钢结构工程质量缺陷

焊接是钢结构连接最重要的手段。焊接方法种类很 多，按焊接的自动化程度一般分为手工焊接、半自动焊接 及自动化焊接。
焊接连接的优点是不削弱截面、节省材料、构造简 单、连接方便、连接刚度大、密闭性好，尤其是可以保证 等强连接或刚性连接。
焊接也可能带来以下缺陷: ①焊接材料不合格。手工焊采用的是焊条，自动焊采 用的是焊丝和焊剂。 实际工程中通常容易出现三个问题: 一是焊接材料本身质量有问题; 二是焊接材料与母材不匹配; 三是不注意焊接材料的烘焙工作。
裂纹是最为严重的焊缝缺陷，如图3-59所示。根据裂 纹发生的时间，大致可将裂纹分成高温裂纹和低温裂纹两 大类。
图3-59 焊缝接头裂纹种类
高温裂纹：高温裂纹也称为加热裂纹。主要与钢材的 硫、氧含量有关。焊道下梨状裂纹是常见的一种高温裂纹 ，主要发生在埋弧焊或二氧化碳气体保护焊中，手工电弧 焊则很少发生。
钢材在冶炼和轧制过程中，由于工艺参数控制不 严等问题，缺陷在所难免，常见的缺陷常见的缺陷有 偏析、夹杂、裂缝、分层、过热或过烧、脱碳、机械
性能不合格等。
3.处理与防治
钢材的质量主要取决于冶炼、浇铸和轧制过程中的 质量控制，普通低碳钢的八种化学成分均对钢材的性能 有不利影响，其中的C、Mn、Si是有益元素，但不可过 量，S、P、O、N、H纯属有害杂质，钢结构的先天性材 质缺陷应由冶金部门处理，从炼钢工艺上得到根本性解 决，应根据《碳素结构钢》(GB 700-88)和《低合金结构 钢》(GB 1591-88)的规定，加以严格控制。
1.缺陷的现象及特征
钢材的种类繁多，但在建筑钢结构中，常用的有两 类钢材，即低碳钢和低合金钢。例如：Q235、16Mn、 15MnV等，钢材的种类不同，缺陷自然也不同。
常见的先天性缺陷有化学成分缺陷、冶炼及轧制 缺陷，影响其塑性、韧性、冷弯性能、冲击韧性和可 焊性以及抗锈蚀性能，尤其是可焊性和负温冲击韧性 等都显著降低，出现“热脆”现象、“冷脆”现象、 “氢脆”破坏现象，甚至在钢材中形成的各类裂纹。
（3）处理与防治 应严格按铆接工艺要求进行施工及质量控制。
2.钢结构的栓接缺陷原因及治理 （1）缺陷的现象及特征 螺栓连接给钢结构带来的主要缺陷有: ①螺栓孔引起构件截面削弱； ②普通螺栓连接在长期动载作用下的螺栓松动；
③高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形； ④螺栓及附件钢材质量不合格； ⑤孔径及孔位偏差； ⑥摩擦面处理达不到设计要求，尤其是摩擦系数达 不到要求。
但世界范围内钢结构的事故频繁发生，惨痛的教训一 再重复。国内外大量文献统计资料表明，绝大多数事故发 生在施工阶段到竣工验收前这段时间。
我国由于过去钢结构工程较少，缺少较完整的统计 资料，但据调查表明，施工阶段钢结构屋盖事故较多，使 用阶段吊车梁事故较多，屋架损伤事故也不少。但最明显 的特征是大多数事故均发生在单层工业厂房中，这主要和 我国钢结构的应用范围有关。
产生未焊透的原因是：焊接电流太小，焊接速度太 快；坡口角度太小，焊接角度不当；焊条有偏心；焊件 上有锈蚀等未清理干净的杂质。焊透缺陷将降低焊缝强 度，引起应力集中，导致裂解和结构破坏。
如图3-58(f)所示。边缘未熔合与焊前钢材表面清理 的彻底程度有关，也与焊接电流过小或焊接速度过快以致 母材金属未达到熔化状态有关。
（2）原因分析
螺栓连接包括普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类 。
普通螺栓一般为六角头螺栓，材质为Q235，性能等 级为4.6级(4.6S)，根据产品质量和加工要求分为A、 B 、C三级。其中A级为精制螺栓，B级为半精制螺栓。精 制螺栓和半精制螺栓采用1类孔，孔径比螺栓杆径大0.3 ～0.5mm。C级为粗制螺栓，一般采用11类孔，孔径比 螺栓杆径大1.0～1.5mm。
铆接是将一端带有预制钉头的铆钉，经加热后插人连 接构件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端打铆成钉头，以使 连接达到紧固。
铆接有热铆和冷铆两种方法。铆接传力可靠，塑性、 韧性均较好。
在20世纪上半叶以前曾是钢结构的主要连接方法，目 前只在桥梁结构和吊车梁构件中偶尔使用，由于铆接是现 场热作业，工艺不易控制。
如图3-58(a)所示。气孔是指焊缝表面或内部存在的 近似圆球形或洞形的空穴。
（a）不合格角焊缝的剖面形状（b）不合格对接焊缝的剖面形状
图3-57 不合格焊缝剖面形状
图3-58 焊缝缺陷
产生气孔的原因是：碱性焊条受潮;；酸性焊条烘 焙温度太高；焊件不清洁；电流过大使焊条发红；极 性不对；保护气体不纯且焊丝锈蚀等。
产生焊瘤的原因有；焊条质量不好；运条角度不当 ；焊接质量及焊接规范不当。焊瘤不但影响成形美观， 而且易引起应力集中。焊瘤处还易夹渣、未熔合，导致 裂缝产生。
如图3-58(e)所示。未焊透是指焊缝与母材金属之间 或焊缝层间局部未熔合。按其在焊缝中的位置可分为:根 部未焊透、坡口边缘未焊透和焊缝层间未焊透。
（二） 钢构件的加工制作缺陷原因及治理
1.缺陷的现象及特征 钢结构加工制作可能出现的缺陷如下: (1) 选材不合格; (2) 原材料矫正引起冷作硬化; (3) 放样、号料尺寸超公差; (4) 切割边未加工或达不到要求;
(5) 孔径误差; (6) 冲孔未作加工，存在硬化区和微裂纹; (7) 构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹; (8) 构件热加工引起的残余应力; (9) 表面清洗防锈不合格; (10) 钢构件外型尺寸超公差。
由此可见，钢结构的加工制作过程将由一系列的工序 而组成，每一工序都有可能产生缺陷。
3.处理与防治
钢结构制造厂应重视加工制作各个环节工艺的合 理性和设备的先进性，尽量减少手工作业，力求全自 动化，应严格按钢结构加工制作的工序、标准要求进 行加工制作及质量控制。
（三）钢结构的连接缺陷
钢结构的连接方法通常有铆接、栓接和焊接三种。 目前大部分为栓焊混合连接为主。
普通螺栓由于紧固力小，且栓杆与孔径间空隙较大 ( 主要指粗制螺栓 )，故受剪性能差，但受拉连接性能 好，且装卸方便，故通常应用于安装连接和需拆装的 结构。
高强螺栓是继铆接连接之后发展起来的一种新型钢结 构连接形式，它已成为当今钢结构连接的主要手段之一。
高强螺栓常用性能等级为8.8级和10.9级。8.8级采用 的是45号和35号或40B；10.9级采用的钢号为合金钢 20MnTiB、40B、35VB。
国内一般将钢结构事故分为两大类。一类是整体 事故，包括结构整体和局部倒塌。另一类是局部事故 ，包括出现不允许的变形和位移，构件偏离设计位置 ，构件腐蚀丧失承载能力，构件或连接开裂、松动和 分层。
就其起因而言钢结构事故分类为材质事故、变形 事故、脆性断裂事故、疲劳破坏事故、失稳破坏事故 、锈蚀事故、火灾事故以及倒塌事故。
2.原因分析
钢结构的加工制作主要是钢构件(柱、梁、支撑) 的制作。钢结构制作的基本元件大多系热轧型材和板 材。完整的钢结构产品，需要通过将基本元件使用机 械设备和成熟的工艺方法，进行各种操作处理，达到 规定产品的预定要求目标。
现代化的钢结构厂应具有进行剪、冲、切、折、割、 钻、铆、焊、喷、压、滚、弯、刨、铣、磨、锯、涂、抛 、热处理、无损检测等加工能力的设备，并辅以各种专用 胎具、模具、夹具、吊具等工艺设备。
故应严格控制其含量，一般不应超过0.035% ～ 0.050% 。
磷是钢材的一种有害杂质。磷虽然能提高钢的强 度和抗锈蚀能力，但会降低钢的塑性、பைடு நூலகம்击韧性、 冷弯性能和可焊性，尤其是磷使钢在低温时韧性降 低而产生脆性破坏，称为“冷脆”现象。
故对磷的含量要严格控制，一般不超过0.035%～ 0.045%。
此类裂纹产生的原因：主要是焊接条件不当，如电压 过低、电流过高，在焊缝冷却收缩时使焊道的断面形状呈 现梨形。
②焊接引起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低， 使钢材硬化、变脆和开裂。
③因焊接产生较大的焊接残余变形。 ④因焊接产生严重的残余应力或应力集中。 ⑤焊缝存在的各种缺陷。如裂纹、焊瘤、边缘未熔 合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等等。
2.原因分析
如图3-57所示，焊缝成形不良表现在焊喉不足、余 高过大、焊角尺寸不足或过大等。
第四节 钢结构工程施工质量 缺陷分析与防治措施
钢结构作为一种承重结构，由于其自重轻、强度 高、塑性及韧性好、抗震性能优越、工业装配化程度 高、综合经济效益显著、造型美观以及符合绿色建筑 等众多优点，深受建筑师和结构工程师的青睐，被广 泛应用于各类建筑中，尤其在大跨和超高层建筑领域 显示出无以伦比的优势。
如图3-58(c)所示。咬肉也称咬边，是在靠近焊缝 表面的母材处产生的缺陷。
产生咬边或咬肉的原因是：电流太大；电弧过长 或运条角度不当；焊接位置不当。咬肉或咬边会造成 应力集中，尤其对结构动载性能及疲劳性能影响很大 。
如图3-58(d)所示。焊瘤是在焊接过程中，熔化的金 属掖滴到焊缝以外未熔化的母体上所形成的金属瘤。
焊缝上的气孔会降低焊缝的机械性能，破坏焊缝 的致密性，尤其是连续气孔或链状气孔的影响远远大 于独立气孔，且特别对动载下疲劳性能的影响远大于 对静力性能的影响。
如图3-58(b)所示。夹渣是指残存在焊缝中的熔渣或 其他非金属夹杂物。
产生夹渣的原因是; 焊接材料质量不好，熔渣太稠 ；焊件上或坡口内锈蚀或其他杂质未清理干净；各层熔 渣在焊接过程中未彻底清除；电流太小，焊速太快；焊 条不当。
一般低碳钢中硅的含量为0.12%～0.30%，低合金 钢中应为0.20%～0.55%。
硫是钢材的一种有害杂质，硫与铁的化合物硫化铁 （FeS）,散布在纯铁体的间层中，在800～1210℃时熔 化而使钢材出现裂纹，称为“热脆”现象。
另外，含硫量增大，会降低钢材的塑性、冲击韧性 、疲劳强度、抗锈蚀性和可焊性。
氧是钢材的一种有害杂质。氧通常是在钢熔融时由空 气或水分分解而进入钢液，冷却后残留下来。氧的有害影 响同硫，且更甚，使钢材“热脆”，一般含量应低于 0.05%。
氮作为有害杂质，可能从空气进入高温的钢液中。 氮的影响与磷相似，会使钢材“冷脆”，一般氮的含量应 低于0.008%。
氢作为有害杂质，通常也是由空气或水分分解而 进入钢液。氢在低温时易使钢材呈脆性破坏，产生所 谓的“氢脆”破坏现象。
一、钢结构的材料缺陷及质量事故
钢结构所用材料主要包括钢材和连接材料两大类。 钢材常用种类为Q235、16Mn、15MnV; 连接材料有铆钉、螺栓和焊接材料。 材料本身性能的好坏直接影响到钢结构的可靠性， 当材料的缺陷累积或严重到一定程度将会导致钢结构事 故的发生。
(一）钢材的先天性缺陷原因及治理
一般工厂制作以焊接居多，现场制作以螺栓连接居 多或者部分相互交叉使用。
1.钢结构的铆接缺陷原因及治理 （1）缺陷的现象及特征 铆接工艺带来的缺陷如下: ① 铆钉本身不合格; ②铆钉孔引起构件截面削弱;
③铆钉松动，铆合质量差; ④铆合温度过高，引起局部钢材硬化; ⑤板件之间紧密度不够。
（2）原因分析
因此作为建筑钢结构材料只能是低碳量，要求 含碳量≤0.22%。对于焊接结构，为保证其良好的可 焊性，通常要求含碳量≤0.20%。
锰的含量过高对可焊性不利，故需加以限制。
普通碳素钢中锰的含量约为0.3% ～ 0.8%，16Mn钢 中锰含量则达到1.2%～0.55%。
适量的硅可提高钢的强度，而对其他性能影响较 小，但含量过高则对钢的塑性、韧性、抗锈蚀能力以 及可焊性有降低作用。
2.原因分析
化学成分对钢材的性能有重要影响。从有害影响的 角度来讲，化学成分将产生一种先天性缺陷。
就Q235钢材而言，其中Fe约占99%，其余的1%为C 、 Mn、Si、S、P、O、N、H。它们虽然仅占1%，但其 影响极大。
碳的含量愈高，钢材的强度愈高，但其塑性、 韧性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性以及抗锈蚀性 能等都显著降低，尤其是可焊性和负温冲击韧性。
高强螺栓通常包括摩擦型和承压型两种，而以前者应 用最多。摩擦型高强螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0～ 1.5mm。高强螺栓连接具有安装简便、迅速、能装能拆 和受力性能好、安全可靠等优点，深受用户欢迎。
（3）处理与防治 应严格按栓接工艺要求进行施工及质量控制。
3．钢结构的焊接缺陷原因及治理
（1）缺陷的现象及特征