钢结构在低温条件下质量问题及预防

2011-02-14内蒙古呼伦贝尔金新化工有限公司陈涛

中国建设信息化 2011年3期

◎ 内蒙古呼伦贝尔金新化工有限公司陈涛

钢结构是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。钢结构目前多以用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成。随着我国城市化、现代化的提速，建筑业快速发展，钢结构在建筑中的应用越来越多。特别是二十世纪90年代以来，我国大量的超高层建筑、工业厂房、体育场馆及其他众多公共设施建筑都采用了钢结构，一些地方的大型标志性建筑如北京的鸟巢、水立方等奥运场馆以及央视大楼、京广中心，上海的金茂大厦、国际金融中心，深圳的地王大厦等都应用了钢结构。2008年，我国钢结构产量达到2180万吨，显示出在我国钢结构已经得到大量应用。

1 钢结构的特点

钢结构类型多样，包括高层钢结构、空间钢结构、桥梁钢结构、轻钢钢结构、住宅钢结构和钢结构厂房等工业与民用建筑。如此种类繁多的钢结构均具有以下的一些特点，因此得以在工业、民用建筑中得到广泛应用。

1.1 强度高。强度高是钢结构最重要也是最醒目的特点之一。众所周知的是，钢材的强度在所有的建筑材料中是最高的。钢材和其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，其强度要明显大于后者几种材料。因此，在跨度大或荷载很大特别的构件和结构中非常适合选用钢材作为主要建筑材料类型。

1.2 自重轻。因为钢结构具有高强度的特性，钢材的强度与密度比要比混凝土大得多，钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，在同等负荷情况下钢结构整体质量却比钢筋混凝土结构轻。

1.3 材质均价、可塑性和韧性好。钢材的内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围小。钢材还具有塑性和韧性好的特点。钢结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，这是它的韧性好的表现，说明钢结构对动力荷载的适应性强。

1.4 抗震性能优越。钢结构由于具备良好的韧性和刚度，在抗拉强度上的表现要远好于混凝土，受压时又能较好满足稳定的要求，因此具有较好的抗震性能。

1.5 制造、安装工艺要求简便，施工快速。钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，可以工业化批量生产，因此大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，并能达到较高精度。在施工过程中，一般采用普通螺栓和高强度螺栓进行现场拼装，或在地面拼装焊接后进行吊装，可以有效缩短施工工期。

2 低温条件下的钢结构质量问题分析

研究表明，温度对钢材的性能有显著影响。在0℃以上，当温度升高时，钢材的强度及韧性均有变化。当温度在0℃以下时，随着温度的下降，钢材的强度略有提高，而塑性和韧性降低，脆性增大。尤其是温度降低到一定温度区间时，钢材的冲击韧性值急剧下降，出现低温脆断。通常把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆”现象，产生的裂纹称为“冷裂纹”。

在低温条件下造成冷裂纹，致使出现“低温冷脆”现象的因素有：

1.1 材料质量不合格。钢材及铆钉、螺栓等连接件的质量不合格。当钢材中碳、磷、氮、氢等元素的含量过高时，将会严重降低其塑性和韧性，脆性则相应增大。通常，碳导致可焊性差；磷、氮导致“冷脆”；氢导致“氢脆”。另外，钢材的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力。

1.2 焊接质量不合格。焊接是钢结构的主要连接方式，虽然有众多的优点，但不利的是，焊缝缺陷，以及残余应力的存在往往成为应力集中源。资料显示，焊接结构脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓结构。主要是因为：（1）焊缝或多或少存在一些缺陷，如裂纹、夹渣、气孔、咬肉等。这些缺陷将成为断裂源；（2）焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力，前者与其他因素组合作用可能导致开裂；（3）焊接结构的连接往往刚性较大，当出现多焊缝汇集时，材料塑性变形很难发展，脆性增大；（4）焊接使结构形成连续的整体，一旦裂缝开展，就可能一裂到底，不像铆接或螺栓连接，裂缝一遇螺孔，裂缝就会终止。

1.3 设计选材不合理。合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、载荷特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构形式，尤其是合理的构造细节十分重要。在低温高寒地区更要重点考虑。

1.4 制作参数不合理、钢材与焊接材料不匹配。在钢结构制作过程中，冷热加工易使钢材硬化变脆。钢材与焊接材料不匹配焊接尤其易产生裂纹、类裂纹缺陷以及焊接残余应力。

1.5 安装时管理混乱。安装时管理混乱易发生工艺选择不合理，容易造成装配残余应力及其他缺陷。管理混乱还容易导致材料乱用或混用，造成缺陷产生。

1.6 应力不合理集中造成的影响。钢材虽然具有良好的韧性，当钢材在制作钢构件时，由于工艺要求在其上进行加工处理，会出现孔洞、槽沟、凹角、截面、裂纹等结构变化和结构缺陷，加工工艺的不合理及不规范操作，这些缺陷将被放大引起应力不合理集中，在低温环境下，应力不合理集中到一定程度造成钢结构破坏的概率要高于常温条件。

3 应对措施：

3.1 严格把握材料质量关。钢材及铆钉、螺栓等连接件的质量直接影响到钢结构的质量稳定，要严格把好钢材质量关和铆钉、螺栓等连接件的质量关。钢材质量应符合相关质量规范要求；螺栓、铆钉应符合质量标准。因为铆钉比较耗钢，施工工艺复杂，目前已较多地被普通螺栓和高强度螺栓连接代替。

3.2 设计选材要求合理。选定合适的连接方案和节点构造是钢结构设计中重要的环节，设计时尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性，连接部位应有足够的强度、刚度及延性，各连接构件间应保持正确的相互位置，以满足传力和使用要求，应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度。比如，把结构设计为超静定结构并采用多路径传力可减少脆性断裂的威胁；接头或节点的承载力设计应比其连接的杆件强度高20%-50%；构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄。增加构件厚度将增加脆断的危险，尤其是设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中。

3.3 加强施工现场管理。加强施工现场管理，选择合理的施工工艺，明晰材料的使用和方法，正确匹配焊材和钢材，特别是注意施工质量节点，要规范施工，尽量减少焊缝中可能存在的裂纹、气孔、烧穿和未焊透等缺陷。对焊缝裂缝原则上是重焊。

3.4 出现裂缝后，及时采取加固或更换构件等措施。在出现裂缝后，如果是材料本身的原因，应及时采取加固或更换构件的措施。如果结构不重要，构件的裂纹细小时，可采取以下措施：

（1）用电钻在裂缝两端各钻一直径约为12-16mm的圆孔（直径大致与钢板厚度相等），裂缝末端必须落入孔中，减少裂缝处的应力集中。

（2）沿裂缝边缘用气割或风铲加工成K形坡口。

（3）裂缝端部及焊缝侧金属预热到150-200℃，用焊条堵焊裂缝，堵焊后用砂轮打磨平整。

（4）对于铆钉连接附近构件裂缝，可采用在其端部钻孔后，用高强度螺栓封住。

3.5 钢板夹层缺陷处理。钢板夹层是钢材最常见的缺陷之一，往往在构件加工前不易发现，当发现时已经成为半成品或成品，或已经用于结构使用，因此要重视钢板夹层缺陷处理。

3.6 建立日常维护制度。钢结构在日常使用时，应力求满足设计规定的用途、荷载及环境，不得随意变更。应建立日常的维修维护制度，制定日常维修对策和措施，监视缺陷或损坏情况，以防患于未然。