鋼結構在低溫條件下質量問題及預防

◎ 內蒙古呼倫貝爾金新化工有限公司 陳濤

鋼結構是以鋼材制作為主的結構，是主要的建筑結構類型之一。鋼結構目前多以用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成。隨著我國城市化、現代化的提速，建筑業快速發展，鋼結構在建筑中的應用越來越多。特別是二十世紀90年代以來，我國大量的超高層建筑、工業廠房、體育場館及其他眾多公共設施建筑都采用了鋼結構，一些地方的大型標志性建筑如北京的鳥巢、水立方等奧運場館以及央視大樓、京廣中心，上海的金茂大廈、國際金融中心，深圳的地王大廈等都應用了鋼結構。2008年，我國鋼結構產量達到2180萬噸，顯示出在我國鋼結構已經得到大量應用。

1 鋼結構的特點

鋼結構類型多樣，包括高層鋼結構、空間鋼結構、橋梁鋼結構、輕鋼鋼結構、住宅鋼結構和鋼結構廠房等工業與民用建筑。如此種類繁多的鋼結構均具有以下的一些特點，因此得以在工業、民用建筑中得到廣泛應用。

1.1 強度高。強度高是鋼結構最重要也是最醒目的特點之一。眾所周知的是，鋼材的強度在所有的建筑材料中是最高的。鋼材和其他建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，其強度要明顯大于后者幾種材料。因此，在跨度大或荷載很大特別的構件和結構中非常適合選用鋼材作為主要建筑材料類型。

1.2 自重輕。因為鋼結構具有高強度的特性，鋼材的強度與密度比要比混凝土大得多，鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大，在同等負荷情況下鋼結構整體質量卻比鋼筋混凝土結構輕。

1.3 材質均價、可塑性和韌性好。鋼材的內部組織比較接近于勻質和各向同性體，而且在一定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質量可以嚴格控制，材質波動的范圍小。鋼材還具有塑性和韌性好的特點。鋼結構在一般條件下不會因超載而突然斷裂，這是它的韌性好的表現，說明鋼結構對動力荷載的適應性強。

1.4 抗震性能優越。鋼結構由于具備良好的韌性和剛度，在抗拉強度上的表現要遠好于混凝土，受壓時又能較好滿足穩定的要求，因此具有較好的抗震性能。

1.5 制造、安裝工藝要求簡便，施工快速。鋼結構所用的材料單純而且是成材，加工比較簡便，并能使用機械操作，可以工業化批量生產，因此大量的鋼結構一般在專業化的金屬結構廠做成構件，并能達到較高精度。在施工過程中，一般采用普通螺栓和高強度螺栓進行現場拼裝，或在地面拼裝焊接后進行吊裝，可以有效縮短施工工期。

2 低溫條件下的鋼結構質量問題分析

研究表明，溫度對鋼材的性能有顯著影響。在0℃以上，當溫度升高時，鋼材的強度及韌性均有變化。當溫度在0℃以下時，隨著溫度的下降，鋼材的強度略有提高，而塑性和韌性降低，脆性增大。尤其是溫度降低到一定溫度區間時，鋼材的沖擊韌性值急劇下降，出現低溫脆斷。通常把鋼結構在低溫下的脆性破壞稱為“低溫冷脆”現象，產生的裂紋稱為“冷裂紋”。

在低溫條件下造成冷裂紋，致使出現“低溫冷脆”現象的因素有：

1.1 材料質量不合格。鋼材及鉚釘、螺栓等連接件的質量不合格。當鋼材中碳、磷、氮、氫等元素的含量過高時，將會嚴重降低其塑性和韌性，脆性則相應增大。通常，碳導致可焊性差；磷、氮導致“冷脆”；氫導致“氫脆”。另外，鋼材的冶金缺陷，如偏析、非金屬夾雜、裂紋以及分層等也將大大降低鋼材抗脆性斷裂的能力。

1.2 焊接質量不合格。焊接是鋼結構的主要連接方式，雖然有眾多的優點，但不利的是，焊縫缺陷，以及殘余應力的存在往往成為應力集中源。資料顯示，焊接結構脆性破壞事故遠遠多于鉚接結構和螺栓結構。主要是因為：（1）焊縫或多或少存在一些缺陷，如裂紋、夾渣、氣孔、咬肉等。這些缺陷將成為斷裂源；（2）焊接后結構內部存在的殘余應力又分為殘余拉應力和殘余壓應力，前者與其他因素組合作用可能導致開裂；（3）焊接結構的連接往往剛性較大，當出現多焊縫匯集時，材料塑性變形很難發展，脆性增大；（4）焊接使結構形成連續的整體，一旦裂縫開展，就可能一裂到底，不像鉚接或螺栓連接，裂縫一遇螺孔，裂縫就會終止。

1.3 設計選材不合理。合理的設計應該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、載荷特征、應力集中等因素后，再選擇合理的結構形式，尤其是合理的構造細節十分重要。在低溫高寒地區更要重點考慮。

1.4 制作參數不合理、鋼材與焊接材料不匹配。在鋼結構制作過程中，冷熱加工易使鋼材硬化變脆。鋼材與焊接材料不匹配焊接尤其易產生裂紋、類裂紋缺陷以及焊接殘余應力。

1.5 安裝時管理混亂。安裝時管理混亂易發生工藝選擇不合理，容易造成裝配殘余應力及其他缺陷。管理混亂還容易導致材料亂用或混用，造成缺陷產生。

1.6 應力不合理集中造成的影響。鋼材雖然具有良好的韌性，當鋼材在制作鋼構件時，由于工藝要求在其上進行加工處理，會出現孔洞、槽溝、凹角、截面、裂紋等結構變化和結構缺陷，加工工藝的不合理及不規范操作，這些缺陷將被放大引起應力不合理集中，在低溫環境下，應力不合理集中到一定程度造成鋼結構破壞的概率要高于常溫條件。

3 應對措施：

3.1 嚴格把握材料質量關。鋼材及鉚釘、螺栓等連接件的質量直接影響到鋼結構的質量穩定，要嚴格把好鋼材質量關和鉚釘、螺栓等連接件的質量關。鋼材質量應符合相關質量規范要求；螺栓、鉚釘應符合質量標準。因為鉚釘比較耗鋼，施工工藝復雜，目前已較多地被普通螺栓和高強度螺栓連接代替。

3.2 設計選材要求合理。選定合適的連接方案和節點構造是鋼結構設計中重要的環節，設計時盡量保證結構的幾何連續性和剛度的連貫性，連接部位應有足夠的強度、剛度及延性，各連接構件間應保持正確的相互位置，以滿足傳力和使用要求，應力求使缺陷引起的應力集中減少到最低限度。比如，把結構設計為超靜定結構并采用多路徑傳力可減少脆性斷裂的威脅；接頭或節點的承載力設計應比其連接的桿件強度高20%-50%；構件斷面在滿足強度和穩定的前提下應盡量寬而薄。增加構件厚度將增加脆斷的危險，尤其是設計焊接結構應避免重疊交叉和焊縫集中。

3.3 加強施工現場管理。加強施工現場管理，選擇合理的施工工藝，明晰材料的使用和方法，正確匹配焊材和鋼材，特別是注意施工質量節點，要規范施工，盡量減少焊縫中可能存在的裂紋、氣孔、燒穿和未焊透等缺陷。對焊縫裂縫原則上是重焊。

3.4 出現裂縫后，及時采取加固或更換構件等措施。在出現裂縫后，如果是材料本身的原因，應及時采取加固或更換構件的措施。如果結構不重要，構件的裂紋細小時，可采取以下措施：

（1）用電鉆在裂縫兩端各鉆一直徑約為12-16mm的圓孔（直徑大致與鋼板厚度相等），裂縫末端必須落入孔中，減少裂縫處的應力集中。

（2）沿裂縫邊緣用氣割或風鏟加工成K形坡口。

（3）裂縫端部及焊縫側金屬預熱到150-200℃，用焊條堵焊裂縫，堵焊后用砂輪打磨平整。

（4）對于鉚釘連接附近構件裂縫，可采用在其端部鉆孔后，用高強度螺栓封住。

3.5 鋼板夾層缺陷處理。鋼板夾層是鋼材最常見的缺陷之一，往往在構件加工前不易發現，當發現時已經成為半成品或成品，或已經用于結構使用，因此要重視鋼板夾層缺陷處理。

3.6 建立日常維護制度。鋼結構在日常使用時，應力求滿足設計規定的用途、荷載及環境，不得隨意變更。應建立日常的維修維護制度，制定日常維修對策和措施，監視缺陷或損壞情況，以防患于未然。

4 結束語

在低溫條件下鋼結構發生質量問題除鋼材自身的化學成分影響外，還受到設計選材、施工工藝等因素的影響，應科學設計，合理選材，嚴格施工管理，選擇合理的施工工藝，注意日常維護監控，以保障鋼結構的質量，保證鋼結構建筑物的安全使用。