钢结构损伤鉴定与修复

钢结构检测鉴定及加固
常见焊接缺陷 焊接是钢结构中应用最广泛的连接方法，对应的事故也比较多，因此 应检查其缺陷。焊接缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响 区钢材表面或内部的缺陷。常见的有裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、未焊透 、夹渣、咬边、未融合，以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝形成不良等。 涂装层
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钢结构检测鉴定及加固 1.钢结构检测鉴定及加固改造的目的和意义
（1）检测 为评定建筑结构工程的质量或鉴定既有建筑结构的性能所实施的检测 工作，称为结构检测 我国《建筑结构检测技术标准》（GB/T50344）规定，建筑钢结构的 检测可分为钢结构材料性能、连接、构件的尺寸与偏差、变形与损伤、 构造、基础沉降以及涂装等项工作，必要时，可进行结构或构件性能的 实荷载检验或结构的动力测试。对某一具体钢结构的检测可根据实际情 况确定工作内容和检测项目。 （2）鉴定 根据现场调查和检测结果，并考虑缺陷的影响，依据相应规范或标准 的要求，对建筑结构的可靠性进行评估的工作，称为可靠性鉴定 （3）加固 加固工作分为加固设计、加固施工及验收三个节段
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喷射或抛射除锈前，厚的锈层应铲除。可见的油脂和污垢也应清除。 喷射或抛射除锈后，钢材表 面应清除浮灰和碎屑。钢材表面应无可见的 油脂和污垢，并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物。 参见照片BSa1.CSal 和DSa1
钢材表面应无可见的油脂和污垢，并且氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着 物已基本清除，其残留物应是牢固附着的。 参见照片BSa2、CSa2和DS2
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声发射监测原理 疲劳损伤是指材料或结构在交变载荷作用下由于机械、物理、化学 等因素导致其力学性能、微观结构产生劣化的结果。工程结构中钢梁焊 缝连接处由于交变载荷作用容易产生疲劳损伤，其发生、发展历程由位 错→滑移→微观裂纹→裂纹扩展→断裂等阶段组成。裂纹萌生、稳定、扩 展直至最后断裂的过程是一个能量累积和快速释放的过程。能量的释放 包括表面能、热能、弹性性能等形式，其中的弹性能以应力波的形式释 放出来，产生声发射。声发射信号包含了信号源处的有效信息，通过监 测分析裂纹损伤在疲劳载荷作用下的声发射信号，有助于了解裂纹及Fra Baidu bibliotek 构的变化情况，进而对材料或结构构件进行损伤评价。
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率的两倍，表明每次疲劳循环的加载段与卸载段都会产生信号。３，４ 号传感器分别贴于三角梁与横梁上，其信号幅值高达９０ｄＢ 左右，且 通道３接收到的信号幅值高于通道４，但３，４通道低幅值信号的周期 性已经不明显。这说明噪声信号主要来自于传力3
图2 噪声检测传感器布置图
图3 左端裂纹信号幅值-时间图
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用手工和动力工具，如用铲刀、手工或动力钢丝刷、动力砂纸盘或砂轮 等工具除锈，手工和动力工具除锈前，厚的锈层应铲除，可见的油脂和 污垢也应清除。手工和动力工具除锈后， 钢材表面应清除去浮灰和碎屑 。对于手工和动力工具除锈过的钢材表面，钢材表面应无可见的油脂和 污垢，并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物
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冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用 钢材断裂时所吸收的总能量来衡量。单向拉伸 试验所表示的钢材性能都是静力性能，韧性则 是动力性能。韧性是钢材强度，塑性的综合指 标，韧性低则发生脆性破坏的可能性大 二.钢结构现场检测内容 钢构件材料的检测 连接（焊接连接，紧固件连接）的检测 构件腐蚀的检测 构件缺陷与损伤的检测 结构构件变形的检测 结构构造检测 涂装的检测 地基基础的检测
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图１中传力三角梁为不对称三角形，主压力点分别距离横梁左右两端支 撑处２６０ｍｍ 和４２０ｍｍ，从而使钢架横梁左端焊缝处承受较大的 载荷。开裂处为角焊缝焊接，由于施焊部位空间狭窄，影响焊接质量， 焊接端部易产生应力集 中，引起较 大残余应力，造成该端出现宏观裂纹 。 监测结果及数据分析 噪声分析 疲劳试验现场噪声主要来自于油缸冲击、金属塑性变形、金属板表面 之间的挤压摩擦、加载金属压头对三角梁顶端产生的周期性冲击。图２ 为噪声检测过程中传感器布置图，将传感器布置在钢梁各段，距离左端 焊缝处较远。由于钢板结构搭接、角接情况复杂，声波衰减加剧，因此 ，传感器基本接收不到裂纹处的声发射信号。图３为不同传感器接收到 的噪声信号的幅值－时间图，通道 １～４ 分别对应图 ２中的安装位置 。由图 ３ 中噪 声信号分 析可知，１，２通道贴于左侧侧壁，最高幅值 达到７０ｄＢ左右，具有明显的周期性，其信号出现的频率等于加载频
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钢结构疲劳损伤声发射监测 概述：采用声发射技术对已开裂的焊缝进行监测，实现了在复杂的环 境噪声中识别出裂纹活动信号。通过分析疲劳裂纹损伤产生的原因以及 材料在交变载荷作用下产生声发射的机理，得到表征焊缝裂纹活动过程 的信号特征。试验表明，声发射技术对钢结构裂纹损伤的活度、强度具 有较大的敏感性，可以实现对裂纹损伤状态发展变化的实时监测 本人对一项钢结构疲劳试验研究做了简单分析。该钢结构锚梁在疲劳 测试过程中，锚梁一端焊缝出现裂纹。采用声发射技术对裂纹处进行重 点监测，得到裂纹损伤的疲劳活动规律，为今后的深入研究提供重要依 据。该钢结构锚梁预定疲劳测试次数为200万次，最大加载载荷为 1714KN，最小加载载荷为124.6KN，加载频率为1.1次／ｓ。随着疲劳加 载次数的增加，锚梁横梁段与底部支撑板焊缝连接处出现宏观裂纹。当 疲劳次数达到77万次的时候，采用声发射技术对其进行了疲劳监测，采 集裂纹活动过程的声发射信号。经过10天的监测，一直跟踪至疲劳测试 结束，获得了有价值的数据。
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钢材的腐蚀 钢材的腐蚀：指其表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭 到破坏。 钢材腐蚀不仅使截面积减小，性能降低甚至报废，而且因产生锈坑 ，可造成应力集中，加速结构破坏。尤其在冲击荷载、循环交变荷载作 用下，将产生锈蚀疲劳现象，使钢材的疲劳强度大为降低，甚至出现脆 性断裂。 根据腐蚀作用机理，钢材的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种 1、化学腐蚀：指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的腐蚀。 这种腐蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。在常温 下，钢材表面形成一薄层氧化保护膜FeO，可以起一定的防止钢材锈蚀的 作用，故在干燥环境中，钢材锈蚀进展缓慢。但在温度或湿度较高的环 境中，化学锈蚀进展加快。 2、电化学腐蚀：指钢材与电解质溶液接触，形成微电池而产生的腐 蚀
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为防止钢材腐蚀，钢结构常用加重腐蚀涂料构成长效防腐结构，或 者用配套重防腐涂料涂装防护。金属锌、铝具有很大的耐大气腐蚀的特 性。在钢铁构件上喷锌或喷铝，锌、铝是负电位和钢铁形成牺牲阳极保 护作用从而使钢铁基本得到了保护。目前用喷铝涂层来防止工业大气、 海洋大气的腐蚀。金属喷涂层与防腐涂料涂层的复合涂层的防护寿命较 金属喷涂层和防腐涂料防护层二者寿命之和还要长，为单一涂料防护层 寿命的数倍。 重防腐长效涂料由底漆、中间漆和面漆构成。 从长效经济性考虑，喷铝涂层最为经济，但一次性投入大，施工良好 的涂层可在10年内无需维修。环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆及丙烯酸聚 氨酯长效防护系统具有较佳的经济性。 另外除锈也是防止钢材腐蚀的重要方法，在这里我们主要讲喷射除 锈，工程中应用比较广泛
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通过对数据的处理分析，得到裂纹损伤活动过程的信号特征。数据 分析表明，裂纹在张开与闭合阶段均产生声发射信号，且具有不同的参 数特征，只有经过一定的疲劳周次，才会发生真正的裂纹扩展，裂纹扩 展具有随机性。图１为疲劳测试的现场图片，图中左端黑点处为已发现 的焊缝裂纹。
图1 疲劳试验现场图片
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钢材锈蚀等级 钢材表面的四个腐蚀等级分别以A、B、C和D表示。这些腐蚀等级的文字叙 述如下： A全面地覆盖着氧化皮而几乎没有铁锈的钢材表面； B已发生锈蚀，并且部分氧化皮已经剥落的钢材表面； C氧化皮已因锈蚀而剥落，或者可以刮除，并且有少量点蚀的钢材表面 D氧化皮已因锈蚀而全面剥离，并且已普遍发生点蚀的钢材表面。
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角梁与底部横梁相接平面的摩擦以及钢板的塑性变形和液压缸的冲击噪 声，噪声信号首先传到３通道，依次传给４，１，２通道。３，４通道 接收到高幅值信号，同时接收到大量的反射波、折射波，因此使得周期 性的加载信号趋于模糊，不再具有周期性。随着传播路径的增长以及钢 结构连接形式的复杂性，信号的衰减使得１，２通道只能接收到低幅值 、低频率信号，一些反射波、折射波衰减 到门槛以下，因此１，２通道不受回波干 扰，其信号表现出明显的周期性。由图２ 可知，通道３位于传力三角梁与横梁凸台 接触面附近，因此通道３的信号波形频谱 特征可以有效表征加载端传来的噪声信号 ，其幅值－时间特征参数图见图４。由于 加载和卸载过程平稳，其疲劳加载曲线如 图５，
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一.刚结构基本性能 （1）室温拉伸 室温拉伸试验是指在室温条件下，对拉伸试 验进行单向拉伸直至断裂，测定钢材的一项或几 项力学性能的试验 检测钢材的屈服强度，抗拉强度，伸长率和断面收缩率等力学性能指 标，也可以测定钢材的弹性模量和应变硬化模量。 （2）弯曲试验 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形 的能力。冷弯合格一方面表示钢材的塑性变形 能力符合要求，另一方面也表示钢材的冶金质 量符合要求。 （3）冲击试验
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潮湿环境中钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖，而钢材本身含有铁、 碳等多种成分，由于这些成分的电极电位不同，形成许多微电池。在阳 极区，铁被氧化成为Fe2+离子进入水膜；在阴极区，溶于水膜中的氧被 还原为OH-离子。随后两者结合生成不溶于水的Fe（OH）2，并进一步氧 化成为疏松易剥落的红棕色铁锈Fe（OH）3.电化学锈蚀是钢材锈蚀的最 主要形式。 影响钢材腐蚀的主要因素：有环境中的湿度、氧，介质中的酸、碱 、盐；钢材的化学成分及表面状况等。一些卤素离子，特别是氯离子能 破坏保护膜，促进锈蚀反应，使锈蚀迅速发展。
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每个加载周期中３号传感器都会接收到两次高幅值信号，且两次信 号的声发射特征参数的差别具有规律性。图５中 Ｔ0至 Ｔ 为一次加载周 期（此 试验加载频率 1.1Ｈｚ）。图中 Ｔ１和Ｔ２ 分别为两次高幅值信 号出现的时间，其间隔时间约占每个周期的４０％，两次信号的上升时 间分别位于300～600μｓ和11000～16000μｓ之间。进一步分析可得：加 载段由于载荷持续加大，应变能迅速聚集，达到最大作用应力（Ｔ１） 前材料屈服或结构达到塑性极限而释放能量并产生声发射；卸载段由于 载荷作用的减小，金属构件具有恢复原状的弹性能将得到释放，由于释 放过程没有外加应力的强制用，使得卸载过程均匀平稳，高幅值信号的 上升时间和持续时间较长。 作通道３压－压疲劳加载曲线示意图分析两次信号的频谱图发现， 加载段的高频信号比率较大，这表明加载段由于外载的强制作用使得信 号的应变速率较大；卸载段能量的释放较为自由，应变速率较小，因此 信号的频率较低。由以上分析可得：图４中１～３分别表示为加载段信 号，１’～３’表示卸载段信号。图６和７分别为不同载荷历程的信号 波形及 ＦＦＴ 谱图。
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疲劳裂纹损伤位置及开裂原因 裂纹位置 钢梁左端部与底板支撑搭接处的角焊缝由于疲劳载荷、焊接缺陷、应 力集中等原因产生两条裂纹。一条位于钢梁底板与底部支撑上表面板焊 缝处，另一条位于横梁左端部加强板底部焊缝处，裂纹源位于角焊缝头 部。 开裂原因 由于疲劳试验机压力轴与钢结构锚梁侧向中面不完全重合，横梁两端 与底部支撑板的连接焊缝既承受复合拉压应力，又承受复合扭剪应力。 因此钢结构横梁两端焊接处在每一次循环都要承受拉－压－剪三种状态 的复合应力作用。在焊缝区，焊条金属与本体金属的熔融区往往产生金 属原子的位错，在外应力作用下，位错原子数目不断增加，大量的位错 部位相互通连，形成了原子尺度的滑移带，当滑移带在周期载荷作用下 继续发展，便形成微裂纹。微裂纹的端部往往造成应力集中，随着疲劳 次数的增加，裂纹不断扩展，形成肉眼可见的宏观裂纹。