钢结构构件变形的矫正-火焰矫正法

钢结构构件变形的矫正－火焰矫正法广东省六建集团有限公司钢结构工程分公司张健良[摘要]着重论述火焰矫正法的工作原理和其不同的加热方式所适用的不同变形矫正，以及控制矫正效果的主要因素。[关键词]钢结构构件变形火焰矫正法加热钢结构工程的施工一般都可以分成两个主要施工步骤：首先是结构各类部件的预制加工，然后是钢构件的现场拼接安装。钢构件的预制加工工作是钢结构施工过程中重要的基础部分，此项工作完成的质量对下一步的现场安装施工起着决定性的影响。但是钢结构加工过程中构件的变形是经常出现的，其起因主要包括钢结构材料本身的变形、焊接过程中产生的变形以及构件移动堆放碰撞而产生的变形等。针对不同的变形，可以有不同的矫正方法：如人工矫正、机械矫正、火焰矫正和混合矫正等方法。在实际施工中如能合理地采用这些方法，将对提高工作效率、保证钢结构加工质量有着重要的作用。本人自参加工作以来，一直从事钢结构方面的项目，经过多年的实践，发觉火焰矫正法是各矫正方法中操作要求最高、工艺最复杂的方法，也是施工中所采用的主要矫正手段。对于加工中焊接成型的工字钢、角钢的变形以及薄板、中板由于焊接收缩而产生的凸凹变形的矫正，都是采用了火焰矫正法，火焰矫正变形一般只用于低碳钢。其基本操作过程是先在钢构件变形处用火焰加热升温，之后通过缓慢冷却或采用大锤敲打矫正变形。按火焰加热方式的不同，可分成三种形式：点状加热、线状加热和三角加热，分别使用于矫正各类不同形式的变形。其矫正原理如下：根据金属热胀冷缩的物理性能，当钢材受热时将会在1.2×10－5℃的线膨胀率向各个方向伸长，当冷却到原来温度时，除收缩到未加热时的长度外，钢材还将会继续按1.48×10－6℃的收缩率继续收缩一部分于是导致收缩后的长度比加热前有所缩短。因而通过对变形的凸面处适当位置进行火焰加热升温，利用冷却时产生的内部强大的冷缩应力，促使材料的内部纤维受拉生塑性收缩，从而矫正变形。实际工作中本人针对不同的构件变形和不同的变形种类分别选用点加状加热、线状加热和三角加热这三种形式进行矫正工作，取得了良好的效果。对于钢梁腹板的局部弯曲和凹凸不平变形和一些薄板的变形，采用了点状加热矫正法。加热点成圆形，大小与需矫正的板料厚度有关，板料厚度越大，点的直径相应也越大，通过按照板厚度的6倍再加上10mm来计算。加热点的布置如下图：为了达到良好的矫正效果，加热点应该成梅花状布局，外围点基本上处在同一圆上，这样当冷却收缩变形指向中心点，可保证应力的均匀性，防止产生多余的收缩变形影响矫正效果。加热点布置时，间距应尽量保持均匀一致，并控制在50～100mm以内。根据板料变形范围的大小来确定加热点由内向外的圈数，根据变形的幅度来掌握加热的温度的高低。对于较厚的钢梁翼缘的角变形和局部弯曲变形采用了线状加热矫正法。线状加热又分为单线加热和双线加热。如下图所示：采用线状矫正法对构件加热后，板料由于上下两面存在着较大的温差，加热带长度方向上产生的收缩量较小，横向收缩量较大，利用加热带的横向收缩而产生的强大拉应力，将由于焊接而造成的翼缘弯曲变形拉平。矫正施工中，加热带的宽度应根据板材的厚度来选取，一般控制在翼缘厚度的0.5～2倍之内。使用线状加热时按规定必须保证红区的深度不能超过板厚的一半，其原因可以这样理解：红热区的温度最高，因而冷却时产生的应力也就越大，当其度未超过钢板厚度δ／2时，收缩应力对钢板的作用效果将有所降低，从而导致矫正效果不好。对于翼缘较厚的钢梁和变形较大的构件采用双线加热，以求收缩平衡提高质量；对于翼缘较薄的钢梁和一些变形较小的构件则采用单线加热法，以期提高工作效率。对于个别钢梁和一些型钢材料产生的拱变形和旁弯变形，在实际矫正工作中采用了三角形加热法矫正。如下图所示：加热面成等腰三角形，加热面的的高度和底边宽度一般控制在型材高度的1／5－2／3范围内；加热位置应处于工件凸起的一侧，三角形顶部在工件内侧并指向变形中心，底边在工件外侧边缘处。通过对工件凸起处加热数处，加热后收缩量从三角形顶点起沿等腰三角形的两边逐渐增大，当冷却时凸起部分产生收缩使得工件得以矫正。加热面的数量由变形的幅度、板材的厚度来确定，幅度、厚度越大，则所需的加热面越多。对于钢梁拱变形，需对钢梁拱形上部的翼缘和腹板加热，通过上部翼缘和腹板的收缩将钢梁拉直；对于钢梁旁变形，则需对钢梁旁弯外侧上下翼缘边处加热，通过上下翼缘外边的收缩将钢梁拉直。几种火焰加热矫正法虽然在操作方式上有所不同，但其基本原理都是利用加热后的温度应力使板材内部纤维产生与原变形相反的收缩来使构件的变形得到矫正。为了保证矫正工作的顺利进行，必须要对会影响到矫正效果的各方面因素加以分析了解，并且掌握这些因素同矫正结果的密切关系。只有这样才能预知钢构件加热后的变形规律，并按此规律完成矫正工作。控制矫正效果的主要因素有加热的温度、加热的速度、加热区的大小和位置等方面。1、加热温度对矫正工作的影响加热后降温产生的收缩应力可按公式σ=1.48×10－6E•Δt来计算(其中E=2.1×105N/mm2,Δt为温度变化值)。根据公式可知当加热温度分别为700℃和800℃时，计算可得应力为：σ700℃=1.48×10－6×2.1×105×700=217.56N/mm2σ800℃=1.48×10－6×2.1×105×800=248.64N/mm2由以上结果可知，当加热到700℃时应力为217．56N／mm2，刚好超过了Q235钢材的弹性极限215N／mm2，而当加热到800℃时应力为248．64N／mm2，又未超过钢材的塑性极限250N／mm2，因而在此温度范围内钢材的变形处于弹塑和塑性变形。所以在矫正过程中加热温度700℃和800℃之间，不应超达900℃，并且加热应均匀，不得有过热、过烧现象，同一加热点的加热，次数不宜超过3次。这样才能保证既可以达到矫正目的又不会使钢材进入应力硬化状态而导致降低钢材的承载力。对于厚度较大的板材加热后不能用冷水冷却，因冷水冷导致厚钢材内部温差过大而容易产生裂纹。2、加热速度对矫正工作的影响由于钢材具有良好的导热性，因而如果加热的速度较慢则会造成构件受热区范围扩大。加热的速度一般是通过调整火焰的温度来控制的，温度若不高，钢的加热时间就会延长，使受热区范围扩大，就会导致达不到良好的矫正效果。因而实际操作中需用高温火焰烤烧加热部位，使热量充分集中而快速的使加热区达到红热状态。3、加热区的大小、位置对矫正的影响在进行火焰矫正中，对加热区的范围大小需严格控制。因为如果加热区过大则会造成冷缩后变形幅度过大，矫正了原变形后还会产生负变形；过小时又会导致收缩幅度不够而达不到矫正目的，降低工作效率。实际工作中大多是通过专业操作人员的经验对加热区的大小进行选取的。但有时为了精确，本人也采用计算的方法行选取。钢梁加工过程中，由于翼缘与腹板间采用通长焊缝，因而部分钢梁产生的拱形变形超过了规范要求。对这些钢梁的矫正本人是通过计算来确定加热的宽度的。举个例子，钢梁如下图所示：仅采用一处加热时所需的加热区宽度计算：当钢梁矫正平直时其边缘应变量当烤热区设在量高度的1／2～2／3之间时，变形量应增加一倍左右，则Δ达到1．56mm，所在加热区宽度为了使矫正效果均匀，在中央和钢梁四分点处共烧烤三点，两侧点的外伸长度为1／4L，并且将外侧两点的作用折算成一点，因此每个加热区的宽度应为76mm左右。由于可见加热区的布置位置是通过构件变形的范围来确定的，范围大的，如上例中的钢梁，变形在整个梁长度范围内产生，加热区的数量也要增多并且分布在变形的主要控制点上，以使变形得到均匀的调整。对于一些小范围变形，通过采用一处加热即可达到矫正要求。综上所述，虽然火焰矫正法在操作要求和工艺上有着独特之处，但是只要我们对其工作原理有了深刻的认识，就可以运用自如，简单地说就是通过利用高于钢材弹性强度的外力作用于钢材变形处，使构件变形的凸面处内部长纤维受压塑性缩短，使凹面内处部短纤维受拉塑性伸长，形成与原变形方向相反的新塑性变形，来达到矫正的目的。