试论钢结构的裂缝成因分析及防范措施

试论钢结构的裂缝成因分析及防范措施

宋沅昊

宋沅昊250061山东大学土建学院

【摘要】钢结构裂缝防治是钢结构安装过程中的一个重要方面，能否正确分析钢结构裂缝成因并采取相应的防范措施，直接关系到钢结构的安全防护作用能否得到实现。笔者以某石化工程钢结构安装为例，分析了产生裂缝的原因，在此基础上探讨了相应的裂缝防范措施。

【关键词】钢结构；裂缝；防范措施

引言：近年来，虽然我国的钢结构裂缝防治工作取得了很大的积极进展，但我们还是必须清醒认识到，随着钢结构施工工程的不断增多，一些与钢结构裂缝有关的安全事故依然时有发生，因此，当前钢结构施工的总体安全形势依然不容乐观。总体而言，目前在钢结构安装方面还是未能彻底消除重大安全隐患，无法有效遏制特大事故的发生，而这一切都与钢结构裂缝息息相关。由此可见，钢结构裂缝防治工作做得到位与否不仅关系到施工人员的个人生命安全，而且关系到社会主义和谐社会的构建以及全面建设小康社会的大局。本文首先对钢结构裂缝的成因进行分析，在此基础上提出相应的防范措施，以期能更好地指导钢结构安装工程实践。

一、钢结构裂缝的产生

笔者曾在某安装工地实习，2012年1月13日，在例行安装现场巡检中，施工人员发现工程框架梁和支座梁两者之间的连接节点腹板处存在裂缝，立即向安装和承接单位报告，接到报告后，安装和承接双方立即进行现场调查，调查结构显示裂缝缺陷位于平台钢结构主次梁焊接部位。发现裂缝位置后马上进行探伤，并对裂缝梁的材料委托专业单位进行现场取样分析和硬度检测。经过复检发现，本工程采用的15根同类梁中只有这一条出现裂缝，主要是主次梁腹板之间的连接焊缝处出现裂缝，且产生于焊接结构处的裂缝属于个别现象，在结构的热影响区，裂缝形状是围绕接头呈半弧形。

二、钢结构裂缝成因分析

低合金钢是大多数蒸馏平台钢结构的首选钢材，通过严格复检进厂的各种原材料，发现其力学性能和化学成分都能满足《低合金高强度结构钢》的要求，且经过现场取样和硬度检测发现，力学性能和化学成分也能达到国际标准。该钢种在正常情况下不容易产生焊接裂缝，且具备良好的可焊性，而且通过观察安装现场的裂缝分布，可知焊接接头的热影响区是裂缝的主要分布区域，具有延迟性。通过以上分析，可以确定本工程出现的钢结构裂缝是延迟裂缝，属于焊接冷裂缝的一种。该种裂缝产生的原因主要有以下几种。

（一）施工人员私自增加焊接补强板

在设计梁结构的过程中没有考虑增加补强板和筋板，因此在安装前施工人员先进行补强焊接，即在腹板侧焊接一块补强板，然后再插入次梁，最后才安装梁腹板。这样做相当于在主梁腹板处将梁腹板紧贴补强进行了二次焊接，致使焊缝密度在局部区域超过规定值，进而造成的严重后果就是在焊接时这些部位不得不承受过大的拘束应力，而冷裂缝的产生往往和拘束应力过大息息相关，这就在很大程度上增加了钢结构裂缝产生的可能性。

（二）焊接工艺制定和执行不良，现场条件差

目前为防止缺陷产生，焊接工艺技术措施主要包括：焊接之前先进行预热，焊接完成后缓慢降温；根据实际情况合理选择工艺参数和焊条，使用保温箱按规定时间和温度进行加热保温等。

裂缝产生处的主材翼板分别为30和24mm厚，腹板分别为14和13mm厚，该结构腹板间角焊道在无拘束度常温下可以不进行预热和焊后缓冷。按照《铁路钢桥制造规范》的有关规定，高强度低合金结构钢的焊接环境温度必须高于5摄氏度。当地气象部门的气温数据表明，裂缝发生时该工程钢结构处于-7至-19摄氏度环境下，严寒对焊接过程产生了很大影响，但并未采取任何有效防护措施，并且在焊接完成后也没有采取应力热处理措施进行良好保温，焊缝周围产生的张力来源于焊缝金属过快的冷却，而淬硬的马氏体组织也在焊缝中出现了。相对于低碳钢来说，低合金钢含有较多的低碳合金元素，具有较高的裂缝出现倾向和材料淬硬倾向。焊缝金属很容易在残余应力超过材料屈服极限时发生塑性变形，当变形量达到材料承受极限时，裂缝就会产生。

露天低温环境的湿度比较大，在这种条件下焊接钢结构如果不能事先采取严格的领用、保温和烘干焊条的措施，就会导致焊条药皮中的水分过高；冷裂缝产生的另一个潜在原因就是焊缝金属中氢的聚集。

（三）荷载分布不合理，构造刚性约束大

该结构在梁焊接时已经吊装罐体，中端部已受刚性约束，通过临时支撑已将罐体荷载传递到平台梁上，没有合理选择临时支撑位置，以罐体中心为重心，在该次梁上重心向A轴一测只存在一个支撑点，这就导致该次梁承受的荷载相对较大，而框架梁腹板上的荷载正是来源于该次梁通过焊接接头的传递，这就导致腹板处的内应力大大增加，从而增大了焊缝区残余应力。“先卸载后施焊”是在荷载存在情况下必须秉承的原则，主梁腹板焊缝区拘束应力过大是由于施工时没有对焊接时荷载的因素加以认真考虑所致，最终导致裂缝的产生。

总之，钢结构焊接冷裂缝的产生主要是因为没有采取适当措施，导致在焊缝中形成淬硬组织；再加上焊接时荷载过大以及封闭的刚性约束，使焊接接头部位承受过大的拘束应力。

三、钢结构裂缝防范措施

钢结构裂缝防范措施主要包括以下几点：1.选择有资质证的、经验丰富的焊工和补修人员；2.增加焊缝收缩自由度，卸除荷载缺陷处荷载；3.采用超声波探伤定位焊缝缺陷，可见范围两端各加50mm。通过采用砂轮加碳弧气刨对渗碳层进行打磨，从而剔除焊缝缺陷。为确保剔除部位正确，必须安排专业补修焊工剔除缺陷，确保不在母材和返修区域上造成新缺陷；4.选择低氢型焊条材料如E5016或E5015。采用规格1.2mm的ER50-6气体保护焊丝，使用含水符合GB50205要求的纯二氧化碳或富氩混合气，做好保温和烘干工作；5.彻底清理干净焊道周围20mm范围内的油污、水、锈等杂质，采用8mm碳棒在次梁测打磨干净渗碳层，控制深度在8mm左右，可采用气体保护焊或用手工电弧焊施焊。通过减慢焊速，适当加大电流，可有效防止敏感的第一道焊根和焊缝出现裂缝。在第一遍焊接完成后要对焊道进行彻底清理。为了减少焊接残余应力产生，应该采用分段间隔焊跳焊或多层多道焊。要求连续施工，在完成一面焊接后在腹板另一侧进行补焊，如果在焊接中途因故停焊，则必须在再次施工前对焊道质量进行检查并进行再次预热，方可继续进行焊接。为防止应力集中，焊缝不得存在咬边、裂纹、夹渣和弧坑。6.为防止焊接区域因冷却过快而产生裂缝，必须进行焊后处理。在焊缝两侧100mm范围内加热至200摄氏度，消除应力和消氢一小时，最后采用石棉进行缓冷保温。

四、结论

综上所述，在采取以上防范措施后，通过超声检验和目视检查现场返修焊道，并未在焊缝表面发现裂缝缺陷，经过一段时间后再次复检也未发现延迟裂缝。由此可见，上述分析的裂缝产生原因基本正确，所采取的方法措施效果良好。在现场安装方面，本工程的钢结构裂缝防治经验能够对以后复杂环境条件下的钢结构安装起到很大借鉴作用。

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