钢结构的裂纹成因及防范措施 改

钢结构的裂纹成因及防范措施

钱汉忠

南通新华钢结构工程有限公司

摘要：宿迁恒力国际大酒店工程采用劲性钢结构与钢筋混凝土组成的混合结构。因此，在钢构件的制作和安装过程中，对钢构件的质量控制显得尤为重要。尤其是对钢构件焊接过程中的裂纹控制。本文分析了本工程制作和安装过程中钢结构裂纹产生的原因，提出了有针对性的解决措施，取得了较好的结果。

关键词：钢结构；安装；裂纹；解决措施；

1、裂纹产生

施工人员在安装现场质量检查中，发现工程12.6m标高处支座梁与框架梁连接节点腹板处出现裂纹，接报后，承制与安装双方进行了现场调查，平台钢结构主次梁梁焊接接头部位存在裂纹缺陷，拿出补修方案并100%探伤，并委托专业单位对裂纹梁主材进行硬度检测和现场取样分析。此次复检共检查类同梁12根，发现裂纹仅此1条，裂纹产生的位置在主腹板与次梁腹板连接焊缝位置。焊接接头部位存在的裂纹为个别现象，裂纹在接头的热影响区围绕接头呈半弧形。裂裂纹形态见图1梁立面截面图。

图1梁立面截面图

2、裂纹产生的原因分析

蒸馏平台钢结构所用钢材为Q345B低合金钢，进厂原材料经过严格的各项复

检，化学成分和力学性能均满足GB/T15911994《低合金高强度结构钢》的要求。经现场硬度检测和现场取样分析，化学成分和力学性能均符合国标要求，见表1和表2。

表1 C

Mn Si P S V Nb Ti 0.18 1.33 0.5 0.035

0.03 0.05 0.04 0.01

表2 Mpa s /δ

Mpa b /δ %/s δ J C A kv /)20(︒+ 360 530

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在正常情况下该钢种可焊性良好,不易产生焊接裂纹。安装现场发现的裂纹分布于焊接接头的热影响区，具有延迟性，由此可以断定此种裂纹为焊接冷裂纹中的延迟裂纹。裂纹产生的主要原因分析如下。

2.1施工人员自作主张，在插入接头位增加焊接补强板

在梁结构设计过程中设计并没有增加筋板和补强板，施工人员在安装前擅自在腹板侧增加一块补强板，工序上先进行了补强焊接，然后将次梁插入，随后安装梁，将梁腹板紧贴补强在主梁腹板处进行二次焊接, 造成局部区域焊缝密度过大，使得焊接时这些部位的拘束应力过大，而拘束应力大是产生冷裂纹的重要原因之一，这就大大增加了裂纹产生的可能性。

如图2所示。

图2 擅自增加的补强板

2.2 焊接施工现场条件较差，工艺制定和执行不良，特别是焊前预热和焊后缓冷不到位

焊接工艺技术防止缺陷产生的措施主要有：焊前预热、焊后缓冷；选用合适焊条和工艺参数，使用前在保温箱内按规定的温度、时间加热保温,使用时放置在保温桶内取用等。该处主材腹板分别16mm、20mm厚，翼板分别25mm、32mm厚，无拘束度常温下该结构腹板间角焊道不需进行预热和焊后缓冷。《铁路钢桥制造规范》（TB10212）17.2.6、17.4.4规定：焊接环境温度，低合金高强度结构钢不应低于5℃。该工程冬季裂纹发生时日当地气象部门气温数据温度为（-7~-19℃），焊接过程中遭遇严寒的影响而未采取有效的防护措施（焊补强板侧时未预热），也无焊后良好保温消除应力热处理措施，焊缝金属冷却速度很快，对焊缝周围产生张力,同时焊缝中也容易出现淬硬的马氏体组织。对于Q345来说低碳合金元素含量比低碳钢多，材料淬硬倾向和出现裂纹的倾向大。当残余应力达到材料的屈服极限时，焊缝金属产生塑性变形，当变形量超过材料的极限时产生裂纹，这是裂纹产生的主因。

2.3 构造刚性约束大，施工时，荷载分布不尽合理

该结构次梁安装中端部已受刚性约束，在梁焊接时梁上的钢构件已经安装，构件的荷载通过临时支撑被传递到平台梁上，临时支撑位置不合理，以构件中心为重心，重心向1轴侧只有一个支撑立于该次梁上，此次梁承受相对较大荷载，而此荷载又全部通过次梁的焊接接头传到框架梁腹板上，增加了腹板处的内应力，直接导致焊缝区残余应力增大。

原则上在有荷载情况下应该卸载后施焊，施工没有充分重视焊接时荷载的因素，造成主梁腹板焊缝区拘束应力过大，这也增加了裂纹产生的可能性。

通过以上分析可以看出，由于各种措施不得当，使得焊缝中形成淬硬组织；同时封闭的刚性约束加上焊接时荷载较大，造成焊接接头部位很大的拘束应力，在这些因素的共同作用下，产生了焊接冷裂纹。

3、防范与改善措施

接工艺支持要求后，针对裂纹返修制定如下返修工艺方案：

3.1 先卸除荷载缺陷处荷载，尽量增加焊缝收缩的自由度。

3.2 选经验丰富的有资质证焊工和气刨施工补修人员。

3.3 选低氢型焊条材料：E5015或E5016φ3.2mm（350℃烘焙1h）。ER50-6气体保护焊丝，规格：φ1.2mm，使用富氩混合气或含水符合GB50205要求的纯CO 。严格烘干和保温措施。

3.4 采用PT/超声波探伤对缺陷定位,焊缝缺陷可见范围两端各+50mm。焊缝缺陷的剔除用碳弧气刨加砂轮打磨干净渗碳层。补修焊工参与缺陷的剔除工作，确保剔除部位正确，严禁在返修区域或母材上造成新的缺陷；

3.5 焊接前，对焊缝两侧75~100mm宽周围区域用氧-乙炔火焰加热到120℃（考虑T型接头实际热传导情况和环境温度低于0℃），用温度器在距焊缝100mm处测量，为防止大风带来的不利影响应搭设临时防风棚。

3.6 焊道周围20mm范围内的锈、水、油污等杂质的清理要彻底，在次梁侧用8mm 碳棒刨轻刨并打磨干净渗碳层,深度控制8mm左右，用手工电弧焊施焊，也可用气体保护焊。为防止裂缝出现在敏感的第一道焊缝和焊根，适当加大电流，减慢焊速。焊完一遍后,彻底清理焊道。尽量采用多层多道焊或分段间隔焊跳焊以减少焊接残余应力的产生，一面完成后，在腹板另一侧清根彻底后补焊，要求连续施工，中途停工需在施工前检查焊道质量并重新预热，焊缝不得有弧坑、夹渣、裂纹、咬边以防止形成应力集中。

3.7焊后热处理，防止焊接区域迅速冷却而产生裂纹，在焊缝两侧100mm宽，后热至200℃，消氢和消除应力1h,后用石棉等保温缓冷。

3.8若存在经设计、业主方确认的加劲补强板方案，参考以上预热后热方案执行。