(gòu)可以按空 間結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算,挖掘結(jié)構(gòu)潛力。3)桁架的全面加固可以采取加設(shè)第三根,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,弦桿的方法,或是在下面加形成下?lián)问襟w系如圖2a)所示或是在上面加,形成懸吊式體系如圖2b)所示。在凈空或其他條件受限制時,則加在桁架高度范圍內(nèi)如圖2c)所示。 （2）支座調(diào)整和改變 1)桁架和柱鉸接的單層框架改變?yōu)橹鶆傂赃B接,可以減小柱在水平荷載作用下的最大彎

20、矩。 2)增加中間支座或?qū)⒑喼ЫY(jié)構(gòu)端部連接為連續(xù)結(jié)構(gòu)。3)調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置,改變連續(xù)結(jié)構(gòu)的跨度。 （3）撐式結(jié)構(gòu) 將構(gòu)件改變成撐式結(jié)構(gòu)可以改變構(gòu)件的彎矩圖形:1)簡支梁設(shè)置撐桿見圖3。2)屋架下設(shè)置撐桿見圖4。,鋼結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固,（4）改善受力狀態(tài) 使加固構(gòu)件與其他構(gòu)件共同工作或形成組合結(jié)構(gòu),以改善受力狀態(tài),例如加強(qiáng)節(jié)點和增加支撐,使鋼屋架與天窗架共同工作,又如在鋼平臺梁上增設(shè)剪力鍵使其與混凝土鋪板形成組合結(jié)構(gòu)。此外,在排架或平面框架等結(jié)構(gòu)中,為減少加固工作量和加固施工對生產(chǎn)的影響,可以集中加強(qiáng)某一列柱的剛度,使之能承受大部分水平力,從而減輕其他列柱的負(fù)荷,以致其他列柱可不加固或少加固。當(dāng)框架有主副跨時,