既有鋼結(jié)構(gòu)的缺陷及防治

既有鋼結(jié)構(gòu)的缺陷(quēxiàn)及防治

講述(jiǎngshù)人：吳濤

導師：張曙光共三十四頁既有鋼結(jié)構(gòu)的缺陷(quēxiàn)及防治

鋼結(jié)構(gòu)因其自重輕、強度高、塑性(sùxìng)及韌性好、抗震性能優(yōu)越、工業(yè)裝配化程度高,被公認為性能優(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引起高度重視。使用過程中產(chǎn)生各種缺陷，會引起結(jié)構(gòu)損壞，從而導致質(zhì)量事故和經(jīng)濟損失，所以有必要對鋼結(jié)構(gòu)的缺陷進行認真分析。同時，環(huán)境因素對鋼結(jié)構(gòu)的安全性、實用性、耐久性也產(chǎn)生很大影響。共三十四頁

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

缺陷類型：設計缺陷自身材質(zhì)(cáizhì)缺陷制作缺陷安裝缺陷鏈接缺陷使用缺陷

共三十四頁1.設計(shèjì)缺陷

目前我國從事鋼結(jié)構(gòu)設計人員相對較少,設計人員水平相對較低。設計人員過分(guò〃fèn)依賴計算機,缺乏工程背景和設計經(jīng)驗,人工干預的能力較差。同時,過分的追求低耗鋼量或低造價導致結(jié)構(gòu)的可靠性偏低。在設計階段最主要的是人為錯誤的影響。

共三十四頁常見的設計缺陷如下(rúxià):

結(jié)構(gòu)選型和設計方案不合理;計算簡圖不當,結(jié)構(gòu)計算錯誤;荷載取值與實際受力情況不符;材料選用不妥（如強度、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)點構(gòu)造不合理,造成致命缺陷;對施工階段的特點和使用階段的特殊要求考慮不周全，沒有按設計規(guī)范或沒有相應的規(guī)范、規(guī)程規(guī)定。共三十四頁

2.自身材質(zhì)(cáizhì)缺陷

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

化學成分的缺陷冶煉及軋制缺陷

共三十四頁

2.1化學成分缺陷(quēxiàn)

化學成分對鋼材的性能有重要影響。普通低碳鋼有C,Mn,Si,S,P,O,N,H8種化學成分,它們均對鋼材的性能有不同影響。其中C,Mn,Si是有益元素,但不可過量;S,P,O,N,H屬于有害雜質(zhì)。從有害影響的角度看,鋼材的化學成分將產(chǎn)生先天性的缺陷(quēxiàn),應嚴格加以控制。共三十四頁

2.2冶煉及扎制缺陷(quēxiàn)

在鋼材的冶煉和軋制過程中由于質(zhì)量控制不嚴，在某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，如碳等微量元素含量不合理、有害元素(成分)和雜質(zhì)含量過高，鋼錠冷卻溫度和時間控制不當(bùdānɡ)，軋制溫度和工藝控制不嚴等等.將會使鋼材質(zhì)量下降并含有這樣或那樣的缺陷.共三十四頁

常見的缺陷有下列(xiàliè)幾種:

(l)發(fā)裂:主要是由熱變形過程中(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(gōngyì)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，偏析嚴重，鋼錠微孔未完全切除或凝固時部分金屬流失等.避免鋼材夾層必須在冶煉過程中消除氣泡，軋制過程中溫度適當、壓下比正確。共三十四頁(3)白點:鋼材的白點是因含氫量太大和組織內(nèi)應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，盡可能不使氫氣進入鋼水中，.并且做到鋼錠均勻退火，軋制前合理(hélǐ)加熱，軋制后緩慢冷卻，即可避免鋼材中的白點。(4)內(nèi)部破裂:軋制鋼材過程中，若其塑性較低，或軋制時壓量過小，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)來補救。共三十四頁(5)斑疤:這是一種(yīzhǒnɡ)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.它會使薄鋼板成型時的沖壓性能變壞，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備的某些零件摩擦所致。(7)切痕:它是薄板表面上常見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。共三十四頁(8)過熱:過熱是指鋼材加熱到上臨界點后還繼續(xù)升高溫度時，其機械性能變差，如抗拉強度，特別是沖擊韌性顯著降低的現(xiàn)象(xiànxiàng).它是由于鋼材晶粒在經(jīng)過上臨界點后開始脹大所引起的，可用退火的方法使過熱金屬的結(jié)晶顆粒變細，恢復其機械性能。(9)機械性能不合格:鋼材的機械性能一般要求抗拉強度、屈服強度、伸長率和截面收縮率四項指標得到保證，有時再加上冷彎;用在動力荷載和低溫時還須要求沖擊韌性.如果上述機械性能大部分不合格，鋼材只能報廢;若僅有個別項達不到要求，可作等外品處理。共三十四頁(10)過燒:當金屬的加熱溫度很高時，鋼內(nèi)雜質(zhì)集中的晶粒邊界開始氧化和部分溶化時發(fā)生過燒現(xiàn)象.由于溶化的結(jié)果，晶粒邊界周圍形成(xíngchéng)一層很小的非金屬薄膜將品粒隔開.因此過燒的金屬經(jīng)不起變形，在軋制或鍛造過程中易產(chǎn)生裂紋和龜裂，有時甚至裂成碎塊.過燒的金屬為廢品，只能回爐重煉，因為這種金屬不論用什么熱處理方法都不能挽回。(11)化學成分不合格或偏析嚴重;這將引起鋼材可焊性下降，甚至無法焊接;機械性能也不會好.所以，太差的只好報廢，稍差的也只可作等外品使用。共三十四頁

3.制作(zhìzuò)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(dàduō)是熱軋型材和板材。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。鋼結(jié)構(gòu)的加工制作由放樣、號料、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。共三十四頁鋼結(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、號料尺寸超公差;切割邊未加工或達不到要求;孔徑誤差;沖孔未作加工,存在(cúnzài)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力;表面清洗防銹不合格。共三十四頁

4.安裝(ānzhuāng)缺陷

裝配化程度高是鋼結(jié)構(gòu)的一大特點。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計緊密相關(guān),對該階段的缺陷應高度重視。

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;由于機械作用而引起的構(gòu)件扭曲和局部變形;安裝順序及工藝(gōngyì)不當,甚至錯誤;吊裝、定位、校正方法不正確;臨時支撐剛度不足,安裝中的穩(wěn)定性差;現(xiàn)場焊接及螺栓施工質(zhì)量達不到設計要求;連接節(jié)點處構(gòu)件的裝配不精確;防火及防腐做法不達標。共三十四頁

5．連接(liánjiē)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(gōngchǎng)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。共三十四頁

5.1鉚接(mǎojiē)缺陷

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

鉚接連接給鋼結(jié)構(gòu)帶來的主要缺陷有:鉚釘本身不合格;鉚釘引起(yǐnqǐ)構(gòu)件截面削弱;鉚釘松動,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。共三十四頁

5.2栓接缺陷(quēxiàn)

栓接包括普通螺栓連接和高強螺栓連接兩大類。螺栓連接給鋼結(jié)構(gòu)帶來的主要缺陷有:螺栓孔引起構(gòu)件截面削弱;普通螺栓連接在長期動載作用下的螺栓松動;高強螺栓連接預應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;摩擦面處理達不到(bùdào)設計要求,尤其是摩擦面系數(shù)達不到要求。共三十四頁

5.3焊接(hànjiē)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。焊接給鋼結(jié)構(gòu)帶來的主要缺陷有:

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、變脆和開裂;焊接會產(chǎn)生較大的焊接殘余變形;焊接會產(chǎn)生嚴重的殘余應力(yìnglì)或應力(yìnglì)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。共三十四頁共三十四頁

6.使用(shǐyòng)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(yóuyú)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;對建筑物進行超載使用;任意開洞、局部改造削弱了構(gòu)件截面和結(jié)構(gòu)整體性;使用過程中,材料的腐蝕引起的橫斷面面積的減少;未在生產(chǎn)條件改變時對建筑物進行必要的鑒定和加固;交變荷載作用下金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度發(fā)生變化引起的連接破壞;生產(chǎn)操作不當而造成構(gòu)件或結(jié)構(gòu)損壞但未及時修復;對建筑物不能做到定期維護,致使結(jié)構(gòu)腐蝕嚴重,影響到結(jié)構(gòu)的耐久性。共三十四頁

二．環(huán)境因素對鋼結(jié)構(gòu)造成(zàochénɡ)的缺陷

缺陷類型：

溫度作用引起的破壞(pòhuài)和損傷化學作用引起的破壞和損傷共三十四頁

1.溫度作用(zuòyòng)引起的破壞和損傷

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝在熱源附近時，會因為溫度作用受到損傷，嚴重時將會引起破壞。在設計中已經(jīng)明確規(guī)定，當構(gòu)件表面溫度超過150℃時，在結(jié)構(gòu)防護處理中就要采取隔熱措施。一般鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面溫度達到200-250℃時，油漆層破壞，達到300-400℃時，構(gòu)件因溫度作用發(fā)生扭曲(niǔqǔ)變形，超過400℃時，鋼材的強度特征和結(jié)構(gòu)的承載能力急劇下降如圖一所示。共三十四頁共三十四頁

在高溫車間溫度變化大時，會出現(xiàn)相當大的溫度變形，形成的溫度位移，將使結(jié)構(gòu)實際位置與設計位置出現(xiàn)偏差。當有阻礙自由變形的約束作用，如支撐、嵌固等作用時，由此在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生有周期特征的附加(fùjiā)應力。在這些應力的作用下也會導致構(gòu)件的扭曲和或出現(xiàn)裂縫。

在溫度比較低的環(huán)境下，特別是在有應力集中的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，可產(chǎn)生冷脆裂紋，這種冷脆可以在工作應力不變的條件下發(fā)生和發(fā)展，導致破壞。共三十四頁

2.化學作用引起(yǐnqǐ)的損傷和破壞

鋼結(jié)構(gòu)在其正常使用過程中都有其所處的環(huán)境，尤其是長期處于腐蝕環(huán)境下，如土壤、大氣、酸雨、海洋環(huán)境等，均會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。在不同的腐蝕環(huán)境下，金屬表面發(fā)生的最基本的腐蝕行為。鋼結(jié)構(gòu)件的腐蝕及銹蝕會削弱構(gòu)件的有效截面積，降低構(gòu)件的承載能力。使構(gòu)件過早損壞，甚至會使鋼構(gòu)件產(chǎn)生脆破壞的可能性增大。鋼材的銹蝕是腐蝕的形式之一，廣義(guǎngyì)而言，鋼材的腐蝕包括銹蝕。鋼材的腐蝕主要有二類:即電化腐蝕與化學腐蝕。共三十四頁鋼材的腐蝕損壞可分為四類:(l)均勻腐蝕一腐蝕均勻分布于整個鋼構(gòu)件表面，易觀察到。此類腐蝕危險性較小。(2)不均勻腐蝕一因鋼材中雜質(zhì)分布不均勻等因素，使得鋼材表面腐蝕不均勻。此類腐蝕將使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件產(chǎn)生(chǎnshēng)薄弱截面，對構(gòu)件受力影響大，故危險性較大。共三十四頁(3)點(坑)腐蝕一鋼材表面有集中腐蝕現(xiàn)象，且向縱深(zòngshēn)發(fā)展，甚至使構(gòu)件蝕穿。同樣削弱構(gòu)件截面，影響構(gòu)件承載性能，危險性大。(4)晶間腐蝕一又可分為應力腐蝕及氫脆兩種，這兩種晶間腐蝕都易使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生脆斷，而且無明顯的前期變形征兆，故對結(jié)構(gòu)破壞危險性很大。共三十四頁三.鋼結(jié)構(gòu)缺陷(quēxiàn)的防治

鋼結(jié)構(gòu)的事故是由于其本身存在(cúnzài)著缺陷并在其它因素下發(fā)展而形成的，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和出現(xiàn)事故的原因大體是相同的，缺陷往往是事故的前兆.因此，對缺陷應當加以防治，對自身存在的缺陷，應在鋼材冶煉過程中嚴格生產(chǎn)工藝，消除各種缺陷.對在鋼構(gòu)件制作、連接和運輸安裝等過程中產(chǎn)生的缺陷，應嚴格按照各施工工藝進行，并進行嚴格的檢查，對不合格的要找出原因，不同情況采取不同措施.如焊接中的尺寸不符、咬邊、弧坑等缺陷，應采用以相同焊條補焊的處理方法;對焊瘤、夾渣、氣孔、未焊透及裂縫等缺陷，應將焊縫鏟除，清理干凈重焊