鋼結構厚板層狀撕裂及其防止措施研究

梁新芳

摘要：鋼結構的厚板層非常容易出現一種脆性的斷裂就是層狀撕裂，主要發生的部位為十字形的接頭位置、T型的接頭位置以及角接接頭位置。本文主要針對鋼結構的厚板層狀撕裂產生的主要原因進行了細致的分析，然后對鋼結構厚板層狀撕裂產生的主要因素進行了分析，最后結合層狀撕裂產生的原因提出了相應的防止鋼結構厚板層防止層狀撕裂的主要措施。本文對厚板的鋼材選材及防止鋼結構厚板層狀撕裂產生有一定的指導作用。

關鍵詞：鋼結構；鋼材厚板；層狀撕裂；防治措施；鋼材選材

1.前言

伴隨著社會的不斷發展，經濟水平的不斷進步，大量的工程建筑開始興起，鋼結構厚板作為主要的原材料大量的應用于建筑工程、大型橋梁、海洋平臺及壓力容器等工程建設中。在實際的生產過程與建筑工程中，涉及到的鋼結構厚板主要應用于高層建筑或者是跨度大的空間結構，厚板的厚度一般在50mm-140mm之間；在橋梁工程中，厚板的鋼材料主要用于箱梁等位置，厚度一般為40mm-90mm左右。這是鋼結構厚板的主要應用狀態，但是由于材質問題鋼結構厚板很容易出現層狀撕裂，影響使用，下面著重對鋼結構厚板的層狀撕裂的一系列問題進行分析。

2.鋼結構厚板層狀撕裂產生的原因

鋼結構的力學性能受到厚板鋼材的冶煉工藝、軋制工藝的影響，這些因素導致鋼結構厚板的力學性能存在差異，再加上一些非金屬類雜物的存在，很容易導致鋼板產生分層現象，當承受的拉應力是厚度方向的時候就產生層狀撕裂。由于鋼板厚度和結構體系逐漸變得復雜化，也導致了焊接過程中的難度系數增加，這樣就很容易使得鋼材在沿著板厚的方向呈現層狀撕裂。

鋼結構厚板的層狀撕裂不僅可以發生在焊接中，也可以發生在焊接后的冷卻過程中，當焊接過程完成之后還可能由于外加力的影響再產生層狀撕裂。發生層狀撕裂的需要滿足以下幾個條件，首先，鋼材的材質問題，需要含有大量的硫元素，并且厚度低的碳鋼或者低合金鋼、沉淀強化程度低的合金鋼等，這些厚板中的夾雜物往往呈現出條狀分布，分布特征混亂；其次需要有Z向的拉伸應力，這個應力的強度必須夠大，此外焊接的殘余應力，拘束應力及沿板厚方向的外荷載都可能導致z方向的拉應力的產生。

鋼結構厚板層狀撕裂的主要原因是由于鋼板中夾雜的物質本身沒有足夠的強度并且夾雜物與金屬整體的結合度不高，所以就很容易受到外界應力的干擾，當在鋼板的厚度方向出現焊接拘束應力、焊接殘余應力時，這些夾雜物就會與整體的金屬結構發生剝離，從而產生裂紋，裂紋產生之后伴隨著外荷載力的不斷增加，就導致裂紋尖端的應力強度因子不斷擴大，然后就會加劇裂紋的擴展，當出現兩條層狀撕裂裂紋的尖端非常靠近的時候，兩條裂紋的尖端在塑性變形區進行接觸，這時就會產生大裂紋。

3.鋼結構厚板層狀撕裂的主要影響因素

鋼結構厚板層狀撕裂產生的因素有很多，主要是由于鋼材材質的影響、接頭應力狀態的影響以及焊接時工藝的影響，下面就這三種主要的影響因素進行細致的分析。

3.1鋼材材質的影響

由于鋼材的材質對鋼結構厚板的層狀撕裂影響非常大，所以首先分析鋼材結構對層狀撕裂的影響。由于鋼材的材質不是純凈物，往往有很多夾雜著雜質，最常見的雜質有硫化錳、二氧化硅等，這些夾雜物雖然與整體金屬有一定的結合力的，但是結合力往往比整體金屬本身的強度都低，所以這些夾雜的雜質就很容易導致層狀撕裂的產生，當由于夾雜物導致的鋼結構厚板的層狀撕裂的產生時需要考慮雜質的分布形態及分布的尺寸。例如當在鋼板的軋制方向存在大量的氧化錳的時候，層狀撕裂一般呈現出階梯狀，當有大量的二氧化硅存在時層狀撕裂一般呈現出直線條狀。對鋼材的抗撕裂能力一般需要根據鋼板厚度的方向的拉伸斷面的收縮率進行評定，一般來說沿著鋼板厚度方向的斷面的收縮率越高，這塊鋼材的抗撕裂能力越好。因此，對鋼材產生層狀撕裂現象進行分析時需要考慮到鋼材的化學組成、夾雜物的成分及鋼材本身的塑性和韌性的影響。

3.2接頭應力的狀態的影響

在鋼結構體系的設計過程中，由于實際需要，設計時往往不可避免的導致一些十字形接頭、Z字型接頭及T字型接頭的產生，當出現這些接頭形式時，往往會增加鋼結構產生層狀撕裂的敏感程度。由于鋼結構的應力體系是非常復雜的，所以就使得焊接接頭中鋼板厚度方向的受力增大，這樣也在一定程度上增加層狀撕裂產生的可能性。所有這些都說明強大的拉伸應力是導致鋼結構厚板產生層狀撕裂的主要原因，在焊接時產生的不同的接頭方式對接頭處的應力就會不同，這樣就導致整個金屬鋼板對于層狀撕裂的敏感程度不同。

3.3焊接工藝的影響

鋼結構的焊接工藝是非常復雜的，焊接工藝對層狀撕裂產生的原因也是相當復雜的。焊縫的尺寸、焊接坡口的構造、接頭的加工精度、對構件進行切割時使用的切割方法、焊接材料的選擇、焊接金屬的強韌程度、焊接的順序、焊道層次、焊接熱輸入量及層間溫度等對于鋼結構厚板產生層狀撕裂都有重要的影響，由于氫脆作用對厚板的層狀撕裂有很大的影響，所以在焊接過程中盡可能使用低氫型的焊接材料，就能夠大大減低層狀撕裂的產生。

4.鋼結構厚板層狀撕裂的主要防止措施

4.1嚴格進行鋼板的選材

首先，對受力比較復雜的鋼結構厚板適合選擇在鋼板的厚度方向有具體的性能要求的鋼板，一般來說，Z向鋼板比較昂貴，所以如果在選材的時候盲目的選擇z向鋼板會造成浪費，所以需要結合具體的焊接需要進行選材，例如當沿著厚板方向有拉應力存在時，特別是由于外部載荷導致的拉應力持續存在時就需要考慮采用Z型鋼板，不然就很容易產生層狀撕裂，所以選用Z型鋼板能夠大大提高鋼板的抗撕裂能力，從根本上解決鋼結構厚板層狀撕裂的產生。其次，對于鋼材中的S元素的含量進行控制，減少鋼材的層狀偏析；最后在選材時需要對于每塊材料進行檢查，當發現鋼板存在裂紋、夾層及分層時就不能使用，這樣就能從根本上防止有缺陷的鋼材流入到實際的加工過程中。

4.2對結構焊接接頭進行嚴格設計

由于焊接接頭對層狀撕裂的影響是非常大的，所以在設計時需要對整體結構中涉及到的焊接接頭進行嚴格的設計，首先需要將接頭的設計進行改良，對于節點的選擇尤其需要謹慎：其次，對于坡口的選擇，在滿足焊接前的設計要求的前提下，對于坡口的形式。角度以及間隙進行合理的選擇，最大限度的將焊縫截面和焊縫的收縮應力減少，這樣就能減少鋼材厚板方向所承受的拉應力，防止出現層狀撕裂。

4.3采用合理的加工工藝和焊接工藝

在加工過程中需要選擇合理的加工工藝和焊接工藝，例如盡可能選擇低氫型的焊條，這樣能夠使得冷裂的傾向小，改善抗撕裂性能；采用低強組配的焊接材料，這樣能夠增加焊接金屬的延展性，促進應變集中在焊縫處，這樣就能減輕整體材料的應變，改善鋼結構的抗撕裂的性能。

5.結語

綜上所述，導致鋼結構層狀撕裂產生的主要原因是鋼材材質的影響、接頭應力狀態的影響以及焊接時工藝的影響，所以結合具體的加工工藝，合理的改善鋼材的抗撕裂性能，最大限度的減少鋼材層狀撕裂的產生。