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1、4 钢结构工程中的质量控制、缺陷和事故,土木工程质量缺陷事故分析及处理,钢结构工程,钢结构工程,吉隆坡双子塔,钢结构工程旧金山金门大桥,钢结构工程,巴黎埃菲尔铁塔,钢结构工程圣路易斯盖特威拱门,钢结构工程,帝国大厦,悉尼歌剧院,钢结构工程,本 章 提 要,1、钢结构缺陷的形成,3、钢结构的事故及缺陷,4、钢结构质量事故案例分析,2、钢结构工程质量控制要点,4.1 钢结构缺陷的形成,4.1.1钢结构工程的特点,（1）材料：单一匀质、强度大，塑韧性好、易腐蚀耐火性差、可焊性（2）构件：截面较小、薄而轻、受力较可靠（注意连接）,（3）结构：以轻型、薄壁和重型、大跨、高层结构为主（4）制造：工业化程度
2、最高（原因）、较快发挥投资收益,答：一、钢材出厂前的缺陷（化学、物理力学性能） 二、构件制作、安装过程中的缺陷,问：钢结构缺陷主要来源于？,1、钢材的分类：（碳素钢和合金钢）（1）低碳钢（中铁99%、碳0.22%）（2）低合金钢（锰、钒、镍、铬）,4.1 钢结构缺陷的形成,4.1.2钢材性能,2、钢材的连接材料连接材料的选用，需适应焊接场地、焊接方法、焊接方式（1）焊材 焊条：手工电焊多采用焊条焊丝自动或半自动埋弧焊多采用焊丝焊剂（2）螺栓（普通螺栓、高强度螺栓） 高强度螺栓主要桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接,（2）有害元素： A、磷（P）0.035-0.045%、强度、严重降低塑、韧性，
3、 冷弯可焊 B、硫（S）0.035-0.05%、变脆 C、氧（O）0.05%、机械性能 D、氮（N）0.008%、蓝脆现象 E、氢（H）氢脆现象,4.1 钢结构缺陷的形成,3、钢材的化学成分：（1）微量元素：A、碳（C）0.22%、含碳量与强度、硬度等性质的关系B、锰（Mn）0.8%、冷脆性能C、硅（Si）0.3%、强度D、钒（V）0.12%、高温稳定E、铜（Cu）0.15-0.25%、大气抗腐蚀性、热脆现象,（4）可焊性（施工可焊、使用可焊）（5）疲劳（循环力反复作用、循环次数和应力特征）（6）冷脆（温度下降，脆性、韧性降低的现象；形成原因）（7）腐蚀（大气腐蚀、介质腐蚀、时效腐蚀）（8）时
4、效（人工时效）,4.1 钢结构缺陷的形成,4、钢材的物理力学性能（1）拉伸性能（试验四阶段） 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段（2）冲击韧性（抵抗冲击荷载、冲击韧性试验）（3）冷弯性能（常温承受弯曲变形的能力工艺性能）,2、钢材出厂前的其他缺陷（1）发裂（气泡、非金属杂质；表现；分布位置；修复方法）（2）夹层（温度、压下量、气泡；修复方法）（3）微孔（钢锭头部空腔；修复方法）（4）白点（含氢量、应力；表现；修复方法）,4.1 钢结构缺陷的形成,4.1.3轧制过程及出厂前的其他缺陷,1、轧制过程（1）冷轧只用于生产小号型钢和薄板（2）热轧（细化晶粒、高温焊合气泡、裂纹和酥松力学性能改善）
5、缺陷：分层、残余应力,1、钢结构的连接方式 焊接（应用较广）、螺栓连接、铆钉连接 操作方式 一般通过电弧产生热量使焊条和焊件局部熔化，然后经冷却凝结成焊缝，从而使焊件连接成一体 焊接优点 无需设连接板而直接连接且不削弱焊件截面、构件简单、节省材料，焊接刚度大，密度性能好 焊接缺点焊缝附近热影响区的材质变脆，一旦产生局部裂纹便易于扩展,4.1 钢结构缺陷的形成,4.1.4焊接的影响,2、焊接的影响（1）焊接金属具有铸造组织 针对多层焊焊接前后温度差距造成（2）焊接金属的氮、氧、氢含量高 气体来自空气中 焊条本身具有 宜采取：短弧焊、埋弧焊和气体保护焊,4.1 钢结构缺陷的形成,（3）产生焊接残余
6、应力 变脆的三个方向：A、沿焊缝长度方向；B、垂直于焊缝长度方向；C、沿厚度方向 不利影响：钢材变脆、构件刚度降低（受拉是截面变小）,4.1 钢结构缺陷的形成,（4）产生焊接变形 原因：不均匀加热，在焊接区局部产生了热塑性压缩变形，冷却产生变形 缺陷表现：纵向收缩、横向收缩、弯曲、扭曲、角变和失稳 减轻变形措施：合理的施焊顺序、合理的工艺措施 注意点：焊接变形如果超过钢结构工程施工质量验收规范的规定值，必须矫正,矫正方法：机械冷矫正法、火焰热矫正法,4.1 钢结构缺陷的形成,（5）焊接头缺陷 裂纹：施焊工艺、材料以及设计细节 未熔合及未焊透：工艺方面 夹渣：焊层间清理不彻底、焊速过快、熔渣来不
7、及浮出 气孔：材料、工艺和环境,注意：对于焊接或接头缺陷检验 表面缺陷：肉眼或放大镜观察 内部缺陷：超声波探伤或射线探伤,1、螺栓等级划分 螺栓按照性能等级分为3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、8.9、8.10、10.9、12.9共10个等级，其中3.66.8级为普通螺栓，8.812.9为高强度螺栓 等级划分两数字的含义：抗拉强度、材质的屈服比,4.1 钢结构缺陷的形成,4.1.5螺栓连接可能产生的缺陷,4.1 钢结构缺陷的形成,2、螺栓用钢与建筑用钢的区别 螺栓用钢：含碳量0.22% 建筑用钢：含碳量0.55%,原因：螺栓截面较小，没有可焊性要求，可通过提高含碳量，从而
8、获得必要的强度和硬度,3、螺栓常见缺陷,4.1 钢结构缺陷的形成,延迟断裂（强度越高，延迟断裂敏感性越大） 原因：氢的含量超标 来源：空气中的氢入侵到螺栓内部中、酸洗或电镀等加工处理过程中侵入钢的氢,不同连接副之间的螺栓、螺母和垫圈随意交换使用 螺栓不同规格在出厂前都是做过配套试验的，有固定的扭矩系数，随意调换使用后果预应力、抗剪力下降，造成断裂,4.2.1原材料及成品进场,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,注意：钢板、圆钢、槽钢、角钢、扁钢等不同形式的钢检验项目和标准不同，以热轧钢板检验为例进行说明：,1、钢材、刚铸件的品种、规格、性能等应符合现行国家产品标准和设计要求。进口钢材产品的质量
9、应符合设计和合同标准的要求,热轧钢板检验项目与验收标准,2、对特殊的钢材要注意复检，包括以下几种：,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,（1）国外进口钢材，没有进出口国家复检商检报告 （2）钢材混批 （3）板厚大于或等于40mm，且涉及有Z向性能要求的厚板,（4）建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要受力构件所采用的钢材 （5）设计有复检要求的钢材 （6）对质量有疑义的钢材,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,3、钢材的焊接材料、防腐涂料、稀释剂和固化剂等的品种、规格、性能应符合现行国家产品标准和设计要求,依据： （1）钢结构工程施工质量验收规范 （GB502052001） （2）焊接球节
10、点钢网架焊接超声波探伤方法及质量分级法（BJ/T3034.1）,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,4、控制要点：,（1）保证钢材的屈服强度（2）切割质量（3）构件外观（4）构件允许误差,4.2.2焊接工程,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,（1）焊工分类： 手工操作焊工 机械操作焊工（2）焊工进场要求（3）施工单位检查要点（4）焊接图片展示,1、焊工持证上岗,焊接图片展示,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,（1）焊工工艺包括： 焊条，焊接接头及质量检验，焊条电弧焊，焊接应力及变形，埋弧焊，气体保护电弧焊，气焊与气割等内容（2）控制：设置专门焊接技术员（制定焊接工艺实施方案）、动态控制（责
11、任落实带每一名焊工）,2、焊工工艺的控制,（3）焊接工艺实施方案依据：施工要求、图纸及相关规程规范等（4）对焊接外观质量（裂纹、夹渣、焊瘤等），尺寸偏差等进行严格控制，保证符合现行国家相关标准,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,检验内容：焊口检验率、焊工技能、焊接机械和焊接材料等 检验步骤：A、焊工自检（一检）B、监理及质检员二检（依据：火电施工质量检验及评定标准） 不同等级焊缝进行不同的检验 A、一级焊缝进行100%检验 B、二级焊缝抽检比例20%,（5）焊接质量检验：,4.2.3螺栓连接工程,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,（1）控制内容： 大六角头螺栓的扭矩系数、扭剪距螺栓的紧固力
12、和摩擦面抗滑系数 （2）高强度螺栓的紧固顺序 刚度大的部分不受约束自由端 中间四周（以便板间紧密）,1、施工前的控制,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,紧固件的储存应符合有关规定： （1）防潮、防雨、防粉尘 （2）按类型、规格不同分类存放 （3）控制发放与回收,2、紧固件的储存控制,3、控制施工顺序、施拧顺序及参数符合设计要求和验收标准（施拧必须分两次拧紧）,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,螺栓连接面保持整洁干燥，除设计要求外不得涂漆，螺栓应自由穿入螺栓孔，不得随意更换螺栓、螺母，保证扭矩系数等参数值与配套试验一致,4、施工时的质量控制,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,1、构件必须符
13、合设计要求2、垫铁规格、位置必须正确3、构件中心、标高基准点等标记完备4、构件外观表面干净5、安装的允许偏差和检验方法符合要求,4.2.4钢结构安装时质量控制要点,4.2 钢结构工程施工质量控制要点,1、油漆邓种类和质量必须符合设计要求2、钢材基层处理好3、涂刷均匀、色泽一致4、干漆的厚度要求,4.2.5钢结构油漆工程控制要点,4.3 钢结构失稳事故,1、原因：钢材的强度高，用它制成的构件比较细长，截面相对较小，组成构件的板件宽而薄 2、案例分析p140 实例4.9悬伸桥悬臂受压下弦失稳造成大桥突然倒塌,4.3.1失稳破坏的突然性,4.3 钢结构失稳事故,1、轴心压杆失稳的其他形式 扭转屈曲
14、弯扭屈曲 2、计算长度 计算长度系数=计算长度/实际杆长 3、施工质量低劣也会影响到结构的稳定,4.3.2值得注意的几个问题,1、性质最危险的破坏形式之一2、影响因素 钢材的化学成分 钢材的力学性能（塑性、冷弯性、冲击韧性等） 构件的板厚 构件制作加工的缺陷 低温和动荷载,4.4.1钢结构脆性断裂,4.4 钢结构脆性断裂及疲劳破坏,3、案例分析 p143实例4.104.12,（1）合理设计 正确选材 采用正确的构造形式 （2）正确制造（钻孔或冲孔再扩孔、残余应力、焊接工艺、技术措施、检验制度） （3）合理使用（不得任意改变结构使用用途或任意超负荷使用结构、平时的检查和养护）,4、防止脆性断裂的
15、措施,4.4 钢结构脆性断裂及疲劳破坏,1、定义 钢结构的疲劳破坏是裂纹在重复或交变荷载的长期作用下不断开展，最后达到临界尺寸而出现的断裂2、三阶段 裂纹的形成、裂纹的缓慢扩展、裂纹的迅速断裂3、原因 应力循环次数、应力比、应力幅、钢材的抗疲劳性能、较大的应力集中、加工制作缺陷,4.4.2 钢结构疲劳破坏,4.4 钢结构脆性断裂及疲劳破坏,1、影响 使构件截面减小，腐蚀产生的“锈坑”会引起应力集中，导致构件或结构发生脆性断裂破坏 2、案例分析（p146实例4.13） 3、钢材的应力腐蚀 定义：指受固定拉伸应力作用的金属材料在某些特定的腐蚀介质中，由于腐蚀介质与应力的协同作用而发生的脆性现象 腐
16、蚀开裂三条件：敏感材料、特定环境、拉伸应力,4.5.1 钢结构锈蚀破坏,4.5 钢结构脆性断裂及疲劳破坏,1、钢结构燃烧中的行为特点 2、钢结构的火灾事故 p149实例4.14若干起火灾事故,4.5.2 钢结构的火灾破坏,4.5 钢结构脆性断裂及疲劳破坏,1、特点 承重构件有薄壁细长杆件组成 荷载计算、计算简图和 实际值较接近 制造安装和使用中出现的各种缺陷，使钢结构屋盖成为钢构件中最严重的构件之一 2、案例分析 p149实例4.15体育馆网架结构失稳事故,4.6.1 屋盖结构质量事故,4.6 事故案例分析,案例分析p152实例4.16宜宾小南门金沙江大桥吊索断裂事故,4.6.2 锈蚀引起钢绞线吊索断裂事故,4.6 事故案例分析,
