鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量缺陷

鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量缺陷第1頁/共193頁

鋼結(jié)構(gòu)作為一種承重結(jié)構(gòu)，由于其自重輕、強度高、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)濟效益顯著、造型美觀以及符合綠色建筑等眾多優(yōu)點，深受建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的青睞，被廣泛應用于各類建筑中，尤其在大跨和超高層建筑領域顯示出無以倫比的優(yōu)勢。第2頁/共193頁

但世界范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的事故頻繁發(fā)生，慘痛的教訓一再重復。國內(nèi)外大量文獻統(tǒng)計資料表明，絕大多數(shù)事故發(fā)生在施工階段到竣工驗收前這段時間。我國由于過去鋼結(jié)構(gòu)工程較少，缺少較完整的統(tǒng)計資料，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，這主要和我國鋼結(jié)構(gòu)的應用范圍有關。第3頁/共193頁

國內(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)件偏離設計位置，構(gòu)件腐蝕喪失承載能力，構(gòu)件或連接開裂、松動和分層。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、火災事故以及倒塌事故。第4頁/共193頁一、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，當材料的缺陷累積或嚴重到一定程度將會導致鋼結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生。第5頁/共193頁

(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。第6頁/共193頁

常見的先天性缺陷有化學成分缺陷、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。第7頁/共193頁2.原因分析化學成分對鋼材的性能有重要影響。從有害影響的角度來講，化學成分將產(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。第8頁/共193頁

碳的含量愈高，鋼材的強度愈高，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%。第9頁/共193頁

錳的含量過高對可焊性不利，故需加以限制。普通碳素鋼中錳的含量約為0.3%～0.8%，16Mn鋼中錳含量則達到1.2%～0.55%。第10頁/共193頁

適量的硅可提高鋼的強度，而對其他性能影響較小，但含量過高則對鋼的塑性、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%，低合金鋼中應為0.20%～0.55%。第11頁/共193頁

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800～1210℃時熔化而使鋼材出現(xiàn)裂紋，稱為“熱脆”現(xiàn)象。另外，含硫量增大，會降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強度、抗銹蝕性和可焊性。故應嚴格控制其含量，一般不應超過0.035%～0.050%。第12頁/共193頁

磷是鋼材的一種有害雜質(zhì)。磷雖然能提高鋼的強度和抗銹蝕能力，但會降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性，尤其是磷使鋼在低溫時韌性降低而產(chǎn)生脆性破壞，稱為“冷脆”現(xiàn)象。故對磷的含量要嚴格控制，一般不超過0.035%～0.045%。第13頁/共193頁

氧是鋼材的一種有害雜質(zhì)。氧通常是在鋼熔融時由空氣或水分分解而進入鋼液，冷卻后殘留下來。氧的有害影響同硫，且更甚，使鋼材“熱脆”，一般含量應低于0.05%。氮作為有害雜質(zhì)，可能從空氣進入高溫的鋼液中。氮的影響與磷相似，會使鋼材“冷脆”，一般氮的含量應低于0.008%。第14頁/共193頁

氫作為有害雜質(zhì)，通常也是由空氣或水分分解而進入鋼液。氫在低溫時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、機械性能不合格等。

第15頁/共193頁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成分均對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)缺陷應由冶金部門處理，從煉鋼工藝上得到根本性解決，應根據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-88)和《低合金結(jié)構(gòu)鋼》(GB1591-88)的規(guī)定，加以嚴格控制。第16頁/共193頁（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、號料尺寸超公差;(4)切割邊未加工或達不到要求;第17頁/共193頁(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力;(9)表面清洗防銹不合格;(10)鋼構(gòu)件外型尺寸超公差。第18頁/共193頁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械設備和成熟的工藝方法，進行各種操作處理，達到規(guī)定產(chǎn)品的預定要求目標。第19頁/共193頁

現(xiàn)代化的鋼結(jié)構(gòu)廠應具有進行剪、沖、切、折、割、鉆、鉚、焊、噴、壓、滾、彎、刨、銑、磨、鋸、涂、拋、熱處理、無損檢測等加工能力的設備，并輔以各種專用胎具、模具、夾具、吊具等工藝設備。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。第20頁/共193頁3.處理與防治鋼結(jié)構(gòu)制造廠應重視加工制作各個環(huán)節(jié)工藝的合理性和設備的先進性，盡量減少手工作業(yè)，力求全自動化，應嚴格按鋼結(jié)構(gòu)加工制作的工序、標準要求進行加工制作及質(zhì)量控制。第21頁/共193頁（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)場制作以螺栓連接居多或者部分相互交叉使用。第22頁/共193頁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的缺陷如下:

①

鉚釘本身不合格;

②鉚釘孔引起構(gòu)件截面削弱;第23頁/共193頁③鉚釘松動，鉚合質(zhì)量差;④鉚合溫度過高，引起局部鋼材硬化;⑤板件之間緊密度不夠。第24頁/共193頁

（2）原因分析鉚接是將一端帶有預制釘頭的鉚釘，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)場熱作業(yè)，工藝不易控制。第25頁/共193頁

（3）處理與防治應嚴格按鉚接工藝要求進行施工及質(zhì)量控制。第26頁/共193頁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)帶來的主要缺陷有:

①螺栓孔引起構(gòu)件截面削弱；

②普通螺栓連接在長期動載作用下的螺栓松動；第27頁/共193頁

③高強螺栓連接預應力松弛引起的滑移變形；

④螺栓及附件鋼材質(zhì)量不合格；

⑤孔徑及孔位偏差；

⑥摩擦面處理達不到設計要求，尤其是摩擦系數(shù)達不到要求。第28頁/共193頁

（2）原因分析螺栓連接包括普通螺栓連接和高強螺栓連接兩大類。普通螺栓一般為六角頭螺栓，材質(zhì)為Q235，性能等級為4.6級(4.6S)，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和加工要求分為A、B、C三級。其中A級為精制螺栓，B級為半精制螺栓。精制螺栓和半精制螺栓采用1類孔，孔徑比螺栓桿徑大0.3～0.5mm。C級為粗制螺栓，一般采用11類孔，孔徑比螺栓桿徑大1.0～1.5mm。第29頁/共193頁

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，故通常應用于安裝連接和需拆裝的結(jié)構(gòu)。第30頁/共193頁

高強螺栓是繼鉚接連接之后發(fā)展起來的一種新型鋼結(jié)構(gòu)連接形式，它已成為當今鋼結(jié)構(gòu)連接的主要手段之一。高強螺栓常用性能等級為8.8級和10.9級。8.8級采用的是45號和35號或40B；10.9級采用的鋼號為合金鋼20MnTiB、40B、35VB。高強螺栓通常包括摩擦型和承壓型兩種，而以前者應用最多。摩擦型高強螺栓的孔徑比螺栓公稱直徑大1.0～1.5mm。高強螺栓連接具有安裝簡便、迅速、能裝能拆和受力性能好、安全可靠等優(yōu)點，深受用戶歡迎。第31頁/共193頁

（3）處理與防治應嚴格按栓接工藝要求進行施工及質(zhì)量控制。第32頁/共193頁

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，按焊接的自動化程度一般分為手工焊接、半自動焊接及自動化焊接。焊接連接的優(yōu)點是不削弱截面、節(jié)省材料、構(gòu)造簡單、連接方便、連接剛度大、密閉性好，尤其是可以保證等強連接或剛性連接。

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焊接也可能帶來以下缺陷:

①焊接材料不合格。手工焊采用的是焊條，自動焊采用的是焊絲和焊劑。實際工程中通常容易出現(xiàn)三個問題:

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。第34頁/共193頁

②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。

③因焊接產(chǎn)生較大的焊接殘余變形。

④因焊接產(chǎn)生嚴重的殘余應力或應力集中。

⑤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。第35頁/共193頁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。第36頁/共193頁圖3-57不合格焊縫剖面形狀（a）不合格角焊縫的剖面形狀（b）不合格對接焊縫的剖面形狀第37頁/共193頁圖3-58焊縫缺陷第38頁/共193頁

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；保護氣體不純且焊絲銹蝕等。焊縫上的氣孔會降低焊縫的機械性能，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遠大于獨立氣孔，且特別對動載下疲勞性能的影響遠大于對靜力性能的影響。第39頁/共193頁

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。第40頁/共193頁

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；電弧過長或運條角度不當；焊接位置不當。咬肉或咬邊會造成應力集中，尤其對結(jié)構(gòu)動載性能及疲勞性能影響很大。第41頁/共193頁

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；運條角度不當；焊接質(zhì)量及焊接規(guī)范不當。焊瘤不但影響成形美觀，而且易引起應力集中。焊瘤處還易夾渣、未熔合，導致裂縫產(chǎn)生。第42頁/共193頁

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；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度，引起應力集中，導致裂解和結(jié)構(gòu)破壞。第43頁/共193頁

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，也與焊接電流過小或焊接速度過快以致母材金屬未達到熔化狀態(tài)有關。裂紋是最為嚴重的焊縫缺陷，如圖3-59所示。根據(jù)裂紋發(fā)生的時間，大致可將裂紋分成高溫裂紋和低溫裂紋兩大類。第44頁/共193頁第45頁/共193頁第46頁/共193頁第47頁/共193頁圖3-59

焊縫接頭裂紋種類第48頁/共193頁

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。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氣體保護焊中，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，如電壓過低、電流過高，在焊縫冷卻收縮時使焊道的斷面形狀呈現(xiàn)梨形?；⌒瘟鸭y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。第49頁/共193頁

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。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。通常氮的來源有多種途徑，如焊條中的有機物、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；當母材的含碳量較高、冷卻速度較快、控制地區(qū)硬化，從而導致裂紋的產(chǎn)生。第50頁/共193頁

（3）處理與防治焊縫成形不良的修補措施：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，不應有割痕或咬邊；修補焊縫前，應先將所焊區(qū)域清理干凈；修補焊接時所用焊條直徑要小，一般不宜大于4mm；選擇合適的焊接規(guī)范。第51頁/共193頁

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；在風速大的環(huán)境下施焊應采取防風措施。另外，對超過規(guī)定的氣孔必須刨去后重新補焊。第52頁/共193頁

為防止夾渣，在焊前應選擇合理的焊接規(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。在多層施焊時要注意認真仔細徹底清理每層的熔渣，特別是堿性焊條。另外，夾渣缺陷的修補一般采用碳弧氣刨將其缺陷的焊縫金屬除去，手工補焊。第53頁/共193頁

為了避免咬肉缺陷的措施:

在施焊時正確的選擇焊接電流和焊接速度，掌握正確的運條方法，采用合適的焊條角度和電弧長度。咬邊的修補措施參見焊縫成形不良的處理方法。第54頁/共193頁

防止焊瘤的措施是：盡可能使焊縫處于平焊位置進行焊接，正確選擇焊接規(guī)范，正確掌握運條方法。焊瘤的修補一般采用打磨的方法將其打磨光順。第55頁/共193頁

為了防止未焊透缺陷，應選擇合理的焊接規(guī)范，正確選用坡口形式、尺寸、角度和溝隙，采用適當?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，用手工焊進行補焊。邊緣未熔合的消除方法為采用碳弧氣刨刨去焊縫后重焊。第56頁/共193頁

高溫裂紋的防止措施為:

選擇適當?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注意填滿弧坑。第57頁/共193頁

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；對焊條或焊劑等進行必要的烘焙，使用時注意保管；焊前應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)件焊接時最好采用由中間向兩端對稱施焊的方法；進行焊前預熱及焊后熱處理，降低冷卻速度。第58頁/共193頁

焊接裂紋通常采用的修補措施如下：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焊縫兩端延長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熱、控制層間溫度和后熱等工藝措施進行補焊。第59頁/共193頁

四、鋼結(jié)構(gòu)運翰、安裝和使用維護中的缺陷原因及治理鋼結(jié)構(gòu)在工廠制作完成后，運至現(xiàn)場安裝，安裝完畢進人使用期。在此過程中通?？赡苡龅揭韵氯毕荩海?）運輸過程中引起結(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)；第60頁/共193頁

（3）安裝過程中沒有足夠的臨時支撐或錨固，導致結(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)場焊接及螺栓連接質(zhì)量達不到設計要求；（5）使用期間由于地基不均勻沉降、溫度應力以及人為因素造成的結(jié)構(gòu)損壞；第61頁/共193頁

（6）不能做到定期維護，致使結(jié)構(gòu)腐蝕嚴重，影響到結(jié)構(gòu)的耐久性。鋼結(jié)構(gòu)施工單位應重視安裝工序的合理性、人員的高素質(zhì)以及現(xiàn)場質(zhì)檢工作。尤其是臨時支撐和安全措施不可忽視。第62頁/共193頁五、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。第63頁/共193頁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；設計時選材不合理；制作時工藝參數(shù)不合理，鋼材與焊接材料不匹配；安裝時管理混亂，導致材料混用或隨意替代。第64頁/共193頁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。應認真復檢鋼材及連接材料的各項指標，以確認事故原因。鋼材應符合《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-2006)和《低合金結(jié)構(gòu)鋼》(GB1591-88)中的相關規(guī)定。焊接材料應符合《碳鋼焊條》(GB5117-95)、《低合金鋼焊條》(GB5118-85)以及《焊接用焊絲》(GB1300-17)等相關標準規(guī)定。第65頁/共193頁

螺栓材料應符合《緊固件機械性能》(GB3098-2000)、《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角螺栓、大六角螺母、墊圈型式尺寸與技術條件》和《鋼結(jié)構(gòu)用扭剪型高強度螺栓連接型式尺寸及技術條件》等有關規(guī)定。如果構(gòu)件裂縫的確是材料本身的原因。通常應采用“加固或更換構(gòu)件”的處理方法。第66頁/共193頁

如果結(jié)構(gòu)不重要，構(gòu)件的裂紋細小時，也可按下列處理方法：用電鉆在裂縫兩端各鉆一直徑約12～l6mm的圓孔(直徑大致與鋼板厚度相等)，裂縫末端必須落入孔中，減少裂縫處應力集中。沿裂縫邊緣用氣割或風鏟加工成K形坡口。裂縫端部及焊縫側(cè)金屬預熱到150～200℃，用焊條堵焊裂縫，堵焊后用砂輪打磨平整為佳。對于鉚釘連接附近的構(gòu)件裂縫，可采用在其端部鉆孔后，用高強螺栓封住。第67頁/共193頁

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)，當發(fā)現(xiàn)時已成半成品或成品，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。第68頁/共193頁

（1）桁架節(jié)點板夾層處理對于屋蓋結(jié)構(gòu)承受靜載或間接動載的桁架節(jié)點板，當夾層深度小于節(jié)點板高度的1/3時，應將夾層表面鏟成V形坡口，焊合處理;

當允許在角鋼和節(jié)點板上鉆孔時，也可用高強螺栓擰合;當夾層深度等于或大于節(jié)點板1/3高度時，應將節(jié)點板拆換處理。第69頁/共193頁

（2）實腹梁、柱翼緣板夾層處理。當承受靜載的實腹梁和實腹柱翼緣有夾層存在時，可按下述方法處理。①在一半長度內(nèi)，板夾層總長度(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?？刹蛔魈幚砣钥墒褂谩５?0頁/共193頁②當夾層總長度超過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。③當夾層深度未超過冀緣斷面高度1/2時?？稍趭A層處鉆孔，用高強螺栓擰合，此時應驗算鉆孔所削弱的截面;

當夾層深度超過翼緣斷面高度1/2時，應將夾層的一邊翼緣板全部切除，另換新板。第71頁/共193頁

焊縫裂紋處理：對于焊縫裂紋，原則上要刨掉重焊(用碳弧氣刨或風鏟)，但對承受靜載的實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，斜板厚度應大于裂紋長度。第72頁/共193頁六、案例某車間為五跨單層廠房，全長759m，寬159m，屋蓋共用鋼屋架118榀。其中40榀屋架下弦角鋼為2∟160×14，其肢端普遍存在不同程度的裂縫，見圖3-60，裂縫深2～5mm，個別達20mm，縫寬0.1～0.7mm，長0.5～10m不等。第73頁/共193頁圖3-60

屋架下弦角鋼裂縫第74頁/共193頁1．原因分析經(jīng)取樣檢驗，該批角鋼材質(zhì)符合A3F標準，估計裂縫是在鋼材生產(chǎn)過程中形成的，由于現(xiàn)場缺乏嚴格的質(zhì)量檢驗制度，管理混亂，而將這批鋼材用到工程上。第75頁/共193頁2．處理措施由于角鋼裂縫造成截面削弱，強度與耐久性降低，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，其斷面按雙肢和對稱考慮，鋼材焊接時，要求不損害原下弦桿件并要防止結(jié)構(gòu)變形。第76頁/共193頁

（2）加固方法在下弦兩側(cè)沿長度方向各加焊一根規(guī)格為∠90×56×6的不等邊角鋼。加固長度為：當端節(jié)間無裂縫時，僅加固到第二節(jié)點延伸至節(jié)點板一端；見圖3-61(a)；當端節(jié)間下弦有裂縫，則按全長加固：見圖3-61(b)。

第77頁/共193頁圖3-61

屋架下弦加固示意圖第78頁/共193頁

加固角鋼在屋架下弦節(jié)點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∠63×6(材質(zhì)為A3F)加強。第79頁/共193頁

若在屋架下弦節(jié)點及拼接板處有裂縫，均在底部加焊一根∠63×6角鋼，加固角鋼本身的拼接在端頭適當削坡等強對接，但要求與原下弦角鋼拼接錯開不少于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。第80頁/共193頁二、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?？傮w變形是指整個結(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。第81頁/共193頁圖3-62總體變形

（a）彎曲變形（b）畸變（c）扭曲第82頁/共193頁

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。

第83頁/共193頁圖3-63

總體變形

（a）凹凸變形（b）褶皺波浪變形（c）角變形第84頁/共193頁

總體變形與局部變形在實際的工程結(jié)構(gòu)中有可能單獨出現(xiàn)，但更多的是組合出現(xiàn)。無論何種變形都會影響到結(jié)構(gòu)的美觀，降低構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性，給連接和組裝帶來困難，尤其是附加應力的產(chǎn)生，將嚴重降低構(gòu)件的承載力。影響到整體結(jié)構(gòu)的安全。第85頁/共193頁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。熱軋鋼板厚度為4.5～60mm，薄鋼板厚度為0.35～4.0mm；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2～6mm。第86頁/共193頁

鋼材由于軋制及人為因素等原因，時常存在初始變形，尤其是冷彎薄壁型鋼，因此在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作前必須認真檢查材料，矯正變形，不允許超出鑰材規(guī)定的變形范圍。第87頁/共193頁

（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;刨削以后產(chǎn)生的彎曲變形，窄板和薄板變形大一點。

2）制作、組裝帶來的變形由于加工工藝不合理、組裝場地不平整、組裝方法不正確、支撐不當?shù)仍?，引起的變形有彎曲、扭曲和畸變?/p>

第88頁/共193頁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)生殘余應力的同時還將伴生變形。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)選擇不當和焊接遍數(shù)不當?shù)?。焊接變形應控制在制造允許誤差限制以內(nèi)。 第89頁/共193頁

（3）運輸及安裝過程中產(chǎn)生的變形運輸中不小心、安裝工序不合理、吊點位置不當、臨時支撐不足、堆放場地不平，尤其是強迫安裝，均會使結(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。高溫等原因都會導致變形。第90頁/共193頁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，不得進行冷矯正。碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼在加熱矯正時，加熱溫度應根據(jù)鋼材性能選定，但不得超過900℃。低合金鋼在加熱矯正后應緩慢冷卻。

第91頁/共193頁

當構(gòu)件變形不大時，可采用冷加工矯正和熱加工矯正;當變形較大又很難校正時，應采用加固或調(diào)換新件進行修復。鋼材矯正后的允許偏差值應滿足表3-12的要求。鋼構(gòu)件外形尺寸的允許偏差值應滿足規(guī)范的要求。第92頁/共193頁

表3-12鋼材矯正后的允許偏差（mm）項目允許偏差圖例鋼板的局部平面度t≤1.51.5t＞1.01.0型鋼彎曲矢高l/10005.0第93頁/共193頁項目允許偏差圖例角鋼支的垂直度b/100雙肢栓接角鋼的角度不得大于90槽鋼翼緣對腹板的垂直度b/80工字鋼、H型鋼翼緣對腹板的垂直度b/1002.0第94頁/共193頁（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傾斜度分別為57mm和36mm，下弦中點分別彎曲21mm和7mm，傾斜度超過《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》允許偏差≤h/250(2800/250＝11.2mm)和不大于15mm的要求。第95頁/共193頁

（2）原因分析

①屋架側(cè)向剛度差，在焊接支撐時發(fā)生了變形，沒有及時檢查糾正；

②屋架制作時就存在彎曲。第96頁/共193頁

（3）處理措施

①減小上弦平面外的支點間距，在無大型屋面板的天窗部位，將原設計的剪刀撐改為米字形支撐，使支點間距由6m小為3m，提高承載能力；

②屋架上弦原設計水平拉桿為∠75×6，改為雙角鋼2∠90×6，使其可承受壓力。

③將屋面板各點焊縫加強，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。第97頁/共193頁圖3-46

支撐加強示意圖第98頁/共193頁2.屋架端頭超長（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，因柱已最后固牢，造成屋架無法安裝。經(jīng)檢查超長尺寸一般為20～40mm，最長達80mm。第99頁/共193頁

（2）原因分析

①下弦端頭連接板與接頭未頂緊，存在5～10mm間隙；

②兩半屋架拼接時，長度控制不嚴，存在較大的正偏差。

③鋼柱安裝存在向跨內(nèi)傾斜的豎向偏差(允許偏差為H/1000＝18300/1000＝18.3mm),有的實際偏差達30mm。第100頁/共193頁

（3）處理措施屋架超長值≤30mm時，將一端切除20～25mm，重新焊接端頭支承板，并將焊縫加厚2mm；超長值＞30mm時，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，使軸線交點在屋架端頭支承連接板處，見圖3-65。第101頁/共193頁圖3-65

屋架加固示意圖第102頁/共193頁三、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，由于各種因素的復合影響，鋼結(jié)構(gòu)也會發(fā)生脆性斷裂，而且往往在拉應力狀態(tài)下發(fā)生。脆性斷裂是指鋼材或鋼結(jié)構(gòu)在低名義應力(低于鋼材屈服強度或抗拉強度)情況下發(fā)生的突然斷裂破壞。 第103頁/共193頁

鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂通常具有以下特征:

①破壞時的應力常小于鋼材的屈服強度壽，有時僅為不的0.2倍。

②破壞之前沒有顯著變形，吸收能量很小，破壞突然發(fā)生，無事故先兆。

③斷口平齊光亮。第104頁/共193頁

脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)中最危險的破壞形式。由于脆性斷裂的突發(fā)性，往往會導致災難性后果。因此，作為鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)技術人員，應該高度重視脆性破壞的嚴重性并加以防范。第105頁/共193頁2.原因分析雖然鋼結(jié)構(gòu)的塑性很好，但仍然會發(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:

第106頁/共193頁

（1）材質(zhì)缺陷當鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過高時，將會嚴重降低其塑性和韌性，脆性則相應增大。通常，碳導致可焊性差;硫、氧導致“熱脆”；磷、氮導致“冷脆”；氫導致“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。第107頁/共193頁

（2）應力集中鋼結(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)生局部高峰應力，而其余部位應力較低且分布不均勻的現(xiàn)象稱為應力集中。

第108頁/共193頁

通常把截面高峰應力與平均應力之比稱為應力集中系數(shù)，以表明應力集中的嚴重程度。當鋼材在某一局部出現(xiàn)應力集中，則出現(xiàn)了同號的二維或三維應力場，使材料不易進人塑性狀態(tài)，從而導致脆性破壞。應力集中越嚴重，鋼材的塑性降低愈多，同時脆性斷裂的危險性也愈大。第109頁/共193頁

鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應力集中主要與其構(gòu)造細節(jié)有關：

①在鋼構(gòu)件的設計和制作中，孔洞、陷在所難免。

②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，但不利的是，焊縫缺陷以及殘余應力的存在往往成為應力集中源。第110頁/共193頁

據(jù)資料統(tǒng)計，焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞事故遠遠多于鉚接結(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)部存在的殘余應力又分為殘余拉應力和殘余壓應力，前者與其他因素組合作用可能導致開裂；第111頁/共193頁

焊接結(jié)構(gòu)的連接往往剛性較大，當出現(xiàn)多焊縫匯交時，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，裂縫就會終止。第112頁/共193頁

（3）使用環(huán)境當鋼結(jié)構(gòu)受到較大的動載作用或者處于較低的環(huán)境溫度下工作時，鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的可能性增大。眾所周知，溫度對鋼材的性能有顯著影響。在0℃以上，當溫度升高時，鋼材的強度及彈性模量E均有變化，一般是強度降低，塑性增大。第113頁/共193頁

溫度在200℃以內(nèi)時，鋼材的性能沒有多大變化。但在250℃左右時鋼材的抗拉強度反彈，fy有較大提高，而塑性和沖擊韌性下降，出現(xiàn)所謂的“藍脆現(xiàn)象”，此時進行熱加工鋼材易發(fā)生裂紋。當溫度達600℃，fy及E均接近于零，我們認為鋼結(jié)構(gòu)幾乎完全喪失承載力。第114頁/共193頁

當溫度在0℃以下，隨溫度降低，鋼材強度略有提高，而塑性和韌性降低，脆性增大。尤其是當溫度下降到某一溫度區(qū)間時，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)，特別是受動力荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)，鋼材應具有負溫沖擊韌性的合格保證，以提高抗低溫脆斷的能力。第115頁/共193頁

（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。鋼板厚度對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”問題應引起高度重視。第116頁/共193頁

綜上所述，材質(zhì)缺陷、應力集中、使用環(huán)境以及鋼板厚度是影響脆性斷裂的主要因素。其中應力集中的影響尤為重要。

第117頁/共193頁

在此值得一提的是，應力集中一般不影響鋼結(jié)構(gòu)的靜力極限承載力，在設計時通常不考慮其影響。但在動載作用下。嚴重的應力集中加上材質(zhì)缺陷、殘余應力、冷卻硬化、低溫環(huán)境等往往是導致脆性斷裂的根本原因。第118頁/共193頁3.處理與防治鋼結(jié)構(gòu)設計是以鋼材的屈服強度壽作為靜力強度的設計依據(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:第119頁/共193頁

（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，同時又要經(jīng)濟合理，節(jié)約鋼材。具體而言，應考慮到結(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載的重要的焊接結(jié)構(gòu)，應選擇韌性高的材料和焊條。

第120頁/共193頁

另外，改進冶煉方法，提高鋼材斷裂韌性，也是減少脆斷的有效途徑。我國《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-88)已參照國際標準將Q235鋼分為A,B,C,D四級，其中，A級:不要求沖擊試驗;B級:要求+20℃沖擊試驗;C級:要求0℃沖擊試驗;D級:要求一20℃沖擊試驗。在此說明一點，對于焊接結(jié)構(gòu)至少應選用Q235B

。第121頁/共193頁

（2）合理設計合理的設計應該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、荷載特征、應力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，尤其是合理的構(gòu)造細節(jié)十分重要。設計時應力求使缺陷引起的應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。第122頁/共193頁

比如，把結(jié)構(gòu)設計為超靜定結(jié)構(gòu)并采用多路徑傳力可減少脆性斷裂的危險；接頭或節(jié)點的承載力設計應比其相連的桿件強20%～50%;

構(gòu)件斷面在滿足強度和穩(wěn)定的前提下應盡量寬而薄。切記：增加構(gòu)件厚度將增加脆斷的危機，尤其是設計焊接結(jié)構(gòu)應避免重疊交叉和焊縫集中。第123頁/共193頁

（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力。就安裝而言，不合理的工藝容易造成裝配殘余應力及其他缺陷。因此制定合理的制作安裝工藝并以減少缺陷及殘余應力為目標是十分重要的。第124頁/共193頁

（4）合理使用及維修措施鋼結(jié)構(gòu)在使用時應力求滿足設計規(guī)定的用途、荷載及環(huán)境，不得隨意變更。此外，還應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。第125頁/共193頁四、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)件在反復交變荷載作用下在應力遠低于抗拉極限強度甚至屈服點的情況下發(fā)生的一種破壞。就斷裂力學的觀點而言，疲勞破壞是從裂紋起始、擴展到最終斷裂的過程。第126頁/共193頁

疲勞破壞與靜力強度破壞是截然不同的兩個概念。它與塑性破壞、脆性破壞相比，具有以下特點:

（1）疲勞破壞是鋼結(jié)構(gòu)在反復交變動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。 第127頁/共193頁

（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、擴展和斷裂的漫長過程，而脆性破壞往往是無任何先兆的情況下瞬間突然發(fā)生。第128頁/共193頁

（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)真實反映了當構(gòu)件截面因裂縫擴展削弱到一臨界尺寸時脆性斷裂的特點，瞬斷區(qū)晶粒粗亮。第129頁/共193頁圖3-66

疲勞斷口分區(qū)第130頁/共193頁

2．原因分析疲勞是一個十分復雜的過程，從微觀到宏觀，疲勞破壞受到眾多因素的影響，尤其是對材料和構(gòu)件靜力強度影響很小的因素，對疲勞影響卻非常顯著，例如構(gòu)件的表面缺陷、應力集中等。

第131頁/共193頁

影響鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要因素是應力幅、構(gòu)造細節(jié)和循環(huán)次數(shù)，而與鋼材的靜力強度和最大應力無明顯關系，該觀點尤其對焊接鋼結(jié)構(gòu)更具有正確性。第132頁/共193頁

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力，有時其數(shù)值高達屈服點值fy

，故在反復荷載作用下的實際應力循環(huán)，最大拉應力是從fy開始，即δmin=fy

，然后下降到δmin，再升至fy

。用Δδ=δmax-δmin表示其應力幅。第133頁/共193頁

在不同應力幅作用下，各類構(gòu)件和連接產(chǎn)生疲勞破壞的應力循環(huán)次數(shù)不同，應力幅愈大，循環(huán)次數(shù)愈少。當應力幅小于一定數(shù)值時，即使應力無限次循環(huán)，也不會產(chǎn)生疲勞破壞，即達到通稱的疲勞極限。

《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50017-2003)參照有關標準的建議，將N=5×10000次被視為各類構(gòu)件和連接疲勞極限對應的應力循環(huán)次數(shù)。應力集中對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響顯著，而構(gòu)造細節(jié)是應力集中產(chǎn)生的根源。第134頁/共193頁

3．處理與防治由疲勞性能的三個影響因素來看，應力幅及循環(huán)次數(shù)N是客觀存在的事實，因此，提高和改善疲勞性能的途徑只有從減小應力集中人手。具體措施如下：（1）精心選材。對用于動載作用的鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，應嚴格控制鋼材的缺陷，并選擇優(yōu)質(zhì)鋼材。（2）精心設計。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。第135頁/共193頁

（3）精心制作。使缺陷、殘余應力等減小到最低程度。（4）精心施工。避免附加應力集中的影響。（5）精心使用。避免對結(jié)構(gòu)的局部損害，如劃痕、開孔、撞擊等。第136頁/共193頁

（6）修補焊縫。目的是緩解缺陷產(chǎn)生的應力集中，方法如下：

①對于對接焊縫，磨去焊縫表面部分，如對接焊縫的余高。如果焊縫內(nèi)部無顯著缺陷，疲勞強度可以提高到和母材相同。第137頁/共193頁

②對于角焊縫，應打磨焊趾。焊縫的趾部時常存在咬肉(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。

第138頁/共193頁

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，打磨后的表面不應有明顯刻痕。第139頁/共193頁圖3-67

角焊縫打磨第140頁/共193頁

③對于角焊縫的趾部，用氣體保護鎢弧重新熔化，可以起到消除切口的作用。此方法在不同應力幅的情況下疲勞壽命都能同樣提高。

④在焊縫及附近金屬表層采用噴射金屬丸粒或錘擊等方法引入殘余壓應力，是改善疲勞性能的一個有效方法。殘余壓應力和錘擊造成的冷工硬化均會使疲勞強度提高，同時尖銳切口也被緩減。第141頁/共193頁

依靠精心的選材、設計、制作、安裝和使用，再加上焊接之后的一些特殊工藝措施，可以達到提高和改善疲勞性能的作用。第142頁/共193頁五、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。第143頁/共193頁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；美國哈特福特體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為92m×110m，突然于1978年破壞而落地，破壞起因是壓桿屈曲；我國也不例外，1988年太原曾發(fā)生過13.2m×17.99m網(wǎng)架塌落事故。第144頁/共193頁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，當結(jié)構(gòu)因抗拉強度不足而破壞時，破壞前有先兆，呈現(xiàn)出較大的變形。但當結(jié)構(gòu)因受壓穩(wěn)定性不足而破壞時，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)破壞更具危險性。第145頁/共193頁

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。

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（1）平衡分岔失穩(wěn)完善的(即無缺陷、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。第147頁/共193頁

①穩(wěn)定分岔失穩(wěn)這類屈曲的特點是有一穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在到達臨界狀態(tài)時，從未屈曲的平衡位形過渡到無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度。目前在門式剛架設計中已得到利用。第148頁/共193頁圖3-68穩(wěn)定分岔失穩(wěn)第149頁/共193頁

②不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)結(jié)構(gòu)屈曲后只能在遠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”，因為在有限干擾作用下，在達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。第150頁/共193頁

穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)對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)件有幾何缺陷時荷載與變形關系。顯然。圖中這些虛線不再有分岔點。第151頁/共193頁

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，荷載的極低值比無缺陷時大幅度降低。因此不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)對缺陷特別敏感。設計該類結(jié)構(gòu)時若無視缺陷影響，必將帶來嚴重后果。第152頁/共193頁

（2）極值點失穩(wěn)極值點失穩(wěn)也稱為第二類穩(wěn)定間題，如圖3-70所示。具有極值點失穩(wěn)的偏心受壓構(gòu)件的荷載撓度曲線只有極值點B，沒有出現(xiàn)如理想軸壓構(gòu)件那樣在同一點存在兩種不同變形狀態(tài)的分岔點，構(gòu)件彎曲變形的性質(zhì)沒有改變，故此失穩(wěn)稱為極值點失穩(wěn)。

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圖3-69不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)圖3-70極值點失穩(wěn)第154頁/共193頁

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)都屬于極值點失穩(wěn)。對于實際的軸壓構(gòu)件，由于初彎曲、初偏心等幾何缺陷的存在也應屬于偏心受壓構(gòu)件的范疇。因此極值點失穩(wěn)現(xiàn)象十分普遍。第155頁/共193頁

（3）躍越失穩(wěn)此類屈曲的特點是：既無平衡分岔點，又無極值點，但和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)又有一些相似之處。其結(jié)構(gòu)由一個平衡位形突然跳到另一個平衡位形，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。第156頁/共193頁

此類屈曲雖然在發(fā)生躍越后荷載可以大于臨界值。但實際工程中不允許出現(xiàn)這樣大的變形。由于過大的變形會導致結(jié)構(gòu)破壞，故應該以臨界荷載作為承載的極限。第157頁/共193頁

圖3-71為一兩端鉸接的坦拱，在均布荷載q作用下有撓度ω，其荷載撓度曲線也有穩(wěn)定的上升段OA，但到達曲線最高點A時會突然跳躍到一個非鄰近的具有很大變形的C點，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，但此時結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，故不能被利用。第158頁/共193頁圖3-71躍越失穩(wěn)第159頁/共193頁2.原因分析（1）整體失穩(wěn)事故原因分析

①設計錯誤：設計錯誤主要與設計人員的水平有關。如，缺乏穩(wěn)定概念;穩(wěn)定驗算公式錯誤;只驗算基本構(gòu)件的穩(wěn)定，忽視整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗算;計算簡圖及支座約束與實際受力不符，設計安全儲備過小等等。第160頁/共193頁

②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。這些缺陷將對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力產(chǎn)生顯著影響。第161頁/共193頁

③臨時支撐不足：鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中，當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。因此必須設置足夠的臨時支撐體系來維持安裝過程中的整體穩(wěn)定性。若臨時支撐設置不合理或者數(shù)量不足，輕則會使部分構(gòu)件喪失穩(wěn)定，重則造成整個結(jié)構(gòu)在施工過程中倒塌或傾覆。第162頁/共193頁

④使用不當：結(jié)構(gòu)竣工投人使用后，使用不當或意外因素也是導致失穩(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備引起的超載;基礎的不均勻沉降和溫度應力引起的附加變形;意外的沖擊荷載等等。

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（2）局部失稱事故原因分析

①設計錯誤：設計人員忽視甚至不進行構(gòu)件的局部穩(wěn)定驗算，或者驗收方法錯誤，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。

②構(gòu)造不當：通常在構(gòu)件局部受集中力較大的部位，原則上應設置構(gòu)造加勁肋。另外，為了保證構(gòu)件在運轉(zhuǎn)過程中不變形也須設置橫隔、加勁肋等。但實際工程中，加勁肋數(shù)量不足、構(gòu)造不當?shù)默F(xiàn)象比較普遍。第164頁/共193頁

③原始缺陷：原始缺陷包括鋼材的負公差嚴重超規(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。

④吊點位置不合理：在吊裝過程中，尤其是大型的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，吊點位置的選定十分重要。吊點位置不同，構(gòu)件受力的狀態(tài)也不同。有時構(gòu)件內(nèi)部過大的壓應力將會導致構(gòu)件在吊裝過程中局部失穩(wěn)。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設計中，針對重要構(gòu)件應在圖紙中說明起吊方法和吊點位置。第165頁/共193頁3.處理與防治當鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)事故而倒塌后，整個結(jié)構(gòu)已經(jīng)報廢，事故的處理已沒有價值，但對于局部失穩(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)事故應以防范為主，應該遵守以下原則。第166頁/共193頁

（1）設計人員應強化穩(wěn)定設計理念：

①結(jié)構(gòu)的整體布置必須考慮整個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。

②結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算方法的前提假定必須符合實際受力情況，尤其是支座約束的影響。

第167頁/共193頁

③構(gòu)件的穩(wěn)定計算與細部構(gòu)造的穩(wěn)定計算必須其要有強節(jié)點的概念。

④強度問題通常采用一階分析，而穩(wěn)定問題原則上應采用二階分析。

⑤疊加原理適用于強度問題，不適用于穩(wěn)定問題。

⑥處理穩(wěn)定問題應有整體觀點，應考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相關影響。第168頁/共193頁

（2）制作單位應力求減少缺陷在常見的眾多缺陷中，初彎曲、初偏心、殘余應力對穩(wěn)定承載力影響最大，因此，制作單位應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。第169頁/共193頁

（3）施工單位應確保安裝過程中的安全施工單位只有制定科學的施工組織設計，采用合理的吊裝方案，精心布置臨時支撐，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。第170頁/共193頁

（4）使用單位應正常使用鋼結(jié)構(gòu)建筑物一方面，使用單位要注意對已建鋼結(jié)構(gòu)的定期檢查和維護;另一方面，當需要進行工藝流程和使用功能改造時，必須與設計單位或有關專業(yè)人士協(xié)商，不得擅自增加負荷或改變構(gòu)件受力。第171頁/共193頁六、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞事故案例（一）單層廠房屋蓋局部倒塌

1.工程與事故概況原蘇聯(lián)某鋼廠冷軋車間局部平面與剖面見圖3-72，設計規(guī)定的結(jié)構(gòu)安裝順序如下：

第172頁/共193頁圖3-72車間局部平面與剖面見