钢结构厚板层状撕裂及其防止措施研究

梁新芳

摘要：钢结构的厚板层非常容易出现一种脆性的断裂就是层状撕裂，主要发生的部位为十字形的接头位置、T型的接头位置以及角接接头位置。本文主要针对钢结构的厚板层状撕裂产生的主要原因进行了细致的分析，然后对钢结构厚板层状撕裂产生的主要因素进行了分析，最后结合层状撕裂产生的原因提出了相应的防止钢结构厚板层防止层状撕裂的主要措施。本文对厚板的钢材选材及防止钢结构厚板层状撕裂产生有一定的指导作用。

关键词：钢结构；钢材厚板；层状撕裂；防治措施；钢材选材

1.前言

伴随着社会的不断发展，经济水平的不断进步，大量的工程建筑开始兴起，钢结构厚板作为主要的原材料大量的应用于建筑工程、大型桥梁、海洋平台及压力容器等工程建设中。在实际的生产过程与建筑工程中，涉及到的钢结构厚板主要应用于高层建筑或者是跨度大的空间结构，厚板的厚度一般在50mm-140mm之间；在桥梁工程中，厚板的钢材料主要用于箱梁等位置，厚度一般为40mm-90mm左右。这是钢结构厚板的主要应用状态，但是由于材质问题钢结构厚板很容易出现层状撕裂，影响使用，下面着重对钢结构厚板的层状撕裂的一系列问题进行分析。

2.钢结构厚板层状撕裂产生的原因

钢结构的力学性能受到厚板钢材的冶炼工艺、轧制工艺的影响，这些因素导致钢结构厚板的力学性能存在差异，再加上一些非金属类杂物的存在，很容易导致钢板产生分层现象，当承受的拉应力是厚度方向的时候就产生层状撕裂。由于钢板厚度和结构体系逐渐变得复杂化，也导致了焊接过程中的难度系数增加，这样就很容易使得钢材在沿着板厚的方向呈現层状撕裂。

钢结构厚板的层状撕裂不仅可以发生在焊接中，也可以发生在焊接后的冷却过程中，当焊接过程完成之后还可能由于外加力的影响再产生层状撕裂。发生层状撕裂的需要满足以下几个条件，首先，钢材的材质问题，需要含有大量的硫元素，并且厚度低的碳钢或者低合金钢、沉淀强化程度低的合金钢等，这些厚板中的夹杂物往往呈现出条状分布，分布特征混乱；其次需要有Z向的拉伸应力，这个应力的强度必须够大，此外焊接的残余应力，拘束应力及沿板厚方向的外荷载都可能导致z方向的拉应力的产生。

钢结构厚板层状撕裂的主要原因是由于钢板中夹杂的物质本身没有足够的强度并且夹杂物与金属整体的结合度不高，所以就很容易受到外界应力的干扰，当在钢板的厚度方向出现焊接拘束应力、焊接残余应力时，这些夹杂物就会与整体的金属结构发生剥离，从而产生裂纹，裂纹产生之后伴随着外荷载力的不断增加，就导致裂纹尖端的应力强度因子不断扩大，然后就会加剧裂纹的扩展，当出现两条层状撕裂裂纹的尖端非常靠近的时候，两条裂纹的尖端在塑性变形区进行接触，这时就会产生大裂纹。

3.钢结构厚板层状撕裂的主要影响因素

钢结构厚板层状撕裂产生的因素有很多，主要是由于钢材材质的影响、接头应力状态的影响以及焊接时工艺的影响，下面就这三种主要的影响因素进行细致的分析。

3.1钢材材质的影响

由于钢材的材质对钢结构厚板的层状撕裂影响非常大，所以首先分析钢材结构对层状撕裂的影响。由于钢材的材质不是纯净物，往往有很多夹杂着杂质，最常见的杂质有硫化锰、二氧化硅等，这些夹杂物虽然与整体金属有一定的结合力的，但是结合力往往比整体金属本身的强度都低，所以这些夹杂的杂质就很容易导致层状撕裂的产生，当由于夹杂物导致的钢结构厚板的层状撕裂的产生时需要考虑杂质的分布形态及分布的尺寸。例如当在钢板的轧制方向存在大量的氧化锰的时候，层状撕裂一般呈现出阶梯状，当有大量的二氧化硅存在时层状撕裂一般呈现出直线条状。对钢材的抗撕裂能力一般需要根据钢板厚度的方向的拉伸断面的收缩率进行评定，一般来说沿着钢板厚度方向的断面的收缩率越高，这块钢材的抗撕裂能力越好。因此，对钢材产生层状撕裂现象进行分析时需要考虑到钢材的化学组成、夹杂物的成分及钢材本身的塑性和韧性的影响。

3.2接头应力的状态的影响

在钢结构体系的设计过程中，由于实际需要，设计时往往不可避免的导致一些十字形接头、Z字型接头及T字型接头的产生，当出现这些接头形式时，往往会增加钢结构产生层状撕裂的敏感程度。由于钢结构的应力体系是非常复杂的，所以就使得焊接接头中钢板厚度方向的受力增大，这样也在一定程度上增加层状撕裂产生的可能性。所有这些都说明强大的拉伸应力是导致钢结构厚板产生层状撕裂的主要原因，在焊接时产生的不同的接头方式对接头处的应力就会不同，这样就导致整个金属钢板对于层状撕裂的敏感程度不同。

3.3焊接工艺的影响

钢结构的焊接工艺是非常复杂的，焊接工艺对层状撕裂产生的原因也是相当复杂的。焊缝的尺寸、焊接坡口的构造、接头的加工精度、对构件进行切割时使用的切割方法、焊接材料的选择、焊接金属的强韧程度、焊接的顺序、焊道层次、焊接热输入量及层间温度等对于钢结构厚板产生层状撕裂都有重要的影响，由于氢脆作用对厚板的层状撕裂有很大的影响，所以在焊接过程中尽可能使用低氢型的焊接材料，就能够大大减低层状撕裂的产生。

4.钢结构厚板层状撕裂的主要防止措施

4.1严格进行钢板的选材

首先，对受力比较复杂的钢结构厚板适合选择在钢板的厚度方向有具体的性能要求的钢板，一般来说，Z向钢板比较昂贵，所以如果在选材的时候盲目的选择z向钢板会造成浪费，所以需要结合具体的焊接需要进行选材，例如当沿着厚板方向有拉应力存在时，特别是由于外部载荷导致的拉应力持续存在时就需要考虑采用Z型钢板，不然就很容易产生层状撕裂，所以选用Z型钢板能够大大提高钢板的抗撕裂能力，从根本上解决钢结构厚板层状撕裂的产生。其次，对于钢材中的S元素的含量进行控制，减少钢材的层状偏析；最后在选材时需要对于每块材料进行检查，当发现钢板存在裂纹、夹层及分层时就不能使用，这样就能从根本上防止有缺陷的钢材流入到实际的加工过程中。

4.2对结构焊接接头进行严格设计

由于焊接接头对层状撕裂的影响是非常大的，所以在设计时需要对整体结构中涉及到的焊接接头进行严格的设计，首先需要将接头的设计进行改良，对于节点的选择尤其需要谨慎：其次，对于坡口的选择，在满足焊接前的设计要求的前提下，对于坡口的形式。角度以及间隙进行合理的选择，最大限度的将焊缝截面和焊缝的收缩应力减少，这样就能减少钢材厚板方向所承受的拉应力，防止出现层状撕裂。

4.3采用合理的加工工艺和焊接工艺

在加工过程中需要选择合理的加工工艺和焊接工艺，例如尽可能选择低氢型的焊条，这样能够使得冷裂的倾向小，改善抗撕裂性能；采用低强组配的焊接材料，这样能够增加焊接金属的延展性，促进应变集中在焊缝处，这样就能减轻整体材料的应变，改善钢结构的抗撕裂的性能。

5.结语

综上所述，导致钢结构层状撕裂产生的主要原因是钢材材质的影响、接头应力状态的影响以及焊接时工艺的影响，所以结合具体的加工工艺，合理的改善钢材的抗撕裂性能，最大限度的减少钢材层状撕裂的产生。