鋼結(jié)構(gòu)在低溫條件下質(zhì)量問題及預(yù)防

◎ 內(nèi)蒙古呼倫貝爾金新化工有限公司 陳濤

鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。鋼結(jié)構(gòu)目前多以用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成。隨著我國城市化、現(xiàn)代化的提速，建筑業(yè)快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用越來越多。特別是二十世紀(jì)90年代以來，我國大量的超高層建筑、工業(yè)廠房、體育場館及其他眾多公共設(shè)施建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)，一些地方的大型標(biāo)志性建筑如北京的鳥巢、水立方等奧運(yùn)場館以及央視大樓、京廣中心，上海的金茂大廈、國際金融中心，深圳的地王大廈等都應(yīng)用了鋼結(jié)構(gòu)。2008年，我國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量達(dá)到2180萬噸，顯示出在我國鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到大量應(yīng)用。

1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)類型多樣，包括高層鋼結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼鋼結(jié)構(gòu)、住宅鋼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)廠房等工業(yè)與民用建筑。如此種類繁多的鋼結(jié)構(gòu)均具有以下的一些特點(diǎn)，因此得以在工業(yè)、民用建筑中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 強(qiáng)度高。強(qiáng)度高是鋼結(jié)構(gòu)最重要也是最醒目的特點(diǎn)之一。眾所周知的是，鋼材的強(qiáng)度在所有的建筑材料中是最高的。鋼材和其他建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，其強(qiáng)度要明顯大于后者幾種材料。因此，在跨度大或荷載很大特別的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中非常適合選用鋼材作為主要建筑材料類型。

1.2 自重輕。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度的特性，鋼材的強(qiáng)度與密度比要比混凝土大得多，鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大，在同等負(fù)荷情況下鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量卻比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕。

1.3 材質(zhì)均價、可塑性和韌性好。鋼材的內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計算結(jié)果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質(zhì)量可以嚴(yán)格控制，材質(zhì)波動的范圍小。鋼材還具有塑性和韌性好的特點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)在一般條件下不會因超載而突然斷裂，這是它的韌性好的表現(xiàn)，說明鋼結(jié)構(gòu)對動力荷載的適應(yīng)性強(qiáng)。

1.4 抗震性能優(yōu)越。鋼結(jié)構(gòu)由于具備良好的韌性和剛度，在抗拉強(qiáng)度上的表現(xiàn)要遠(yuǎn)好于混凝土，受壓時又能較好滿足穩(wěn)定的要求，因此具有較好的抗震性能。

1.5 制造、安裝工藝要求簡便，施工快速。鋼結(jié)構(gòu)所用的材料單純而且是成材，加工比較簡便，并能使用機(jī)械操作，可以工業(yè)化批量生產(chǎn)，因此大量的鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠做成構(gòu)件，并能達(dá)到較高精度。在施工過程中，一般采用普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，或在地面拼裝焊接后進(jìn)行吊裝，可以有效縮短施工工期。

2 低溫條件下的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題分析

研究表明，溫度對鋼材的性能有顯著影響。在0℃以上，當(dāng)溫度升高時，鋼材的強(qiáng)度及韌性均有變化。當(dāng)溫度在0℃以下時，隨著溫度的下降，鋼材的強(qiáng)度略有提高，而塑性和韌性降低，脆性增大。尤其是溫度降低到一定溫度區(qū)間時，鋼材的沖擊韌性值急劇下降，出現(xiàn)低溫脆斷。通常把鋼結(jié)構(gòu)在低溫下的脆性破壞稱為“低溫冷脆”現(xiàn)象，產(chǎn)生的裂紋稱為“冷裂紋”。

在低溫條件下造成冷裂紋，致使出現(xiàn)“低溫冷脆”現(xiàn)象的因素有：

1.1 材料質(zhì)量不合格。鋼材及鉚釘、螺栓等連接件的質(zhì)量不合格。當(dāng)鋼材中碳、磷、氮、氫等元素的含量過高時，將會嚴(yán)重降低其塑性和韌性，脆性則相應(yīng)增大。通常，碳導(dǎo)致可焊性差；磷、氮導(dǎo)致“冷脆”；氫導(dǎo)致“氫脆”。另外，鋼材的冶金缺陷，如偏析、非金屬夾雜、裂紋以及分層等也將大大降低鋼材抗脆性斷裂的能力。

1.2 焊接質(zhì)量不合格。焊接是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式，雖然有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但不利的是，焊縫缺陷，以及殘余應(yīng)力的存在往往成為應(yīng)力集中源。資料顯示，焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鉚接結(jié)構(gòu)和螺栓結(jié)構(gòu)。主要是因?yàn)椋海?）焊縫或多或少存在一些缺陷，如裂紋、夾渣、氣孔、咬肉等。這些缺陷將成為斷裂源；（2）焊接后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力又分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力，前者與其他因素組合作用可能導(dǎo)致開裂；（3）焊接結(jié)構(gòu)的連接往往剛性較大，當(dāng)出現(xiàn)多焊縫匯集時，材料塑性變形很難發(fā)展，脆性增大；（4）焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體，一旦裂縫開展，就可能一裂到底，不像鉚接或螺栓連接，裂縫一遇螺孔，裂縫就會終止。

1.3 設(shè)計選材不合理。合理的設(shè)計應(yīng)該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、載荷特征、應(yīng)力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，尤其是合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)十分重要。在低溫高寒地區(qū)更要重點(diǎn)考慮。

1.4 制作參數(shù)不合理、鋼材與焊接材料不匹配。在鋼結(jié)構(gòu)制作過程中，冷熱加工易使鋼材硬化變脆。鋼材與焊接材料不匹配焊接尤其易產(chǎn)生裂紋、類裂紋缺陷以及焊接殘余應(yīng)力。

1.5 安裝時管理混亂。安裝時管理混亂易發(fā)生工藝選擇不合理，容易造成裝配殘余應(yīng)力及其他缺陷。管理混亂還容易導(dǎo)致材料亂用或混用，造成缺陷產(chǎn)生。

1.6 應(yīng)力不合理集中造成的影響。鋼材雖然具有良好的韌性，當(dāng)鋼材在制作鋼構(gòu)件時，由于工藝要求在其上進(jìn)行加工處理，會出現(xiàn)孔洞、槽溝、凹角、截面、裂紋等結(jié)構(gòu)變化和結(jié)構(gòu)缺陷，加工工藝的不合理及不規(guī)范操作，這些缺陷將被放大引起應(yīng)力不合理集中，在低溫環(huán)境下，應(yīng)力不合理集中到一定程度造成鋼結(jié)構(gòu)破壞的概率要高于常溫條件。

3 應(yīng)對措施：

3.1 嚴(yán)格把握材料質(zhì)量關(guān)。鋼材及鉚釘、螺栓等連接件的質(zhì)量直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量穩(wěn)定，要嚴(yán)格把好鋼材質(zhì)量關(guān)和鉚釘、螺栓等連接件的質(zhì)量關(guān)。鋼材質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)質(zhì)量規(guī)范要求；螺栓、鉚釘應(yīng)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)殂T釘比較耗鋼，施工工藝復(fù)雜，目前已較多地被普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓連接代替。

3.2 設(shè)計選材要求合理。選定合適的連接方案和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計時盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性，連接部位應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度及延性，各連接構(gòu)件間應(yīng)保持正確的相互位置，以滿足傳力和使用要求，應(yīng)力求使缺陷引起的應(yīng)力集中減少到最低限度。比如，把結(jié)構(gòu)設(shè)計為超靜定結(jié)構(gòu)并采用多路徑傳力可減少脆性斷裂的威脅；接頭或節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計應(yīng)比其連接的桿件強(qiáng)度高20%-50%；構(gòu)件斷面在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提下應(yīng)盡量寬而薄。增加構(gòu)件厚度將增加脆斷的危險，尤其是設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)避免重疊交叉和焊縫集中。

3.3 加強(qiáng)施工現(xiàn)場管理。加強(qiáng)施工現(xiàn)場管理，選擇合理的施工工藝，明晰材料的使用和方法，正確匹配焊材和鋼材，特別是注意施工質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，要規(guī)范施工，盡量減少焊縫中可能存在的裂紋、氣孔、燒穿和未焊透等缺陷。對焊縫裂縫原則上是重焊。

3.4 出現(xiàn)裂縫后，及時采取加固或更換構(gòu)件等措施。在出現(xiàn)裂縫后，如果是材料本身的原因，應(yīng)及時采取加固或更換構(gòu)件的措施。如果結(jié)構(gòu)不重要，構(gòu)件的裂紋細(xì)小時，可采取以下措施：

（1）用電鉆在裂縫兩端各鉆一直徑約為12-16mm的圓孔（直徑大致與鋼板厚度相等），裂縫末端必須落入孔中，減少裂縫處的應(yīng)力集中。

（2）沿裂縫邊緣用氣割或風(fēng)鏟加工成K形坡口。

（3）裂縫端部及焊縫側(cè)金屬預(yù)熱到150-200℃，用焊條堵焊裂縫，堵焊后用砂輪打磨平整。

（4）對于鉚釘連接附近構(gòu)件裂縫，可采用在其端部鉆孔后，用高強(qiáng)度螺栓封住。

3.5 鋼板夾層缺陷處理。鋼板夾層是鋼材最常見的缺陷之一，往往在構(gòu)件加工前不易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)成為半成品或成品，或已經(jīng)用于結(jié)構(gòu)使用，因此要重視鋼板夾層缺陷處理。

3.6 建立日常維護(hù)制度。鋼結(jié)構(gòu)在日常使用時，應(yīng)力求滿足設(shè)計規(guī)定的用途、荷載及環(huán)境，不得隨意變更。應(yīng)建立日常的維修維護(hù)制度，制定日常維修對策和措施，監(jiān)視缺陷或損壞情況，以防患于未然。

4 結(jié)束語

在低溫條件下鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)量問題除鋼材自身的化學(xué)成分影響外，還受到設(shè)計選材、施工工藝等因素的影響，應(yīng)科學(xué)設(shè)計，合理選材，嚴(yán)格施工管理，選擇合理的施工工藝，注意日常維護(hù)監(jiān)控，以保障鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑物的安全使用。