3.4 钢结构工程

第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施钢结构作为一种承重结构，由于其自重轻、强度高、塑性及韧性好、抗震性能优越、工业装配化程度高、综合经济效益显著、造型美观以及符合绿色建筑等众多优点，深受建筑师和结构工程师的青睐，被广泛应用于各类建筑中，尤其在大跨和超高层建筑领域显示出无以伦比的优势。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施但世界范围内钢结构的事故频繁发生，惨痛的教训一再重复。国内外大量文献统计资料表明，绝大多数事故发生在施工阶段到竣工验收前这段时间。我国由于过去钢结构工程较少，缺少较完整的统计资料，但据调查表明，施工阶段钢结构屋盖事故较多，使用阶段吊车梁事故较多，屋架损伤事故也不少。但最明显的特征是大多数事故均发生在单层工业厂房中，这主要和我国钢结构的应用范围有关。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施国内一般将钢结构事故分为两大类。一类是整体事故，包括结构整体和局部倒塌。另一类是局部事故，包括出现不允许的变形和位移，构件偏离设计位置，构件腐蚀丧失承载能力，构件或连接开裂、松动和分层。就其起因而言钢结构事故分类为材质事故、变形事故、脆性断裂事故、疲劳破坏事故、失稳破坏事故、锈蚀事故、火灾事故以及倒塌事故。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施一、钢结构的材料缺陷及质量事故钢结构所用材料主要包括钢材和连接材料两大类。钢材常用种类为Q235、16Mn、15MnV;连接材料有铆钉、螺栓和焊接材料。材料本身性能的好坏直接影响到钢结构的可靠性，当材料的缺陷累积或严重到一定程度将会导致钢结构事故的发生。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施(一）钢材的先天性缺陷原因及治理1.缺陷的现象及特征钢材的种类繁多，但在建筑钢结构中，常用的有两类钢材，即低碳钢和低合金钢。例如：Q235、16Mn、15MnV等，钢材的种类不同，缺陷自然也不同。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施常见的先天性缺陷有化学成分缺陷、冶炼及轧制缺陷，影响其塑性、韧性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性以及抗锈蚀性能，尤其是可焊性和负温冲击韧性等都显著降低，出现“热脆”现象、“冷脆”现象、“氢脆”破坏现象，甚至在钢材中形成的各类裂纹。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施2.原因分析化学成分对钢材的性能有重要影响。从有害影响的角度来讲，化学成分将产生一种先天性缺陷。就Q235钢材而言，其中Fe约占99%，其余的1%为C、Mn、Si、S、P、O、N、H。它们虽然仅占1%，但其影响极大。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施碳的含量愈高，钢材的强度愈高，但其塑性、韧性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性以及抗锈蚀性能等都显著降低，尤其是可焊性和负温冲击韧性。因此作为建筑钢结构材料只能是低碳量，要求含碳量≤0.22%。对于焊接结构，为保证其良好的可焊性，通常要求含碳量≤0.20%。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施锰的含量过高对可焊性不利，故需加以限制。普通碳素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%，16Mn钢中锰含量则达到1.2%～0.55%。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施适量的硅可提高钢的强度，而对其他性能影响较小，但含量过高则对钢的塑性、韧性、抗锈蚀能力以及可焊性有降低作用。一般低碳钢中硅的含量为0.12%～0.30%，低合金钢中应为0.20%～0.55%。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施硫是钢材的一种有害杂质，硫与铁的化合物硫化铁（FeS）,散布在纯铁体的间层中，在800～1210℃时熔化而使钢材出现裂纹，称为“热脆”现象。另外，含硫量增大，会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性和可焊性。故应严格控制其含量，一般不应超过0.035%～0.050%。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施磷是钢材的一种有害杂质。磷虽然能提高钢的强度和抗锈蚀能力，但会降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其是磷使钢在低温时韧性降低而产生脆性破坏，称为“冷脆”现象。故对磷的含量要严格控制，一般不超过0.035%～0.045%。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施氧是钢材的一种有害杂质。氧通常是在钢熔融时由空气或水分分解而进入钢液，冷却后残留下来。氧的有害影响同硫，且更甚，使钢材“热脆”，一般含量应低于0.05%。氮作为有害杂质，可能从空气进入高温的钢液中。氮的影响与磷相似，会使钢材“冷脆”，一般氮的含量应低于0.008%。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施氢作为有害杂质，通常也是由空气或水分分解而进入钢液。氢在低温时易使钢材呈脆性破坏，产生所谓的“氢脆”破坏现象。钢材在冶炼和轧制过程中，由于工艺参数控制不严等问题，缺陷在所难免，常见的缺陷常见的缺陷有偏析、夹杂、裂缝、分层、过热或过烧、脱碳、机械性能不合格等。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施3.处理与防治钢材的质量主要取决于冶炼、浇铸和轧制过程中的质量控制，普通低碳钢的八种化学成分均对钢材的性能有不利影响，其中的C、Mn、Si是有益元素，但不可过量，S、P、O、N、H纯属有害杂质，钢结构的先天性材质缺陷应由冶金部门处理，从炼钢工艺上得到根本性解决，应根据《碳素结构钢》(GB700-88)和《低合金结构钢》(GB1591-88)的规定，加以严格控制。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施（二）钢构件的加工制作缺陷原因及治理1.缺陷的现象及特征钢结构加工制作可能出现的缺陷如下:(1)选材不合格;(2)原材料矫正引起冷作硬化;(3)放样、号料尺寸超公差;(4)切割边未加工或达不到要求;第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施(5)孔径误差;(6)冲孔未作加工，存在硬化区和微裂纹;(7)构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹;(8)构件热加工引起的残余应力;(9)表面清洗防锈不合格;(10)钢构件外型尺寸超公差。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施2.原因分析钢结构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系热轧型材和板材。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。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施现代化的钢结构厂应具有进行剪、冲、切、折、割、钻、铆、焊、喷、压、滚、弯、刨、铣、磨、锯、涂、抛、热处理、无损检测等加工能力的设备，并辅以各种专用胎具、模具、夹具、吊具等工艺设备。由此可见，钢结构的加工制作过程将由一系列的工序而组成，每一工序都有可能产生缺陷。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施3.处理与防治钢结构制造厂应重视加工制作各个环节工艺的合理性和设备的先进性，尽量减少手工作业，力求全自动化，应严格按钢结构加工制作的工序、标准要求进行加工制作及质量控制。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施（三）钢结构的连接缺陷钢结构的连接方法通常有铆接、栓接和焊接三种。目前大部分为栓焊混合连接为主。一般工厂制作以焊接居多，现场制作以螺栓连接居多或者部分相互交叉使用。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施1.钢结构的铆接缺陷原因及治理（1）缺陷的现象及特征铆接工艺带来的缺陷如下:①铆钉本身不合格;②铆钉孔引起构件截面削弱;第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施③铆钉松动，铆合质量差;④铆合温度过高，引起局部钢材硬化;⑤板件之间紧密度不够。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施（2）原因分析铆接是将一端带有预制钉头的铆钉，经加热后插人连接构件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端打铆成钉头，以使连接达到紧固。铆接有热铆和冷铆两种方法。铆接传力可靠，塑性、韧性均较好。在20世纪上半叶以前曾是钢结构的主要连接方法，目前只在桥梁结构和吊车梁构件中偶尔使用，由于铆接是现场热作业，工艺不易控制。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施（3）处理与防治应严格按铆接工艺要求进行施工及质量控制。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施2.钢结构的栓接缺陷原因及治理（1）缺陷的现象及特征螺栓连接给钢结构带来的主要缺陷有:①螺栓孔引起构件截面削弱；②普通螺栓连接在长期动载作用下的螺栓松动；第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施③高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形；④螺栓及附件钢材质量不合格；⑤孔径及孔位偏差；⑥摩擦面处理达不到设计要求，尤其是摩擦系数达不到要求。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施（2）原因分析螺栓连接包括普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类。普通螺栓一般为六角头螺栓，材质为Q235，性能等级为4.6级(4.6S)，根据产品质量和加工要求分为A、B、C三级。其中A级为精制螺栓，B级为半精制螺栓。精制螺栓和半精制螺栓采用1类孔，孔径比螺栓杆径大0.3～0.5mm。C级为粗制螺栓，一般采用11类孔，孔径比螺栓杆径大1.0～1.5mm。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施普通螺栓由于紧固力小，且栓杆与孔径间空隙较大(主要指粗制螺栓)，故受剪性能差，但受拉连接性能好，且装卸方便，故通常应用于安装连接和需拆装的结构。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施高强螺栓是继铆接连接之后发展起来的一种新型钢结构连接形式，它已成为当今钢结构连接的主要手段之一。高强螺栓常用性能等级为8.8级和10.9级。8.8级采用的是45号和35号或40B；10.9级采用的钢号为合金钢20MnTiB、40B、35VB。高强螺栓通常包括摩擦型和承压型两种，而以前者应用最多。摩擦型高强螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0～1.5mm。高强螺栓连接具有安装简便、迅速、能装能拆和受力性能好、安全可靠等优点，深受用户欢迎。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施（3）处理与防治应严格按栓接工艺要求进行施工及质量控制。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施3．钢结构的焊接缺陷原因及治理（1）缺陷的现象及特征焊接是钢结构连接最重要的手段。焊接方法种类很多，按焊接的自动化程度一般分为手工焊接、半自动焊接及自动化焊接。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。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施焊接也可能带来以下缺陷:①焊接材料不合格。手工焊采用的是焊条，自动焊采用的是焊丝和焊剂。实际工程中通常容易出现三个问题:一是焊接材料本身质量有问题;二是焊接材料与母材不匹配;三是不注意焊接材料的烘焙工作。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施②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。③因焊接产生较大的焊接残余变形。④因焊接产生严重的残余应力或应力集中。⑤焊缝存在的各种缺陷。如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等等。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施2.原因分析如图3-57所示，焊缝成形不良表现在焊喉不足、余高过大、焊角尺寸不足或过大等。如图3-58(a)所示。气孔是指焊缝表面或内部存在的近似圆球形或洞形的空穴。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施图3-57不合格焊缝剖面形状（a）不合格角焊缝的剖面形状（b）不合格对接焊缝的剖面形状第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施图3-58焊缝缺陷第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施产生气孔的原因是：碱性焊条受潮;；酸性焊条烘焙温度太高；焊件不清洁；电流过大使焊条发红；极性不对；保护气体不纯且焊丝锈蚀等。焊缝上的气孔会降低焊缝的机械性能，破坏焊缝的致密性，尤其是连续气孔或链状气孔的影响远远大于独立气孔，且特别对动载下疲劳性能的影响远大于对静力性能的影响。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施如图3-58(b)所示。夹渣是指残存在焊缝中的熔渣或其他非金属夹杂物。产生夹渣的原因是;焊接材料质量不好，熔渣太稠；焊件上或坡口内锈蚀或其他杂质未清理干净；各层熔渣在焊接过程中未彻底清除；电流太小，焊速太快；焊条不当。第四节钢结构工程施工质量缺陷分析与防治措施如图3-58(c)所示。