浅谈山西首幢高层钢结构住宅施工过程中关键技术问题研究

'太原理工大学硕士学位论文山西首幢高层钢结构住宅施工过程中关键技术问题研究姓名：孙晋峰申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：雷宏刚20070501 太原理工大学硕士研究生学位论文山西首幢高层钢结构住宅施工过程中关键技术问题研究摘要高层钢结构住宅是国内关注的热点，山西首幢高层钢结构住宅是在已有地下一层地上四层混凝土结构基础上实施钢结构层，中间过渡层为型钢混凝土和方钢混凝土结构。无论设计还是施工，难度之大国内罕见。本文针对该工程施工过程中存在的以下五大关键技术问题展开研究：1．上部新增钢结构对下部混凝土结构承载力的影响结果及对策。2．首节钢柱加工制作存在的质量问题及对策。3．首节钢柱与原下部混凝土柱的连接问题及对策。4．第二节方钢管混凝土柱的混凝土浇灌问题及对策。5．钢结构梁柱连接处高强螺栓的脆性断裂事故及对策。本文的研究结论将对今后类似工程的施工有重要的参考价值。关键词：高层，钢结构住宅，施工，焊缝，脆性断裂，高强螺栓 KEYTECHNOLOGYRESERARCHOFCONSTRUCTIONFORFIRSTHIGH．RISESTEELSTRUCTURERESIDENCEBUILDINGINSHANXlABSTRACTHigh—risesteelstructureresidenceisafocusathome．Shanxifirsthigh—risesteelstructureresideceincreasedlayersatthefoundationofonefloorundergroundandfourfloorsconcretestructure，themiddletransitionfloorissectionsteelconcretestructureandrectangletubeconcretestructure．Nomatterdesignorconstruct，thedegreeofdifficultyisbigathome．Thepaperlaunchesresearchtothefollowingfivemajorkeytechnologyproblemexistinginthisprojectconstructioncourse：1．Increasinglayersofsteelstructure’Sinfluenceandcountermeasuretothebearingcapacityofunder-part．2．Qualityproblemandcountermeasurethatthefirststeelcolumnprocessed．3．Questionandcountermeasurepresentedwhenbeingconnectedwithconcreteoforiginalunder-partandfirststeelcolumn．4．Questionandcountermeasureofthesecondrectanglesteeltubeconcretecolumnthatappearswhenwatered．5．Brittlefractureaccidentandcountermeasureofthehigh—strengthboltofpostjunctionofroofbeamofthesteelstructure．Theresearchconclusionofthispaperwillhaveimportantreferencevaluetotheconstructionsimilartotheprojectinthefuture．III 太原理工大学硕士研究生学位论文KEYWORDS：high-risebuilding，steelstructureresidence，construction，weldingseam，brittlefracture，highstrengthbolt 声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：盈重叠日期：苎立：兰：!!——关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)o签导师签名：望壁12日期：垒皇丑：三：：墨 太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论近年来，随着我国国民经济水平的不断提升，钢铁产业飞速发展，钢材的产量和质量持续提高，价格逐步下降，钢结构的应用范围日益广泛。特别是伴随着热轧H型钢的国产化及其产量的快速增长，为民用钢结构的发展奠定了基础，住宅钢结构特别是高层住宅钢结构的发展正逐步成为民用钢结构发展的重要方向‘“。1．1钢结构住宅的特点钢材是一种理想的生态建筑材料，它强度高，塑性、耐久性好，具有良好的可重复利用性，兼具绿色、环保的特点，在量大面广的住宅建筑市场发展钢结构住宅是国家建设部及冶金工业局倡导的住宅产业化进程的重要方向。与传统的建筑形式相比，钢结构住宅具有以下优点‘幻～嘲：1．重量轻、强度高，造型活跃、房子面积利用率高。用钢结构建造的住宅重量是钢筋混凝土住宅的1／2左右，是砖混结构的1／4—1／6，可减轻建筑物的重量约30％，因而地基及基础的处理就简单。特别是对于高层住宅钢结构，自重的减少可以有效地降低地基处理所需的费用，增强了对地基条件的适应性。而较高的强度配合自重的降低可使得竖向受力构件采用较小的断面，所占建筑面积相对较小，因而可以在建筑面积不变的前提下，提高住宅的使用面积。据有关资料介绍，通常使用面积可提高3％～8％不等，由此可以产生一定的经济效益，并且各种管线可有序埋设在墙内，不影响使用；同时由于钢结构住宅采用了大开间、大进深的柱网，为住户提供了可以灵活分隔的大空间。2．抗震性能好。钢结构强度高、延性好、自重轻，可以大大改善结构的受力性能，尤其是抗震性能。从国内外震后情况来看，钢结构住宅建筑倒塌数量很少。从国外及我国台湾地区的地震震害调查来看，钢结构住宅抗震性能明显优于钢筋混凝土建筑，特别是从房屋的倒塌率来看，一般的多层住宅基本全部塌为平地，而钢结构建造的住宅几乎没有倒塌。3．施工周期短，一般3—4天就可以建一层，快的只需1—2天。钢结构住宅体系 太原理工大学硕士研究生学位论文多为工厂制作，现场安装，现场制作量大为减少，因此施工周期可以大大缩短，约为混凝土结构的1／3—1／2；施工现场湿作业少；不受天气的影响；施工临时用地小，且不用模板。．4．工业化程度高，符合住宅产业化要求，建造质量易于保证。钢结构住宅的结构构件大多在工厂制作，质量可靠，尺寸精度高，适宜大批量生产；在安装阶段，由于构件制作、加工的高精度和施工器具的高度自动化，可以有效地保证安装质量和施工效率。这改变了传统的住宅建造方式，实现了从“建造房屋”到“制造房屋”的转变，建筑质量得到有效的保证。5．可回收、再利用，符合可持续发展要求。由于装配化施工，所占用的施工现场、建筑垃圾、建筑施工噪声等都减少到最低的程度，现场资源消耗和各项现场费用也相应减少，改建和拆迁容易，材料的回收和再利用率高，对环境污染小，其节能指标可达50％以上，属于绿色环保建筑体系。6．新型钢结构住宅改变了人们过去认为钢结构建筑造价高、难以承受的传统观念。从直接造价角度而言，钢结构多层住宅的造价一般略高于钢筋混凝土住宅，钢结构高层住宅的造价则可基本与普通钢筋混凝土结构住宅持平。如果综合考虑各种因素，如使用面积的增加、工程周期的缩短、上部自重的减小对基础的影响等有利因素，以及由于钢材自身的优越性所带来的综合社会效益，很显然，钢结构在多层及高层住宅中的推广应用是非常有意义的。1．2钢结构住宅的国外发展动态1．2．1日本的钢结构住宅第二次世界大战之后，由于战乱及自然灾害等原因，造成当时日本住房十分匮乏，特别是在人口大量聚集的大城市地区。另一方面，大量的传统木结构住宅质量十分低下，在抗震、防火、耐久性方面都存在严重缺陷。进入二十世纪50年代，原来以钢铁业为代表的日本各工业领域纷纷由军需转向民用，为了占据民用市场而改进生产设备，引进新技术。钢铁业中，由于冷轧薄钢板的生产而使得轻质型钢的制造成为可能，这在技术上为钢结构工业化住宅的发展奠定了原料供应的基础。同时，建造传统住宅2 太原理工大学硕士研究生学位论文所必备的砂石、木材等原材料价格的上涨，从反面促进了钢结构工业化住宅的发展。为了开拓市场对钢材的需求，推进轻钢建筑体系的发展，1955年成立了日本轻钢建筑协会，它对日本钢结构工业化住宅的形成与发展也起了重大作用。到1962年，钢结构工业化住宅成为住宅金融公库的融资对象，这标志着钢结构工业化住宅在日本得到了社会的广泛认可。日本钢结构建筑数量最多，其新建的l～4层建筑大都采用了钢结构。在日本，人们更喜欢钢结构住宅可以提供良好的抗震性能，其工业化住宅已占日本新建住宅的20％。1999年的统计资料显示，其钢结构低层住宅已占工业住宅的7l％，其余为木结构和混凝土结构工业化住宅。日本已研究开发出完整的节能环保型轻钢结构住宅体系，如：日本积水房屋株式会社开发的B型体系。在日本的钢结构住宅建筑中，6层以下的低层建筑通常采用纯钢结构；6—16层的建筑采用劲性混凝土结构(SRC)；16层以上的建筑底部采用SRC结构，上部采用纯钢结构，也有的上下均采用纯钢结构。日本现在正在提倡钢材俱乐部提出的钢结构住宅体系(SteelMansion1000)，它包括以下几方面内容：1)柱间跨度14．4m，可实现200m’的无柱空间，其空间中可容纳自由分割住户l一3户。2)设备独立于构架，设备的管道维修方便。3)柱采用钢管混凝土，梁采用FR钢(FireResistantStud，耐火钢可以简化防火处理。4)地面为PC板+现浇RC结构，采用倒梁、倒板、形成双重地板，使所有的设备管道都容纳在地板下面。5)外墙采用ALC板、轻质的PC板等干式施工法。6)分户墙采用隔音性能高的强化石膏板，干式施工方法。而且日本政府及企业共同研究并推广百年住宅体系，包括以下两方面的研究内容：1)如何提高住宅耐久性以及什么样的耐久性比较合适。2)适应家庭变化和反映对住宅的价值观，研究构架与住户分离方案，将主体结 太原理工大学硕士研究生学位论文构部分建造得十分牢固，具有100年以上耐久性，室内无柱的大空间可根据家庭人口的变化和时代的变迁进行灵活分隔和改变。1．2．2法国的钢结构住宅二次大战后，由于城市工业化过程加快，大量农村人口变为城市人口。法国政府为解决房荒问题，采用工业化建造方法在城市郊区大量兴建功能单一的居住区。从50年代到70年代走过一条以全装配化大板和工具式模板现浇为主的工业化道路，被人们称为“第一代建筑工业化”。与此同时，出现了许多“专用建筑体系”，不同体系出自不同厂商，各建筑体系的构件互不通用。到70年代以后，住房矛盾有所缓解，工程规模缩小，建造量分散，原有构件厂开工率不足，再加上工业化住宅暴露出的千篇一律的缺点，迫使法国政府开始寻求建筑工业化的新途径。为适应建筑市场的需求，向着以发展通用构配件制品和设备为特征的“第二代建筑工业化”过渡。法国于1977年成立了构件建筑协会(ACC)，以发展构配件制品和设备，1978年制定了尺寸协调规则。同年，住房部提出“构造体系”(SystemConstruction)，作为向开放式工业化过渡的一种手段。它是由施工企业或设计事务所提出的主体结构体系，由一系列能互相代换的定型构件组成，形成该体系的构件目录。建筑师可以选用其中的构件，像搭积木一样组成多样化的建筑，也称为积木式体系(Meccano)。构造体系实际上是一种以构配件为标准化的体系，它比以户单元、构造单元或楼层平面为标准定型组合的样板住宅在设计上更为灵活。建筑师使用这种体系时，必须采用构件目录中的构件，并遵循相应的设计规律，在建筑艺术上也要受到一定的限制。所以一般不主张在全国只搞一个构造体系，而是主张搞一批，以供业主单位挑选并增加建筑的变化。但也不宜过多，以免减少每一个体系的平均生产批量，影响经济效益。到1981年，法国全国已经确定25种工业化建筑体系，年建造一万户。在这25种体系中有木结构和钢结构的，但更多的是混凝土预制体系。其中ETOILE体系中的T1’A型是一种钢结构体系，它以壁厚6、7、8、10ram或12mm的钢柱为基本立柱构件，柱内填混凝土。标准柱高为250cm，楼板为厚21cm、宽240cm、长540～630cm(变化模数30cm)的梭型板，搭在柱头上，以螺栓连接。外墙构件由于该体系构件尺寸符合“尺寸协调协定”的有关规定，可在市场上采购符合规定的各类非承重外墙4 太原理工大学硕士研究生学位论文构件。隔墙厚16cm，标准构件高250cm，长度450～630cm，门窗和设备均采用适用的市场产品。构造体系的共同特点如下：1)为使多户住宅的室内设计灵活自由，结构上较多采用框架或板柱结构，墙体承重体系向大跨度发展。2)为加快现场施工速度，创造文明施工环境，许多体系采用焊接、螺栓连接。3)倾向于将结构构件生产和设备安装及装修工程分开，以减少预制构件中的预埋件和预留孔洞，简化节点，减少构件规格。4)施工质量高。这些体系无论是构件生产还是现场施工，施工质量都能达到较高水平。5)构造体系最突出的优点是能保证建筑设计的灵活多样性。它作为一种设计工具，仅向建筑师提供一系列构配件及其组合规律，建筑师有较大的自由设计出不同的造型。二十世纪五十年代中期，随着巴黎ThePortal．des．Lilas大楼的建成，掀起了一股钢结构建筑热潮。该建筑采用门式钢框架结构，组装方法是将预制钢构件在地面焊接组装，吊装就位后再铺预制混凝土楼板。位于法国鲁昂的GrandMare居住的区(图1m1)是另一个典型的工业化体系。该建筑群由25幢五层住宅组成，共有500户，总面积38500m2。结构体系为钢框架与两种大型预制构件组成大型抗风构架(其高度同层高)和楼盖构架(其尺寸为一个住户单元)。除楼梯外所有的承重钢构件均采用耐大气腐蚀钢组成。还有一些较重要的房屋设计可以为我们对法国工业化建设时期的钢结构住宅建筑的规模和艺术特色提供一些认识。如：巴黎附近的Sarcelles地区的MaisondesJeunes，它以其突出的窗间墙和窗下墙构件而形成的韵率感而著名；巴黎RueCroulebarbe大街的高层公寓大楼(图l—2)，在它狭长的立面上外露着立柱和x型抗风斜撑，赋予建筑物独特的魅力。另一个位于Puteaux的住宅群采用了组合式结构体系，楼层钢梁在浇筑混凝土楼板前由支撑预加应力。以上这些建设项目可以看作钢结构正逐步进入到对跨度和荷载并无特殊要求的住宅建筑领域的证据。 太原理工大学硕士研究生学位论文图1—1GrandMare居住区Fig．1—1TheGrandMaresectionofinhabitancy图1--2RueGroulebarbe高层公寓Fig．I-2Thehigh-riseflatofRueGroulebarbe在法国住房部的大力支持下，杜波斯克和兰多斯凯(DUBOSC＆LANDOWSKI)建筑和设计事务所从1985年开始了一项新的实践—钢结构建筑的实践，即整座建筑的结构为钢框架，外墙为批量生产的轻型复合墙体材料。经过几十年经济住房经验，杜波斯克和兰多斯凯建筑和设计事务所成功运用钢结构体系，设计了大量的民用住宅、办公楼、学校及文化艺术场所。1984年该事务所设计建造的法国地戎CsatelEiffle住宅群是自法国60、70年代住宅大建设以来第一栋全钔结构住宅。场地设计、功能布局和每套公寓里贯通2～3层的复杂空间都没有受到简洁的结构体系的限制。其镀锌管状金属结构柱的外露表现6 太原理工大学硕士研究生学位论文出独立于外墙的独特的结构形式(图l一3)。图1—3CsatelEiffle住宅外墙Fig．1—3TheouterwallofCsatelEifflehouse杜波斯克和兰多斯凯建筑和设计事务所的钢结构建筑在结构和构造体系上采用新材料、新工艺的同时，在建筑空间和外观设计上也令人耳目一新，并强调建筑与环境的协调关系。如WestSide综合体中建筑师以一种强烈的秩序感与相邻的建筑抗衡，采用单元式的立面网格，暴露于立面之外的双管式结构构件为统一的立面材质增加丰富的光影重叠效果。在SaturneIII、Kronos、MarcelDassault等住宅综合体中多次采用色彩鲜明的钢板外墙体，和圆弧型屋顶，成为当地环境中的地标式建筑(图l—4)。图1--4Kronos住宅综合体Fig．1-4ThehousesynthesesofKronos7 太原理工大学硕士研究生学位论文1．2．3英国的钢结构住宅二战后，为解决房荒问题，英国与欧州其它国家一样采用了工业化方式建设大量住宅，二十世纪60～70年代后，在住宅的结构体系上，出现了多元化趋势，有木结构、钢结构、钢筋混凝土结构等，但也存在一些问题。1998年，在“衣根报告”(“建筑生产反思”报告)中，提出了通过建筑新产品开发，集约化组织，工业化生产，以达到下述目标：·成本降低lO％，·时问缩短10％，·缺陷率降低20％，·事故发生率降低20％，·劳动生产率提高10％，·最终实现产值利润率提高10％英国政府计划在今后20年内建造4500万栋住宅，对于如此庞大的建筑市场，传统木结构无法满足要求，钢结构住宅的优良性能决定了其今后很好的发展前景一英国钢结构住宅结构体系的主要构件包括：墙面支撑立杆(Wallstuds)、楼面梁(Floorstuds)、屋面结构、檩条和抗风支撑。根据体系预制单元的大小不同分为“Stick”结构、“Panel”结构及完全模块体系(Modular)。“Stick”结构中所有杆件均在工厂按设计要求加工完成，以单根形式运至现场，在现场采用螺栓或自功螺丝组装；“Panel”结构中带骨架的墙扳、屋面板及屋架均在工厂用专用模具预制成型，现场建造速度更快，质量易于控制，但相应增加运输费用和现场起重设备；模块体系则是将整个房间作为～个模块，全部在工厂预制，运抵施工现场的是一个包括地毯、窗帘、家具及各种设备的完整的房间单元。还有一种混合式，将钢与混凝土结合，发挥综合优势(表1—1)。8 太原理工大学硕士研究生学位论文表1—1装配式住宅常用的基本模式及特征表Tablel-1Basicmodeandpropertiesincommonuseofassemblyhouse基本模式特征板式拼装式工厂将轻铜结构与板材连为一体后运至现场进行拼接组装式工厂将轻钢结构部件生产好运至现场拼接，然后在现场作墙体一种简易的制作轻铜结构构件的机器，这种机器的最大优点是现场制作式小巧玲珑，价廉物美，便于在现场使用这种方式是在工厂里将完整的房屋单元全部组装好，然后运至单元式现场就住(盒子式)克服轻钢结构在总体高度上的限制，可以将轻钢结构与传统铜混合式结构或钢筋混凝土结合起来。从而发挥各方面的优点1．2．4美国的钢结构住宅美国是最早采用钢框架结构建造住宅的国家和地区之一，其轻钢建筑体系化生产可追溯到十九世纪末，当时大量采金者涌入美国的旧金山淘金寻宝，为满足他们的住房要求，一位纽约的金属屋顶承包商将几百套便携式金属活动房推向市场，这就是最早的轻钢装配式住宅。在北美，大部分的小住宅采用木结构，美国每年要建造130万幢住宅，采用木结构将要砍伐5000万棵树木。生态环境的破坏使木材价格不断上涨。另外，1992年在加洲的Landers／Bear地震中倒塌的建筑，木框架房屋占了一大部分。鉴于经济性、安全性能(抗震、防火)以及耐久性能的综合考虑，越来越多的房屋开发商转而经营钢结构住宅，轻钢结构住宅的价值也得到普遍认可。1965年轻钢结构在美国仅占建筑市场15％，1990年上升到53％，而1993年上升到68％，到2000年已经上升到75％。据统计，1996年美国已有了20万幢钢框架小型住宅，约占住宅建筑总数的20％。经过四年的研究和发展，在2000年，由美国住房和城市发展部(HUD)、国家住房建设协会(NAHB)和美国钢铁协会(AISI)共同编制了专门针对冷拉轻钢结构住宅的描述性规范一《ThePrescriptiveMethodforResidentialColdFormedSteelFraming))。该规范从基础、墙体、楼板、屋面以及保温隔声和设备安装等方面全方位介绍了目前在美国被推广应用的轻钢龙骨承重墙体系住宅，该体系以2x4英尺为模数，适用于建造一、两户人家的小住宅、城市联排住宅和低层集合住宅。进入21世纪以来，美国将这种以往用于建造低层住宅的结构技术加以提升，用9 太原理工大学硕士研究生学位论文以建造多层公寓，形成了多层轻钢结构住宅体系。目前，美国各地已建成多层轻钢住宅、旅馆、老年公寓约300万平方米。从建造层数看，一般为4～6层；从分布地域看，既有处于俄亥俄、印地安那、伊利诺宜等非地震区的，也有处于=lJnSJJ福尼亚、佛罗里达等地震或飓风频发地区的；从结构用材看，既有承重构件全部采用镀锌轻钢龙骨的，也有局部采用热轧型钢加强的，还有下部几层采用钢筋混凝上框架作为车库，上部几层采用镀锌轻钢龙骨建造住宅的做法。在满足相关规范安全性规定的前提下，不同钢结构施工企业往往采用各自独特的技术体系和构造措施，并拥有自己的专利技术。现在，轻钢结构已成为北美地区仅次于木结构体系的建筑形式。由于轻钢结构住宅具有耐腐蚀、不怕自蚁等特殊优势，其保险费率比其它建筑形式低约40％，因此其市场规模正在逐年扩大。1．2．5国外多高层钢结构住宅国外低层独立式住宅是居住建筑的主流，成体系、产业化程度高的也多为低层住宅。多高层钢结构住宅在国外～般为公寓和酒店式住宅，其结构形式和建筑材料种类较多，与公共建筑的区别不大。常用的钢结构体系有框架体系、框架支撑体系和桁架体系。1．框架体系。框架体系是最常见的体系，它将梁柱构件刚接，依靠梁柱受弯来承受竖向荷载和水平荷载，这种体系用于多层钢结构住宅是合适的。它的特点是可以作成大开间，充分满足建筑布置上的要求。柱子采用轧制或焊接工字钢、方钢管、圆钢管或冷弯型钢组合断面，也可以采用钢管混凝土。主要梁采用H型钢。次梁可以有多种做法。2．框架支撑体系。这种体系借助支撑来承受水平力和提供侧向刚度。当房屋较高时，它比纯框架来得经济。另外，采用人字支撑等还可以起到减小梁跨度的作用，从而减小梁的截面。支撑要在适当位置设置，以便与建筑设计相协调。3．桁架体系。桁架的杆件全部受轴力，材料能得到较充分利用，具有节约钢材的潜能。但桁架腹杆较多，用于住宅时不应妨碍空间的利用和室内的空间效果，因此有个巧妙利用的问题。美国于60年代中期开发了一种新型的结构体系，在建筑布霞0 太原理工大学硕士研究生学位论文上具有一定优越性，称作间隔桁架体系，国内也有译为交错桁架的。这种结构体系主要用于15～20层的旅馆、汽车旅馆、集体宿舍、老年公寓和住宅。1986年，美国新泽西州大西洋城建造的43层国际旅游饭店，通过多种方案比较后，采取了这种方案，从而把它的应用在实践上推向100米以上的高层建筑。作为钢结构住宅的结构体系，不失为一种可行的结构体系。4．混合结构和组合结构。除了纯钢结构外，国外在多高层住宅中也广泛采用混合结构和组合结构。将剪力墙围绕楼梯和电梯间等设置，即作成核心筒，对于防火和疏散都较有利。也有的将此部分的剪力墙用带缝或带切口的钢板代替混凝土。全部水平荷载均由核心筒承受，钢框架只承受垂直荷载，这样钢结构可以做得很简单。这种房屋在欧洲较为普遍，早在70年代就已大量兴建¨’⋯1。1．3钢结构住宅的国内发展动态1．3．1我国住宅建设的相关政策近几年我国的住宅建设发展很快，1999年同1978年相比，全国城市人均居住面积己从3．6时增加到9．78吖。1999年我国总人口为12．67亿，预计到2030年将达到16亿，城市人口将由现在的30．9％增加到60％““。因此面对居高不下有增无减的住宅建设市场的需求，为推进住宅现代化，国务院f】999]颁发第72号文件明确指出：提高住宅建设的工业化水平和标准化水平，大力发展钢结构住宅产业，扩大钢结构住宅的市场占有率，加速住宅产业化过程，全面提高住宅质量，从而以此形成产业链，带动建筑、冶金及相关产业的发展。2000年5月建设部建设用钢协调组在京召开了“全国建设用钢技术研讨会”，会上成立了钢结构专家组，讨论了国家建筑钢结构产业“十五”计划和2010年发展规划纲要及建筑钢结构工程技术政策。提出争取在十五期间建筑钢结构的用钢量达到总钢产量的3％，至2010年建筑钢结构的用钢量达到总钢产量的6％。2000年7月，建设部在京召开钢结构住宅建筑体系技术发展研讨会暨中国钢结构协会住宅分会筹建会议，指出钢结构住宅有其特有的优势，必将在今后广泛推广应用。2001年上半年，建设部科技司分别召开了“钢结构住宅产业化技术导则编制研 太原理工大学硕士研究生学位论文讨会”和“钢结构住宅建筑体系关键技术研究课题立项评审会”，确定了制定钢结构住宅产业化技术导则的编制原则。从2001年到2003年，一共组织实施了36个课题，据不完全统计课题承担单位共投入研发资金约10亿元，试点工程面积超过了700万平方米“”～IA4]。钢结构住宅产业化有望得到突破性迸展。．2001年12月，建设部颁布了《钢结构住宅建筑产业化导则》，为钢结构住宅的发展提供了规范化的技术标准。此导则在总结我国钢结构住宅初步经验的基础上，制定了建筑体系、结构体系、建筑设备、钢结构防护、工厂化生产和施工安装方面的指导原则，井将我国钢结构住宅基本定位在12层(含12层)以下。2002年，建设部批准了天津建立我国第一个钢结构住宅产业化基地，并评审通过北京赛博思金属结构工程公司的第一个建设部钢结构住宅产业化科技示范工程。2003年建设部开始在全国全面推广应用。另外，为保护土地资源，国家规定2003年以后淘汰粘土砖的使用。2004年3月中国工程建设标准化协会组织编写了钢结构住宅设计规程大纲。国家政策的引导和政府部门的支持对钢结构的发展是一个有力的推动，开创了钢结构在建筑中应用的新时期。1．3．2我国钢结构住宅的工程实践我国钢结构住宅起步很晚，20世纪80年代中期，随着改革开放的不断深入，工业化的轻钢别墅进入我国，如大连桃园山庄、北京光明公寓等，这些别墅大都供外国人居住。后来，苏州、广州又从美国、澳洲引进2-3层的别墅，其房屋的承重骨架、困护结构的设备等全套从国外引进，中方只负责基础地坪及房屋构件的组装，这些试点建筑多是轻钢低层建筑。自90年代末随着钢材产量大幅度上升，我国已摆脱了贫钢国的形象，钢材产能的上升、价格的下降以及政府的政策引导和支持，使得国内众多钢铁企业、房地产开发投资商纷纷看好住宅钢结构市场，特别是多、高层钢结构住宅的发展，在许多地方包括地震区建造了一定数量的钢结构住宅试点示范工程，在这些钢结构住宅的试点工程中，大多数工程是以多、高层建筑为主。在最先进行试点工程的天津市分别采用了三种不同结构、不同墙体材料、不同施工方法的方案，进行20万m2以上的试点工程。三种方案分别采用的是方钢管混凝土柱大开问结构形式，12 太原理工大学硕士研究生学位论文钢骨桁架结构形式和钢管混凝土结构形式。在北京、青岛、上海、新疆及安徽马鞍山市也都开展了一定面积的房屋住宅试点工程，如北京亦庄经济技术开发区青年公寓建筑面积12万m2的混凝土核心筒一热轧H型钢框架、北京金寰公寓住宅钢结构体系示范工程，建筑面积2．5万m2，12层，钢框架混凝土核心筒剪力墙体系：北京十里铺晨光家园B区，采用热轧H型钢梁、柱，框架结构；安徽省马鞍山市热轧H型钢高层住宅，建筑面积9854m2，18层，劲性混凝土框架一钢筋混凝土核心筒剪力墙体系；上海陆海城工程，25层，钢管混凝土结构等。现阶段我国的钢结构住宅可概括为低层轻钢小住宅和多、高层钢结构住宅两类。一、低层轻钢小住宅我国在20世纪80年代末90年代初开始引进欧美及日本的轻型装配式小住宅，从结构体系上可进一步分为两类：1．轻钢龙骨承重墙体系此类住宅以镀锌轻钢龙骨作为承重体系。板材起维护结构体系和分隔空间作用。外墙板引进美国和日本的外墙材料或生产工艺，如在美国广泛采用的经过防火防腐处理的定向刨花板(OSB)、PVC外墙挂板、北京新型建材厂引进日本技术生产线生产的金邦板等。内墙通常采用双面防火纸面石膏板，厚度9-15mm。厨房、卫生间等潮湿房间采用防水石膏板或埃特板。保温及隔声材料主要采用玻纤棉、聚胺脂和挤塑泡沫板等材料，用于外墙做保温材料，用于内墙可以隔声。屋顶造型以坡屋面为主，采用防水卷材外贴多彩瓦(沥青瓦)。北新集团公司引进日本新日铁的房屋制造先进技术，推出了适合中国国情的新型住宅体系一薄板钢骨住宅也属于这一体系，该住宅体系全部采用超级防腐的高强冷轧镀锌板制作的轻钢龙骨为结构材料，以OSB板作为结构板材，外墙外保温构造，饰面板采用北新自主生产的金邦板。这种结构体系有良好的抗震、防腐、防虫、环保和节能效果。构配件全部工厂化，现场组装一套200m2的独立住宅主体结构只需5天时间。结构用钢量不超过40kg／吖，建成后的建筑物自重仅70～80t(含装修)，相当于砖混结构的1／4～1／6，因而基础采用钢筋混凝土条型基础(只需构造配筋)即可。2．钢框架结构体系这种体系与前者的主要区别在结构框架上，采用的是型钢梁柱框架结构。型钢一 太原理工大学硕士研究生学位论文般为热轧或焊接H型钢、方钢或圆钢管。天津太平洋村住宅产业化基地内的一系列小住宅就采用了这种结构体系(图l—5)。承重楼板采用大跨度预应力空心板，外围护结构为轻钢龙骨骨架，饰面及保温材料与轻钢龙骨承重墙体系中的外围护材料类似。这一类住宅的承重框架平均用钢量为50--55kg／m2，总用钢量约65kg／m2。工厂加工周期30天左右，现场装配约40天。辽宁大连旅顺口风景区圣美利加庄园始建于2002年7月，主要是以轻钢别墅为主。每栋别墅均以混凝土作平台，上部全部为钢结构，包括上下两层带屋顶的晒台。其结构体系属于冷弯薄壁型钢框架结构体系。柱子采用方管口125～口250，屋面梁和平台梁采用H型钢，规格从H100～H350。主梁与柱采用封板高强度螺栓刚性连接；次梁与柱采用柔性连接。所有节点在现场都采用螺栓连接。图1—5天津太平洋村钢结构住宅Fig．I一5Thesteelstructureresidencesofpacificvillageintianjin二、多层及小高层钢结构住宅体系低层轻钢小住宅作为主流住宅产品，在欧荚等国经过几十年发展改进，已具备非常完善的技术生产体系和丰富的配套部品体系，此种体系的引进首先要和国内的行业技术规程相配套，同时应尽量将产品国产化，以进一步降低造价。但我国的国情是人多地少，资源缺乏，低层底密度的小住宅不可能成为中国住宅产业发展的主流，相比之下多层及小高层住宅有着更广阔的市场前景。我国目前研究建造的多层及小高层钢结构住宅有以下几种类型：1．钢结构住宅1)纯框架体系14 太原理工大学硕士研究生学位论文该体系类似于混凝土框架体系，不同的是将混凝土梁柱改为钢梁、钢柱，由于钢柱截面一般比混凝土柱的截面小，且多为H型截面，所以其抗侧移刚度要小的多，在考虑地震作用力的地区，要满足层间水平位移和总侧移刚度的要求不易。但这种结构由于全部采用型材，所以是施工速度最快的一种结构形式，适合于6层以下的住宅。2)框架一支撑体系本体系在纵、横两个方向适当部位沿柱高增设垂直支撑体系，以加强结构的抗侧移刚度。支撑采用槽钢、角钢或钢管制作。支撑的形式可以采用X型、K型、人型、倒人字、单斜杆等。在强震地震区，可采用偏心支撑，因其在地震作用下具有较好的延性和耗能性能。因为墙内要布置支撑，所以对建筑洞口布局有诸多限制，不过由于是纯钢结构，所以施工速度也很快。3)框架一钢板剪力墙体系结构由钢框架和钢板剪力墙组合而成。钢板安装在一跨或多跨全高范围内，与周围钢梁、钢柱形成钢板剪力墙。钢板剪力墙主要承受水平力作用．竖向力作用主要由周边的框架柱承担。钢板剪力墙的设置可缓解对梁柱节点区的延性要求，其主要缺点在于用钢量大。这种结构体系适用于多层、小高层住宅中。4)错列桁架体系错列桁架结构体系产生于20世纪60年代，由美国麻省理工学院首先提出，并成功用于多个公寓及旅馆建筑中。该体系的基本组成是高度有一层楼高、跨度等于建筑全宽的桁架，它的两端支承在房屋外围纵列钢柱上，不设中间柱，在房屋横向的每列柱轴线上，这些桁架隔一层设置一个，而在相邻柱轴线则交错布置。在相邻桁架间，楼板一端支承在桁架上弦杆，另一端支承在相邻桁架的下弦杆。垂直荷载则由楼板传到桁架的上下弦，再传到外围的柱子。该体系利用柱子、平面桁架和楼面板组成空间抗侧力体系，具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻和造价低的优点。该体系是一种经济、实用、高效的新型结构体系。2．钢混结构住宅1)钢一混凝土组合结构体系结构柱采用箱型或圆型截面型钢，在柱中灌入混凝土，钢与混凝土二者共同作用构成结构承重构件。钢材的约束作用提高了混凝土的强度，混凝土良好的导热性又提 太原理工大学硕士研究生学位论文高了钢材的耐火性。这一类型以天津建工集团二建公司为主开发的成套技术研究为代表。该体系结构主体是由钢管混凝土柱、钢骨混凝土梁(或钢梁)、抗侧力支撑、双向轻钢密肋混凝土组合楼盖等构件组成的框一撑结构系统。2)钢框架+混凝土核心筒(剪力墙)结构体系该体系以楼电梯井(高层)或相对集中布置的厨房卫生间(多层)作为核心筒，居住空间采用钢框架结构(多层为纯钢框架，高层多用钢管混凝土框架)。两种结构形式受力明确，核心筒主要承担水平荷载，起抗风、抗地震力作用；钢框架体系主要承担竖向荷载，二者协同工作。这种体系是目前我国钢结构住宅采用最多的结构体系，特别是用于高层及小高层住宅。目前多高层钢结构住宅的建设实践既有以国有大型钢铁集团为主导的实验项目，也有以设计院所等科研设计机构为主的研究实践。其中天津市以其技术、经济等方面的实力和条件，本着为在提高天津住宅建设水平的同时推动天津市经济发展的目的，在住宅建筑钢结构试点工作中遵循“先点后面，积极稳妥，逐步推迸”的原则，制定出“以科技为先导，以市场为导向，以人为本，精密设计，加速现代化进程，建设2l世纪的现代化住宅”的指导思想，组织业内专家广开思路，提出多种试点方案。并实施了多种采取不同结构、不同墙体材料，不同施工方法的方案。另外山东莱钢集团的“H型钢钢结构建筑体系研究”课题也取得较大进展，一期工程三栋楼分别采用不同结构形式和不同围护材料，通过实际工程进行结构性能、经济效益的综合比较。其它还有清华大学、湖南大学、同济大学、马钢、宝钢以及上海、济南、北京等地的设计院所也积极参与钢结构住宅的研究实践““。1．4钢结构的缺陷类型及成因评述在钢结构快速发展的同时，必须看到，无论是国内还是国外，都有曾发生过许多不同类型、不同原因、不同程度的事故，特别是～些重要钢结构工程倒塌事故，造成了重大人员伤亡和经济财产的损失。这些惨痛的教训，己引起了世人的广泛关注。在这种形势下，认真分析国内外钢结构重大工程事故，总结经验教训，以促进我国建筑钢结构的健康发展，是十分必要的。16 太原理工大学硕士研究生学位论文1988年2月17日夜4时左右，豫南某厂所在地当时气温为一IO"C左右，风力3～4级，最大降雪量320mm，该厂三跨钢屋架结构倒塌。这起事故虽无人身伤亡，但该厂被迫停产2个月，直接经济损失以当时预算计达48万元。经过对倒塌现场进行实测，发现该工程有两榀屋架失稳倒塌，同时相邻两跨的排架柱受拉倾斜，屋架与柱的连接处发生变形甚至被拉裂开来，其它构件连接也发生松动现象，排架系统大部分发生扭曲变形。1994年1月17日，太平洋标准时间凌晨4：3l，～场震级为6．7级的地震席卷了美国加州南部的圣费尔南多峡谷。其震中位于峡谷北脊(Northtidge)区西南约500米、深1400米的地震断层上，该断层以上的地壳部分向北发生了相对位移，持续约20秒钟的强烈震动引起异常剧烈的地面运动。这场地震对当地的建筑物造成了不同程度的破坏，尤其是圣莫尼卡地区，破坏更为严重，一些现代建筑倒塌，几千幢建筑物遭到了严重的破坏，至少有57人死亡，9158人严重受伤，直接经济损失约为150亿美元。地震最初，钢结构未见有相关损害的报道，其实这是由于破坏的节点被建筑外包物掩盖所致，后来对100多座钢框架建筑的仔细观察发现，钢结构梁柱节点存在大量的破坏现象，这才引起工程界的广泛注意““。1995年1月17日凌晨5点45分发生在日本神户市的阪神大地震，震级为7．2级，是日本自1923年关东地震以来伤亡最重、经济损失最大的一次破坏性地震。震中在兵库县南部淡路岛北端海中，距神户市较近。震中烈度相当于我国烈度11～12度，地震造成了约5500人死亡，26618人受伤，60人失踪，毁坏住宅约7442栋，30多万人无家可归。大地震引起火灾、停电、停煤气，切断了高速公路、电气火车、地下电车以及新干线。地震造成的经济损失估计在1000亿美元以上。阪神地震后对钢结构建筑的震害调查表明，大量的钢结构建筑梁柱节点遭到了破坏，数百幢多高层钢结构房屋的梁柱刚性连接节点出现脆性断裂⋯。。这些钢结构建筑的破坏事故，虽然只是世界范围内钢结构事故的一小部分，但这些事故已足以警示世人提高对钢结构事故的研究与分析。尽管钢结构建筑与其它结构形式的建筑相比有着巨大的优越性，但这种结构也有着特有的不足之处。从根本上说，钢结构的这些不足是由其自身内部的缺陷所致。17 太原理工大学硕士研究生学位论文“缺陷”是指“残损、欠缺或者不够完备的地方”。具体在建筑工程中，缺陷是指由于人为的(勘察、设计、施工、使用)或自然的(地质、气候)原因，致使建筑物出现影响正常使用以及承载力、耐久性、整体稳定性的种种不足的统称。由于技术和人为的因素，钢结构在制作、加工和安装过程中缺陷在所难免，一般可将钢结构的缺陷划分为先天缺陷、加工缺陷、连接缺陷和使用过程缺陷n81。另外，从国内外的许多钢结构破坏实例可以看出，低温下钢结构的脆性破坏比较容易发生，所以在某种意义上我们也可以把低温冷脆作为钢结构的一种内在缺陷对待。1．4．1钢材的先天性缺陷1．化学成份缺陷化学成份对钢材的性能有重要影响。站在有害影响的角度，化学成份将产生一种先天性缺陷。钢材的成分主要由Fe及C、Mn、Si、S、P、O、N、H等微量元素组成。其中C、Mn、Si是有益元素，但不可过量，S、P、O、N、H纯属有害杂质，因此，可将其对钢材的影响视为先天性缺陷。钢材所含微量元素对钢材的性能有很大的影响，其影响分析如下：(1)碳(C)：碳索钢主要是铁和碳的合金，除铁之外，碳是最主要的元素。钢材因含碳量不同而区分为低碳钢(C<0．25％)、中碳钢(C=0．25％～0，60％)和高碳钢(c=O．60％～1．7％)。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。因此作为建筑钢结构材料只能是低碳量，要求C三O．22％，对于焊接结构为保证其良好的可焊性，通常要求C曼O．20％。(2)锰(Mn)：锰作为一种钢液的弱脱氧剂，是一种有益元素，既可以改善钢材的冷脆倾向而又不明显降低钢材的塑性和冲击韧性，但是，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％～O．8％，16Mn钢中含量则达到1．2％～1．6％。(3)硅(Si)：硅作为钢液的一种强脱氧剂，也是一种有益元素，以制成质量优质的镇静钢。适量的硅可提高钢的强度，而对其它性能影响较小，但含量过高则 太原理工大学硕士研究生学位论文对钢的塑性、韧性、抗锈蚀能力以及可焊性有降低作用。一般低碳钢中硅的含量应为0．12％～0．30％，低合金钢中应为0．20％～0．55％。(4)硫(S)：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800～1200℃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。故应严格控制其含量，一般不应超过O．035％～0．050％。(5)磷(P)：磷是钢材的一种有害杂质。虽然可以提高钢的强度和抗锈蚀能力，但会降低钢的塑性、冲击韧性、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O．035％～0．045％。(6)氧(O)：氧是钢材的一种有害杂质，通常是在钢熔融时由空气或水分子分解而进入钢液，冷却后残留下来，氧的有害影响同硫且更甚，使钢“热脆”，一般含量应低于0．05％。(7)氮(N)：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O．008％。(8)氢(H)：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。综上所述，钢材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。因此，要提高钢结构抗脆断能力，首先应从钢材的内部元素着手，严格控制对钢材韧性有影响的化学元素的含量。2．冶炼及轧制缺陷钢材在冶炼和轧制过程中，由于工艺参数控制不当等问题，致使该环节缺陷也在所难免，常见的缺陷见表1—2。由该表可见，钢材的冶炼缺陷形式较多，同时也有轻重之分。最严重的应属钢材中形成的各类裂纹，这些裂纹是引起钢材脆性破坏的基础，故应对钢材的裂纹缺陷引起高度重视。19 太原理工大学硕士研究生学位论文表卜2钢材冶炼和轧制缺陷Tablel-2Thedefectsofthesteelsduringrefiningandmilling序号名称缺陷的定义及危害偏析是指钢材中化学成分不均匀的现象。偏析将降低钢材的塑性，1偏析韧牲及可焊牲，沸腾钢因杂质金属多从而偏析比镇静钢严重。夹杂通常指非金属夹杂，常见的为硫化物和氧化物，前者使钢材2夹杂在800—1200"C高温下变脆，后者将降低钢材的力学性能和工艺性能．钢板表面纵横方向上呈现断断续续不同形状的裂纹称裂缝．其特征表现为：轧制方向不同，缺陷呈现的部位及形状不同．纵轧钢板的缺陷出现在表面两侧的边缘部位；横轧钢板缺陷出现在钢板3裂纹表面两端的边缘部位，呈鱼鳞状的裂纹．无论成固如何，无论微观或宏观裂纹，一旦出现将显著降低钢材的冷弯性能，冲击韧性和疲劳强度，并使脆性破坏的危险性大大增加．分层是钢材在厚度方向不密合分成多层的现象，但各层间依然相互连接并不脱离．横轧钢板分层出现在钢板的纵断面上，纵轧钢4分层板出现在钢板的横断面上．分层不影响垂直于厚度方向的强度．但显著降低冷耷性能．在分层的夹缝处还易锈蚀，甚至形成裂纹．严重降低钢材的冲击韧性，疲劳强度和抗脆断能力．发裂与上述的裂纹有所不同．它是由热变形过程中钢内的气泡及非金属夹杂物引起的．发裂经常在轧件纵长方向，纹如发丝，一5发裂般纹长20r30ram以下，有时100—150ram，发裂几乎出现在所有钢材的表面和内部。缩孔是由于轧制钢材之前没有将钢锭头部的空腔切除干净而引6缩孔起．白点是因含氢量太大和组织内应力太大相互影响而形成的，白点7白点的存在将使材质变松、变脆，易导致氢致裂纹．钢材表面呈现局部薄皮状重叠，称为结疤，斑疤是一种表面粗糙的缺陷．其特征为：因水容易侵入缺陷下部，使其冷却快，故缺8斑疤陷处呈棕色或黑色；结疤容易脱落，形成表面的凹坑。其长和宽可达几毫米，深度0．01～1．0m不等，斑疤对薄铜板冲压成型性能影响较大，甚至产生裂纹或破裂．划痕一般产生在铜板的下表面上，主要由某些设备零件摩擦所致．9划痕宽度及深度肉眼可见或1～2mm，长度不等，有时贯穿全长．切痕是薄板表面上常见的折叠得比较好的形似接缝的折皱．如果10切痕将形成切痕的折皱展平，则钢板易在该处裂开．过热是指钢材加热到上临界点后，还继续升高温度时，其机械性11过热能变差，如抗拉强度特别是冲击韧性显著降低的现象。过热可用退火的方法消除其影响．当金属加热温度很高时，钢内杂质集中的晶粒边界开始氧化和部分熔化时发生过烧现象．由于熔化的结果，晶粒边界周围形成一12过烧层很小的非金属薄膜将晶粒隔开．因此过烧的金属经不起变形，在轧制或锻造过程中易产生裂纹和龟裂，有时甚至裂成碎块．过烧的金属为废品，只能回炉重炼。13脱碳脱碳是指加热时金属表面氧化后，表面含碳量比金属内层低的现 太原理工大学硕士研究生学位论文象。主要出现在优质高碳钢、合金钢．低合金钢中，中碳钢有时也有此缺陷，钢材脱碳后淬火将会降低钢材的强度、硬度及耐磨性。在钢板表面上呈沙丘状的凹包，称作气泡。其特征为：钢板表面14气泡呈现无规律的凹起，其外缘比较光滑，大部分是鼓起的；在钢板断面处则呈凸起式的空窝．钢材表面非附着的以铁为主的金属氧化物，称为铁皮．其特征为：15铁皮铁皮为黑灰色或棕红色呈鳞状、条状或块状．钢板表面无规则分布的凹坑，形成表面粗糙，通常称为麻点．严16麻点重时有类似橘子皮状的比麻点大而深的麻斑．形成的原因是，将未除净的氧化铁皮压入钢板表面，一旦脱落即呈麻点．轧制过程中，若钢材塑性较低或轧制压量过小，特别是上下轧辊内部的压力曲线不“相交”，则内外层延伸量不等，引起钢材的内部破17裂．采用合适的轧制压缩比(钢锭直径与钢坯直径之比)可补救破裂此类缺陷，例如对低合金钢及碳素钢总压缩比不小于2．0—2．5；对于塑性较低的钢锭取2．5～3．0．机械机械性能指标通常包括屈服强度，抗拉极限强度，伸缩率，冷弯性能性能和冲击韧性．不合格是由于内在原因的综合．如果大部分指18不合标不合格，钢材应视为废品．若个别指标未达标，可作等外品处格理或用于次要构件．1．4．2钢构件的加工制作缺陷钢结构的加工制作主要是指钢构件(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。仔细分析钢构件的加工工艺，归纳起来，在钢结构加工制作过程中可能出现的缺陷如下：1．原材料矫正引起冷作硬化；2．放样、号料尺寸超公差；3．切割边未加工或达不到要求；4．孔径误差；5．冲孔未作加工，存在硬化区和微裂纹；6．构件冷加工引起的钢材硬化和微裂纹；2l 太原理工大学硕士研究生学位论文7．构件热加工引起的残余应力；8．表面清洗防锈不合格；9．钢构件外型尺寸超公差。由此可见，钢结构的加工制作过程由一系列的工序组成，每一工序都有可能产生缺陷。1．4．3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联接。一般工厂制作以焊接居多，现场制作以螺栓连接居多或者两者相互交叉使用。但不论是栓接还是焊接，都难以避免地带来不同程度的缺陷。1．铆接工艺带来的缺陷(1)铆钉本身不合格；(2)铆钉：fL弓l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．栓接缺陷栓接包括普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类。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“。3．焊接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、 太原理工大学硕士研究生学位论文构造简单、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。(2)焊接引起焊缝热影响区母材的塑性、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和应力集中；(5)焊缝中存在各种缺陷，如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等，详述如下：1)焊缝外形尺寸和形状不符合要求：焊缝表面高低不平、焊波宽窄不齐、成形粗劣、焊缝尺寸过大或过小等，都属于焊缝外形尺寸和形状不符合要求，它会降低焊接接头强度，如果焊缝增高量过高，在截面过渡处会造成应力集中。2)气孔：焊接过程中，如果熔池中的气泡在熔池金属凝固时未能逸出，就会在焊缝内部或表面形成气孔。气孔会使焊缝的有效截面减小，降低焊接接头的强度，破坏焊缝金属的致密性。3)夹渣：焊接形成的熔渣未能完全浮到表面而残留在焊缝金属中，就会产生夹渣。夹渣会减小焊缝的有效工作截面，造成应力集中，降低焊接接头的强度和致密性。4)咬边：咬边是指在焊件沿焊缝边缘形成的沟槽或凹陷。它不仅减小焊接接头工作截面，而且在咬边处还会造成应力集中。在重要的结构或承受动载荷的结构中，一般不允许咬边存在，或对咬边深度有所限制。5)焊瘤：熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤称为焊瘤。它常出现在立、横、仰焊焊缝表面或无衬垫单面焊双面成形焊缝的背面。焊瘤不仅影响美观，还会造成表面夹渣。6)未熔合和未焊透：焊接时，母材与焊缝金属或焊缝层间局部未熔透的现象称为未熔合，接头根部未完全熔透的现象称为未焊透。未熔合和未焊透减小了焊缝工作截面，造成应力集中，降低了焊接接头强度，并且是焊缝开裂的根源。 太啜理工大学硕士研究生学位论文7)裂纹：焊接过程中或焊接以后，在焊接区域内于焊接应力以及其它致脆因素的共同作用，焊接接头局部金属原予结合力遭到破坏，出现破裂的现象称为焊接裂纹。裂纹是最危险的一种缺陷，它除了减小截面承载强度外，还会产生严重的应力集中。微小的裂纹在动载荷的作用下，易于扩展而致使整个结构破坏。因此，焊接结构中不允许存在裂纹，一经发现须铲除重焊。根据焊接裂纹产生的机理，可分为热裂纹、冷裂纹和层状撕裂。(1)热裂纹：焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称为热裂纹，也称为结晶裂纹。其特征是焊后立即可见，多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布，其裂口多数贯穿到表面，呈氧化色彩。产生热裂纹的主要原因是焊接熔池中存在低熔点杂质(妻flFeS)。由于这些杂质熔点低，结晶凝固最晚，凝固后的塑性和强度又极低，在焊接应力的作用下很容易被拉开，造成晶间开裂。如果焊件或焊条内含S、Cu等杂质较多时，就容易出现热裂纹。防止热裂纹的主要办法是选用含S、Cu等低熔点杂质较少的母材及焊接材料。如果必须使用此类材料，焊接时则必须注意如下几点：严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度；尽可能采用小电流多层多道焊；选用合理的焊接顺序，以减小焊接应力。(2)冷裂纹：焊缝金属在冷却过程中或冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线上产生的裂纹称为冷裂纹，又称为延迟裂纹。这类裂纹可能焊后立即出现，也可能延后几小时、几天，甚至更长时间才出现。产生冷裂纹的主要原因有：在焊接热循环的作用下，热影响区生成了淬硬组织；焊缝中存在过量的扩散氢，并且产生了浓集；焊接接头承受有较大的拘束应力。预防冷裂纹的措施有：选用低氢型焊条：焊条使用前按要求进行烘干；仔细清理坡口表面水、油、锈等杂质；选择合理的焊接工艺参数，如焊前预热、焊后缓冷、采取多层多道焊、控制层间温度等；焊后热处理，以去除氢、消除内应力和改善接头组织韧性；选择合理的篪焊顺序，以减小焊接应力。(3)层状撕裂：焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹称为层状撕裂。它主要产生在母材中，常在距焊缝熔合线IOmm左右或厚板中心处发生。产生层状撕裂的主要原因是钢材中MnS和A1202等杂质，在轧制钢板过程中被轧成长条状和层状，在焊接应力作用下，基体与夹杂物被拉开，引起撕裂。为了防止层 太原理工大学硕士研究生学位论文状撕裂，除了采取上述防止冷裂纹的主要措施外，还可采取如下措施：选用含MnS和A1202等杂质较少的Z向钢；焊前在钢板表面堆焊一层低强度高塑性的熔敷金属过渡层，以吸收部分zN应力和变形；采用强度较低的焊条焊接。1．4．4运输、安装和使用维护中的缺陷钢结构在工厂加工制作完成后，运至现场安装，安装完毕进入使用期。整个过程中通常可能遇到以下缺陷。1．运输过程中引起结构或构件较大的变形和损伤；2．吊装过程中引起结构或构件较大的变形和局部失稳；3．安装过程中没有足够的l临时支撑或锚固，导致结构或构件产生较大变形，丧失稳定性，甚至倾覆等；4．现场焊接及螺栓连接质量达不到设计要求；5．使用期间由于地基不均匀沉降，温度应力以及人为因素造成的结构损坏；6．不能做到定期维护致使结构腐蚀严重，影响到结构的耐久性。1．4．5钢结构的低温冷脆钢结构的脆性破坏通常都是在冬季低温下发生的，所以习惯上把低温下的脆性破坏称为低温冷脆现象。这里的低温通常是指低于一15"C的温度。与其它建筑材料相比钢具有高强、匀质、较高的塑性和韧性，这些特性保证了钢结构较好的工作可靠性。但是在低温下钢的力学性能受到影响，从而使钢构件的工作性能受到限制，塑性和韧性大为降低，这样就提高了发生脆性破坏的可能性。下图是钢及其构件主要力学指标随温度变化的特征曲线‘1钔叫2“。从图1—6可以看出，钢的屈服强度(‘)和极限强度(fu)随温度的降低而提高，而且fv增大速度比fu快，也就是说，钢的塑性随温度降低而降低。当温度降至T。。曲线0和fu相交，此点称零塑性l临界温度。钢的冲击韧性(Alcv)随温度的降低而降低，即钢的韧性随温度的降低而降低。而作为钢构件，其破坏强度(fD)、破坏截面收缩率、l，、破坏时所释放的能量(A。)和破坏截面亮纤维状含量百分比(§)等都随温度的降低而降低。 太原理工大学硕七研究生学位论文ABC厶‘心0＼，7瓤瑞{0Z．100。f奢k一hjO工一I-aH，夕。。4厂一。丁／℃图卜6钢及其构件主要力学指标随温度变化特征曲线图Fig．1-6Thefeaturecurveofmechanicsindexaboutsteelmembers’changewithtemperature除低温外，影响钢结构低温冷脆性能的因素很多，且可分为冶金、结构工艺和工作环境三大类。其中最有代表性的是：材料性能、应力状态及应力集中、构件尺寸等。为提供钢结构构件较高的工作可靠度，除钢的强度保证外，还应有较好的其他工作和工艺技术指标，如焊接性能、抗脆性能和疲劳性能、极限塑性和抗裂纹扩展性能等。材质对脆性破坏的影响，主要体现在钢材本身的塑性和韧性，而它们又取决于钢的化学组成、晶体结构以及冶炼方法。研究表吲191，低合金钢的抗冷脆性能比低碳钢高，而低碳钢中的镇定钢、半镇定钢和沸腾钢的抗冷脆性能依次降低。在理论上主要是因为钢本身从塑性破坏向脆性破坏的临界转变温度T。与钢晶体结构线性尺寸d服从以下关系：乙=E—Fin[I／√dJ，式中E、F为系数。研究同时表明，晶体结构线性尺寸d越小的钢材对裂纹的敏感性越高，其含缺陷构件的从塑性破坏向准脆性破坏的临界转变温度Tcrl增长越快。在其它条件相同的情况下，构件的结构形式对脆性破坏起决定性作用，它相当于脆性破坏的一个综合影响因素。因为构件的应力状态和实际工作状态一般取决于结构形式，而且构件加工制作工艺以及所遗留的初始缺陷也和结构形式有较大的关系。有人总结了六种结构形式为典型的低温冷脆结构形式。这些结构形式具有以下共同特征：由焊接缺陷引起的高应力集中以及由加工引起的区域性硬化和脆化。应力状态对钢材及其构件的塑性和韧性的影响很大。钢结构受拉构件在局部高应力集中区往往产生双向和三向拉应力状态，而在该应力状态下钢及其构件破坏时的塑性变形大为降低，这样就可大大提高钢结构构件发生脆性破坏的可能性。 太原理工大学硕士研究生学位论文构件厚度对脆性破坏的影响与构件应力状态的改变是紧密联系在一起的。在含有缺陷的构件中，当构件很薄时，缺陷部位近似处于平面应力状态，沿厚度方向的应力很小。随着厚度的增大，沿厚度方向的应力逐渐增加并使该处处于三向受拉状态，且逐步向平面应变状态过渡，这同样提高了钢结构构件发生脆性破坏的可能性。综上所述，钢结构由于其先天性的材质缺陷和后天性的加工、制作、安装、使用缺陷以及其内在的低温冷脆性能，使得钢结构建筑从诞生起就与钢结构的事故紧密相连。如何能从设计和施工方面出发来更好地提高钢结构和钢结构构件的抗震性能和抗脆断性能，不仅对于进一步推广钢结构住宅的应用有着特别的意义，而且对于使用和居住钢结构住宅建筑的人们的生命财产安全也有着特殊的作用。1．5脆性断裂及断裂力学相关理论评述从19世纪末期世界范围内大量开始使用钢结构起，钢结构的脆性断裂事故频频发生。起初由于断裂力学理论还没有形成，人们对事故的原因认识不充分，随着断裂力学理论的建立和完善，人们逐步认识到钢结构的脆性破坏是其特有的一种破坏形式，它有着比较复杂的机理。由此基于断裂力学的钢结构缺陷评定理论也相应产生。1．5．1金属断裂的分类、特点及影响断裂的因素(一)金属断裂的分类在应力作用下，使金属分裂成两部分或者几部分的现象称为完全断裂。金属内部存在裂纹而不完全分离的现象称为不完全断裂。焊件完全断裂后，不仅完全丧失服役能力，而且还可能造成不应有的经济损失和伤亡事故。因此，断裂是最危险的失效类型。一般认为，当金属材料所受荷载大于该材料所能承受的极限荷载时，就会发生断裂。断裂现象可以有多种分类标准。例如，根据金属材料断裂前变形的大小，可将断裂分成为塑性(韧性)断裂和脆性断裂：按照金相显微组织的形状可分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照宏观形态的方位可分为正断(断口与受力方向垂直)和切断等。一般将金属的断裂按塑性和脆性分类，是金属断裂分类最主要的类别恤1。1．脆性断裂 太原理工大学硕士研究生学位论文典型的脆性断裂可以表现为沿一定结晶平面的劈裂(解理断裂)和沿晶界的断裂。在承受载荷的金属材料中，当某一部位形成了裂纹核之后，它们会进一步聚集长大，当裂纹达到某一临界尺寸时，将会发生解理断裂。在一般情况下，首先在承受载荷材料的缺口根部出现应力集中和应变集中，形成塑性区。当应力达到临界应力of时，便会产生解理裂纹的扩展，在扩展过程中将前方裂纹核连成一片，最后导致解理断裂。根据理论推导，提出了解理断裂的临界条件为o"／≥毪；(1叫』、，式中：p一剪切弹性模量r表面能；d一晶粒尺寸；‘K：一与晶粒度有关的材料常数，代表一个晶粒屈服后。使临近晶粒屈服所需要增加的剪应力值。由上式可以看出，晶粒粗大，材料的屈服极限增高，均易促使解理断裂发生。解理断裂后的宏观断口特征是：断口表面平整，断口颜色光亮，呈晶状断口。这是由于解理面往往是晶体内原子排列密度最大的晶面，且多晶体各晶粒的解理面不在同一平面内导致的结果。断口中没有宏观塑性变形，断口平面垂直于主应力作用的方向。解理断裂常常发生在低温、大变形速度、严重应力集中和大晶粒度的情况下。一般说来，具有面心立方(fcc)晶体结构的金属材料不会发生解理断裂。具有体心立方(bcc)和密集六方(hcp)晶体结构的金属材料，如纯铁、低碳钢、钨、钥、铬(均属bcc)和锌、铍和锰(均属hcp)等金属，都会发生解理断裂。由于奥氏铁不锈钢是Fcc晶体结构，因此，可以在很低的温度下工作而不发生脆性解理断裂。由于许多原因，在金属和合金中会产生低应力晶问断裂。例如，在焊接结构使用过程中所发生的应力腐蚀断裂、氢脆以及焊接时液态金属凝固时发生的断裂等大都属于晶间断裂。在许多材料中，由于溶质元素的偏析，将使晶界与晶粒内部的位能不同，在晶界上出现了第二相粒子。当它们在晶界上形成了网状薄膜、微空隙或微空隙聚合成核时，如果不利环境对品界产生作用，沿晶界的断裂就会产生。 太原理工大学硕七研究生学位论文2．塑性断裂大多数金属材料在正常工作情况下都不会出现脆性断裂，统称为塑性材料，例如常温下的低碳钢、铝及其合金等。塑性断裂在机理上不同于脆性断裂。塑性断裂的过程可分为两个阶段：裂纹的成核和裂纹的聚集和扩展。塑性断裂的宏观断口呈纤维状，颜色比较暗，断口边缘有剪切唇，断口附近常有显著的宏观塑性变形和滑移线，试件拉断时出现杯状断口(圆柱形试件)或45度斜断口(平板形试件)。(二)金属材料脆性断裂的特点1．山形花样：金属脆性断裂时，无论是具有解理形貌的断口，还是呈光泽的结晶状外观的断口，都与板面大体垂直，且在板厚方向上变形很小。在表面附近有一层剪切壁，呈无光泽纤维状的剪断型。材料越脆，断裂时剪切壁越薄。断口上花样的尖端，总指向起裂点的方向，形成山形花样。追踪这个花样就可找到起裂点。2．断裂应力及断裂传播速度：脆性断裂产生于结构的平均应力非常低的条件下，以低应力破坏为重要特征。脆性破坏从能量观点来说，属于不稳定破坏，这个传播速度最大可达2000m／s。3．缺口脆性和低温脆性：焊接结构的脆性破坏常发生在低温环境中，这是低温脆性破坏的有力证据。但从发生脆性破坏的结构上制取的拉伸试样表明，即使在比结构破坏时低得多的温度下仍具有足够的塑性，因此仅仅低温还不能发生脆性破坏。试验证明，脆性破坏的必要条件是低温下缺口的存在，即脆性破坏是在缺口和低温共存时容易发生，故叫缺口脆性或低温脆性。4．转变温度：把带缺口的试样在某温度下发生急剧的脆化使之破坏时的温度叫转变温度。如果转变现象发生在某温度范围内，以这个范围的中心也可作为转变温度。转变温度高，就是缺口敏感性大，缺口韧度低。材料的缺口韧性只有相对意义，不能用来计算实际结构的转变温度。转变温度原则上会出现两次韧性降低的现象，即存在有两个转变温度，一个叫起裂转变温度，一个叫断裂转变温度。试验温度下降到断裂转变温度时，断口的大部分从延性向脆性转变；在稍低于此温度时，除与缺口尖端相邻的部分外，余下部分都变成了脆性断口。随温度的进一步降低，延性断口慢慢减少，在起裂转变温度附近完全消失。从断口的特征看，起裂转变温度是表示缺口尖端发生 太原理工大学硕士研究生学位论文起裂时，从延性向脆性转变的转变温度；而断裂转变温度则是表示裂纹传播时显示出延性还是脆性的转变温度。(三)金属材料脆性破坏的条件多晶体金属材料发生破坏的条件，一般多用Ludwik于1927年提出的断裂应力盥线的概念如下图所示，用纵坐标表示正应力o，横坐标表示变形8。当某处的。及8都恰好等于断裂应力曲线上的某点的值时，才能发生断裂。图1—7中曲线l为解理断裂应力曲线，曲线2为延性断裂应力曲线，曲线3为流动应力曲线。图卜7应力曲线及产生断裂的条件Fig．1—7Thestresscurveandtheconditionofgeneratefracture流动应力曲线是表示金属材料发生脆性断裂的某处从屈服到断裂的。和e之间的关系曲线，也叫屈服应力曲线。这个蓝线与断裂应力曲线的交点就是发生了断裂的断裂点的应力和变形条件。断裂应力曲线有脆性断裂应力曲线和延性断裂曲线。图1—7是应力曲线和发生断裂条件的示意图。其中(a)是表示光滑的圆形及带状试样在室温拉伸试验中延性破坏的情形，它是在延性断裂应力曲线与流动应力曲线交点的应力和变形条件下发生了断裂。由于是同延性断裂曲线相交，因此发生的是延性断裂。解理断裂应力曲线几乎不受温度、应力状态、变形速度等因素的影响，可以认为对每种钢材都保持固定不变的形状。但流动应力曲线及延性断裂应力曲线对这些因素较敏感，高度及倾斜度都将发生变化。三个应力曲线的关系如图1—7所示．若流动应力曲线先与解理断裂应力曲线相交，就发生脆性断裂，若先与延性断裂应力曲线相交，就发生延性断裂。 太原理工大学硕士研究生学位论文(四)影响金属材料脆性断裂的因素不同的金属材料，或虽属同种金属材料但组织构造不同，在同样负荷条件下，将会发生不同形式的断裂。甚至一些同样组织构造的材料，在不同的工作条件下，也可能发生不同形式的断裂。可以将影响断裂的因素归结为：．1．化学成分的影响金属材料除了基本成分外，还含有各种合金元素、杂质、气体和夹杂物，这些对金属材料的性能和断裂都产生重大影响。一般来说，降低碳、磷、硫的含量和增加锰的含量，对防止断裂是有利的，因为这样既提高了钢的塑性，又保证了钢的强度。2．组织和状态金属材料特别是钢的组织和状态对材料的性能有重大的影响。实验证明，金属材料晶粒度的增大能使其脆性解理断裂的危险性增加。研究指出金属当其他性能不变时，随晶粒尺寸的增加，断裂临界应力值of下降，因而发生脆性解理断裂的危险增大。此外，表面能T值越大，断裂的临界应力。他增大，结果使发生脆断的危险下降。3．板厚的影响板件厚度对断裂的影响可以分为内部和外部几何因素两种。通过对断裂力学的研究，我们知道加大板件厚度将使其塑性约束加大，断裂将从塑性向脆性转变，并由平面应力状态向平面应变状态转变。4．温度的影响对大量焊接钢结构脆性断裂事故的调查，证实低温是造成脆断的重要原因。如果结构上有缺陷或缺口，则温度的影响更为严重。试验发现，随着温度的降低，屈服强度会增高，并且接近于强度极限，这时就可以出现完全没有屈服的断裂。5．应力集中和多向应力的影响由于设计不良或产生缺陷导致焊接结构承载截面的突然变化，常会引起严重的应力集中，同时由于缺口效应，应力集中可能使一定板厚的结构受力部分由单向应力变为三向应力。在三向应力作用下，正应力与切应力之比增大时会使脆性断裂易于发生。6．加载速率的影响大量实验表明，高的加载速率会使材料出现脆断的危险增加，一般认为其影响与降低温度相当。随着变形速率的增大，材料的屈服强度将会增加，其原因是材料来不3l 太原理工大学硕士研究生学位论文及进行塑性变形和滑移，因而位错摆脱束缚进行滑移所需的热激活时间减少，使脆性转变温度提高，所以易于产生脆断。当试件上有缺口时，应变速率的影响更为显著。脆性裂纹一经产生，裂纹尖端就会有很严重的应力集中，这一急骤增加的应力，相当于一个加载速率很高的荷载，使裂纹迅速失稳扩展，最后使整个结构发生脆性破坏。7．缺口尖锐程度的影响带缺口的试样，在缺口尖端附近存在塑性应力集中的现象，在板厚方向的中央有与载荷同方向的最大拉应力6v，同时X方向上的拉应力瓯及板厚方向的拉应力吼也相当大。B|J在x轴(它是在板厚中央面上缺口中心线的延线)上的应力最大，且此轴的三个方向上应力分布的最大值如图卜2所示，ox、o，、6：都在X轴上缺口尖端稍里的位置上。这种应力集中及多轴应力状态，随缺口深度及尖锐度的变化而有很大变化。X图l一8缺口尖端的塑性应力分布Fig1-8Thestressdistributiononthenotchpoint应力集中使屈服点o；提高，但不影响流动应力曲线的斜度。多轴应力也使屈服点提高，而且使流动应力曲线变陡。延性断裂应力曲线也升高。但解理断裂应力曲线没有缺口效应，不受应力集中即多轴应力的影响。由于缺口效应，使个应力曲线变化，导致发生脆性断裂。断裂的起始点在板厚中央的缺口尖端稍向里一点。缺口效应使流动应力曲线的上升也是有限度的。故在塑性应力状态下，o；的提高也是有限度的。实际结构的脆性破坏，就是缺口效应和低温效应共同作用的结果。1．5．2断裂力学的相关理论断裂力学是固体力学与材料科学结合而形成的--f-]科学，其基本思想是从构件存32 太原理工大学硕士研究生学位论文在宏观裂纹这一点出发，利用线弹性和弹塑性力学的分析方法，对构件中裂纹问题进行理论分析和实验研究，从而对含裂纹构件的安全性和寿命给出定量和半定量的估算㈨～㈨。(一)线弹性断裂力学．断裂力学学科的先导者是英国科学家A．A．Griffith。他在1920年、1924年相继发表的两篇论文中建立了脆断理论的基本框架。Griffith这一划时代的贡献得益于Inglis关于含椭圆孑L无限平面介质的弹性解。Irwin和Orowan在同一时期内分别独立地建立了工程材料的脆性断裂理论，提出了把Griffith学说应用于不局限于表面能控制的脆性断裂过程的物理基础和操作方案。Irwin在1957年完成了应力强度因子理论的基本框架，并提出弹塑性材料的小范围屈服理论。线弹性断裂力学研究的对象是线弹性裂纹固体，认为裂纹体内各点的应力和应变的关系都是线性的(遵守Hook定律)。在金属材料中，严格的线弹性断裂问题几乎不存在，因为裂纹的扩展总伴随有裂纹尖端的塑性变形。但理论和试验都证明，只要塑性区尺寸远小于裂纹的尺寸，经过适当的修正，用线弹性理论分析不致产生太大的误差。对于低韧性高强度钢，以及大断面尺寸或处于低温条件下工作的构件，往往在断裂前裂纹尖端的塑性区尺寸是很小的，因此可以用线弹性断裂理论进行分析。1．K准则对于载荷作用下的含裂纹构件，当其应力强度因子K达到某一临界磁时，断裂就会发生。断裂准则可以表达为(以I型为例)：KI=Kic。式中的右端项KIc是表示材料抵抗宏观裂纹失稳扩展的韧性参数，是材料本身物理的属性，应由试验定。对于某种材料而言，该参量是一个与裂纹几何特征类型、构件形状、载荷类型、裂纹长度等因素无关的参数。实验证明，在一定的温度下，只要材料厚度B超过一定值B。，KIc就是材料常数，此时裂纹前缘材料基本处于平面应变状态，塑性区尺寸很小，此时会发生脆性断裂。应力强度因子K具有一般表达式：K，：Yo"√石(1—2)其中，Y为形状系数，它考虑了边界或其他裂纹离该裂纹远近程度的影响、裂纹 太原理工大学硕士研究生学位论文的走向以及裂纹形状等因素的效应。自从Griffith、Irwin为断裂力学奠定基础之后，人们计算出了各种问题的Y值，提供了250多个解，并汇编成应力强度因子手册供查用。Z，G准则．Griffith在研究材料脆断性能时，揭示了脆断过程受控于一个称之为能量释放率的物理参量G一去=甏一鼍(·_s)式中，符号G是为了纪念Grimth。B代表裂纹体厚度。裂纹长度为a，W为外力功，U为弹性应变能。G的量纲为N／m，代表单位厚度上的裂纹扩展力，它是一种广义能量力。G与载荷、裂纹几何尺寸、材料性能和应力状态有关。裂纹扩展单位长度时弹性系统所需消耗的能量叫做临界裂纹扩展能量释放率或裂纹扩展阻力，记为G。或R，则有Gc2考嘉+吾三，从而裂纹扩展条件，即G准则可写为G2Gc·在平面应变情况1．，2下有G，c=二÷K名。上式说明，K不仅表示裂纹尖端附近弹性应力场的强度，而且它的平方也确定了裂纹扩展时所释放出来的能量率“⋯。(二)弹塑性断裂力学线弹性断裂力学只适合于解决裂纹尖端发生小范围屈服的情况，对于高韧性材料制造的含缺陷构件，裂纹起裂前，裂纹尖端塑性变形区域较大，裂纹在起裂后，要经过稳定扩展阶段以后才会发生失稳扩展和断裂。如果仍用线弹性断裂力学进行分析，将导致过于保守，不能充分利用材料的承载能力，于是弹塑性断裂力学被引入焊接结构的缺陷评定技术中。弹塑性断裂理论的发展起步于60年代，英国科学家认为弹塑性断裂过程集聚于裂纹前方的条状屈服区，并发展了各种断裂过程区模型，如BCS连续位错模型、Cottrell的各种断裂过程区模型、Dugdal的简化条状塑性区模型、Barenblatt的内聚断裂模型等。上述模型为Wells在60年代初提出以裂纹张开位移为断裂参量的想法提供了物理基础，并在70年代末发展为压力容器结构和承压结构的缺陷评定标准。美国科学家则更多地继承了Irwin关于用应力强度因子来刻划裂纹尖端奇异场强度的思想。这一探索在1968年获得突破，J积分和HRR场成为影响一代弹塑性断裂力学学者的断裂参量和奇异场分析方法。以J积分作为断裂准则，美国电力研究院发展 太原理工大学硕士研究生学位论文了弹塑性缺陷评价的工程估算方法，称为EPRI，并在1991年推出了一本较完整的延性断裂手册。目前用于焊接缺陷评定的弹塑性断裂力学的研究方法有以下几种：1．COD理论如果含裂纹构件由塑性较好的金属材料制成，当受到外界载荷作用时，由于裂纹尖端高度应力集中，从而使该处材料发生塑性滑移，导致裂纹尖端的钝化，裂纹表面也随之张开，COD即为裂纹尖端张开位移(CrackTipOpeningDisplacement)，也被称作COD，可以用来表征裂纹尖端应力场的强弱程度，其大小与裂纹体的受载情况有关。COD理论是以D．M窄条屈服模型为基础的弹塑性断裂准则，为了扩大其应用于裂纹处于全面屈服区的断裂分析，用含中心贯穿裂纹的宽板拉伸试验结果给出一条研究裂纹容限的经验曲线，成为COD设计曲线。在材料力学性能已知的情况下，通过对含缺陷结构的应力分析，结合COD曲线，可以得到表征裂纹端部应力应变场强弱的COD值。并且，随载荷的增长，裂纹尖端的6值也增大，当6值达到某一临界值时，裂纹即开始扩展，因此，按COD理论建立的断裂判据为：6；5c其中6c为l晦界COD值，可通过小型三点弯曲试样在全面屈服条件下由间接测量的方法测定出来，基本上是一个与试样尺寸无关的材料常数，也成为材料的断裂韧性指标啪1。2．J积分理论J积分是弹塑性断裂力学的另一十分重要的参量。它既能描述裂纹尖端区域应力应变场的强度，又容易通过试验来测定。J积分具有两种定义或表达式：一种是回路积分定义，另一种是形变功率定义。回路积分定义，即有围绕裂纹尖端周围区域的应力、应变和位移场所组成的围线积分给出的定义，使J积分具有场强度的性质。对于二维问题，Rice给出的J积分是一个如下定义的回路线积分：J=f(r／dx一一正豢西)“-1’2)(1--4)式中卜围绕裂纹尖端的一条任意反时针回路。起端始于裂纹下表面，末端终于裂纹上表面；w一回路r上任一点(x，Y)的应变密度；Ti一回路r上任一点(x，y)处的应力分量； 太原理工大学硕士研究生学位论文ur·回路r上任一点(x，Y)处的位移分量；ds_一回路r的弧元。Rice经过推导，严格证明了在满足不计体力、小应变以及单调加载条件下，J积分的数值是一个与积分路径无关的常数，即具有守恒性。也就是说，J积分就象线弹性问题中的K因子一样，反映了裂纹尖端的某种力学特性或应力应变场强度；同时在分析中有可能避丌裂纹尖端这个难以直接严密分析的区域。J积分的形变功率定义。J积分的回路积分定义，虽然定义明确，又是tE较严密的裂纹尖端场参量。但在非线性情况下利用围线积分求J值十分麻烦。而在工程上应用方便的断裂判据参量，必须易于理论估算和实验测定，因此，工程上往往用的是J积分的形变功率定义。1．5．3断裂力学评定方法的发展及应用断裂力学的快速发展为含缺陷结构的安全评定奠定了理论基础，产生了诸如COD曲线、R6和EPRI失效评定图等以“合乎使用”为原则的断裂评定规范，标志着缺陷评定技术的有力进展。首先是以线弹性断裂力学和COD为基础的缺陷评定技术。早期的缺陷评定技术是以线弹性断裂力学为基础的，即先通过计算或手册查出实际含裂纹构件的应力强度因子KI(对l型裂纹)，再与材料的平面应变断裂韧度值KIc比较，若前者小于等于后者则是安全的；否则构件将发生破坏。这种评定方法比较简单，但仅能用于比较脆的或以弹性方式失效的材料，因而限制了它的直接使用。美国机械工程师协会(AsME)规范第1II卷附录G和第XI卷附录A就是这方面的典型代表【2I】。附录G严格讲是选材标准，而附录A则可认为是评定标准。继1971年ASME将线弹性断裂力学应用于压力容器缺陷评定后，1975年国际焊接学会在英国焊接研究所的支持下又编制了一套以弹塑性断裂力学裂纹张开位移(CDD)判据为基础的缺陷评定方法～英国WEE／37和IIW方法。后来在英国、日本等国家也都发布了一些以COD设计曲线为基础的缺陷评定规范。由于COD的理论基础及定义都不够严密，给出的结果又过于保守，因而以COD设计曲线为基础的评定文件如英国的BSPD6493和我国的CVDA一84一直未成为正式标准，只是以指导性文件存在。 太原理工大学硕士研究生学位论文其次是以弹塑性断裂力学J积分理论为基础的缺陷评定技术，弹塑性断裂力学判据以其理论严密而受到人们重视。随着有限元方法及电子计算机的应用，美国电力研究院给出了一种基于材料服从Ramberg—Osgood本构关系的弹塑性断裂分析工程方法简称EPRI全塑性解。它的基本思想是将裂纹扩展驱动力J等分为线弹性解和全塑性解，线弹性解由Irwin考虑硬化修正的应力强度因子换算，全塑性解由所给图表进行内插，从而得到实际裂纹体结构的裂纹扩展驱动力。同时，他们在J积分的基础上建立了失效评定图的方法。英国中央电力局(CEGB)早在1976年发表了题为“带缺陷结构的完整性评定”的RIHR6报告，简称为R6方法，也采用了失效评定图技术(曾被称为双判据法)。但当时的失效评定图中失效曲线是从COD理论塑性材料窄条屈服模型和线弹性断裂力学KIc=吼√肋的关系导出的，理论上不严格，只能看作经验关系式。后来在吸收美国BRPI方法成果的基础上，1986年CEGB发表了R6第三版，称为新R6方法。它以J积分取代了理想塑性材料的窄条屈服模型，将失效评定曲线的物理意义阐述得非常清楚，形成了J积分的R6失效评定图。J积分失效评定图能同时完成三种失效模式的评定，即缺陷很大且材料很脆时的线弹性断裂失效、缺陷很小且材料较韧时的塑性失效的过渡情况的弹塑性失效叭卜∞1。而且如果有了失效评定曲线，评定时可以仅进行线弹性断裂参量的计算，而评定给出的结论却是弹塑性断裂分析的结果，工程应用十分方便，显示了J积分失效评定图技术的强大优越性，也反映了近几年弹塑性断裂力学的重大发展。目前失效评定图技术正在不断完善，在考虑热应力和残余应力及约束效应等影响的缺陷评定技术方面也取得了不少成果。1．5．4断裂力学评定中的前沿方法断裂力学评定中的前沿方法主要有以下三种：1．基于概率的断裂力学评定方法：实际工程中。无论是结构的尺寸、缺陷的大小，还是材料性能参数都不是确定值，而是以一定的分布规律分布的。而且由于探伤技术的局限和操作者技术水平的不同，使无损检测的结果并不十分明确。另外缺陷结构的应力状态由于理论分析时的各种假定与计算过程中的各种简化而使分析的结果也变得不明确。为了能正确处理这样一些不确定的问题，各国的科技工作者都在进行大量的工作。可靠性工程学在安全评定上的应用，自70年代就引起了广泛的重视。 太原理工大学硕士研究生学位论文日本早在1975年即在钢结构协会成立了“安全可靠性研究组”，1978年无损检测委员会进行了“设备使用中定期检查有效性”研究，1983年JWES断裂力学缺陷评定规范中已列入可靠性方法的评定。英国在80年代初就颁布了可靠性标准。我国于80年代初开始对压力容器可靠性工程进行研究。Gates进行了基于失效评定图的安全评定MonteCarlo方法求解。单个缺陷深度的概率取正态分布，出现特定尺寸缺陷的概率取MarShall分布，长深比的概率取Weibull分斫i：断裂韧性和材料强度的概率取对数正态分布或Weibull分斫i。CEGB编制了相应的计算机软件完成上述评定计算。2．模糊论方法：事务的模糊性是客观存在的，是由事务的差异之间存在着中介过渡过程或亦此亦彼状态而产生的。事务在中介过渡过程中对～定质的隶属程度的不断变化正是模糊概念存在的基础。例如，许用应力、断裂韧度等概念，当考虑从完全许用到完全不许用之问的中介过渡过程时，就是模糊概念。另外，专家评估时习惯用模糊语言变量来进行推理和决策。焊接结构的结构完整性评定是非常复杂并难以用精确数学来定量表示的过程。既然人们不可能对全部因素都进行精确考察，那么在一个压缩了的低维因素空间内，利用模糊的概念来研究和处理问题时往往能辨清真相。模糊数学在压力容器的安全评定中刚刚起步。戴树和等运用模糊集理论，在模糊评判、模糊极值函数方面对化工装备中的可靠性评估技术进行了探讨。3．智能化的评定方法：随着计算机的广泛应用，用于含缺陷结构安全评定的计算机软件和专家系统也应运而生。国际上，如美国BattelleColumbusLaboratory编制的计算机软件NRCPIPE，此软件采用了J积分的5种评定方法，用于计算含裂纹管道的起裂荷载和最大承载能力；在国内，南京化工大学编制了“含焊接缺陷结构疲劳可靠性评定的专家系统”，提出了疲劳模糊评定图；还将人工神经网络方法应用于含缺陷压力管道疲劳寿命预测和承受外弯矩能力的评定。为了将专家的经验完整地积累和继承下来，必须开展断裂评定专家系统的研制，并建议开展人工神经网络技术在结构缺陷安全评定中的应用研究。1．5．5国际通用的缺陷评定规范对于焊接结构存在的缺陷，并非全部都会导致结构断裂失效。因此，从安全性和经济性的角度考虑，需按某种标准评定其是否允许存在。目前国际上使用的评定标准 太原理工大学硕士研究生学位论文分为两类：一类是以“控制质量”为基础的标准：另一类是以“合于使用”为基础的控制标准。“控制质量”评定标准仅仅基于经验积累，要求结构的质量保持在某种水平之上，而未考虑缺陷的具体形态及对产品可靠性的影响，缺乏定量计算，往往造成不必要的经济损失。“合于使用”评定标准基于断裂力学的研究成果，定量计算缺陷对产品使用性能的影响，对焊接结构进行临界评定，从而可以决定带缺陷结构的最大安全承载能力或给定荷载下的最大允许裂纹尺寸。“合于使用”标准比控制质量标准更加严密、科学。从70年代初开始，世界各国针对各种焊接结构的缺陷评定技术提出了一些工程评定方法和规范，这些方法和规范在不同发展时期基于不同的理论基础，评定的路线也各不相同。其中影响较大的评定规范包括：1)美国机械工程师协会(ASME)于1977年发表的“锅炉与压力容器规范”第1II卷附录G“防止非延性破坏”和第xI卷附录A“缺陷显示的分析”，它是基于线弹性断裂理论的评定方法，其主导思想是防止结构的脆断，保证安全可靠。这种方法在估算压力容器抗脆断能力的安全分析中起了重要作用，但因其对壁薄、材料韧性较好的结构不能使用，所以只能作为评价容器母材断裂韧性好坏的一种定量参考标准。2)英国标准协会(BSI)于1991年颁布的《焊接接头缺陷验收标准》(PD6493)，基于弹塑性断裂标准，以窄条区屈服模型(D．M)为基础，用一条确定裂纹容限的经验曲线——COD设计曲线进行断裂分析，既可对已知缺陷进行安全评定，又可给出估算的允许缺陷尺寸。除了考虑脆性断裂外，还考虑了疲劳破坏以及泄漏、腐蚀、腐蚀疲劳、应力腐蚀等问题。3)美国电力研究院(EPed)于1982年发行的“含缺陷核容器及管道完整性评定方法”，是采用先进的J积分理论为基础的弹塑性断裂分析方法，其定义明确，理论严密，提供手册式的全塑性一览表，给出各种含裂纹构件的J积分全塑性解，结合已有的弹性解，可计算出各种裂纹构型的弹塑性解，从而分析结构的承载能力和安全裕度等。该规程采用失效评定图(FAD)技术进行压力容器和管道的缺陷评定，采用新的失效评定曲线，无论从理论基础还是工程实际应用，都比以COD理论为基础的缺陷评定标准更加科学合理，更加具有先进性。并且，充分考虑了材料应变硬化阻力曲线，不仅用于预测裂纹开裂，还可以用于分析稳定扩展至失稳扩展的全过程。 太原理工大学硕士研究，上学位论文4)英固中央电力局(CEGB)发行的“有缺陷结构完整性的评定”，该标准的第一版和第二版(也称旧R6方法)的失效评定曲线，依然以COD理论为基础。CEGB于1986年发表了R6第三版(称为新R6标准)，对旧R6进行了彻底的修改，采用J积分理论为基础，考虑材料应变硬化效应，提供了建立失效评定曲线的三种选择方法，对裂纹延性稳态扩展的处理方法有重大改进，提出缺陷评定的三种类型分析方法。同时，新R6的第三种选择也允许采用EPRI手册作为一种替代方法，所以，可咀说新R6方法也包括EPRI方法。通过新R6提供的失效评定曲线，可以完成脆性失效、弹塑性失效和塑性失效三种失效模式的评定，还可大致判断结构如果失效时的可能模式，并可计算出结构的安全裕度。新R6方法是目前世界上最先进的压力容器安全评定标准。5)中国CVDA．1984“压力容器缺陷评定规范”，其技术路线为COD设计曲线法，与PD6493的技术路线相似，与当时其他COD设计曲线相比较，CVDA中各段曲线的安全裕度大致相当，更趋于合理，更具有先进性。该标准对脆断、疲劳、泄漏、塑性失稳等情况均给出了比较具体的评定方法，而且对于应力腐蚀、腐蚀疲劳、蠕变腐蚀的评定也给出了一般性的指导原则，内容全面详细。1．6本文的研究内容本文以山西首幢高层钢结构住宅为工程背景，结合本工程中出现的特殊的设计和施工问题，主要解决以下内容：1．上部新增钢结构对下部混凝土结构承载力的影响结果及对策。。2．首节钢柱加工制作存在的质量问题及对策。3．首节钢柱与原下部混凝土柱的连接问题及对策。4．第二节方钢管混凝土杠的混凝土浇灌问题及对策。5．钢结构梁柱连接处高强螺栓的脆性断裂事故及对策。 太原理工大学硕士研究生学位论文第二章山西首幢高层钢结构住宅施工关键技术问题研究2．1工程概况山西首幢高层钢结构住宅是在原有地下一层地上四层的钢筋混凝土基础上改建的一座商务综合建筑，占地面积2757．80m2。本工程最终设计结构主体高度为96．2m，建筑造型高度为127．45m，其建筑立面效果图和剖面图如图2一l、图2—2所示，该建筑建成后将成为山西省的标志性建筑。图2—1立面效果图Fig．2·IEffectivepictureofbuilding本工程原设计为框架柱+混凝土核心筒结构，地下1层，地上14层，筏板基础。当混凝土结构施工至地上4层(±16．5m)时，应业主要求，将整个建筑从14层调整为18层，层高5．35m，并从现有的4层混凝土结构起改为采用钢框架一支撑结构体系。设计时为了使下部的钢筋混凝土结构层能与上部的钢结构层良好地协同工作，经分析论证，决定采用型钢混凝土结构作为过渡层。为了减缓各结构体系问的刚度突变，又在型钢混凝土与纯钢结构之间设置了方钢混凝土层作为过渡。这样，本工程由底至顶的结构变化就成为钢筋混凝土结构一型钢混凝土结构一方钢混凝土结构一纯钢框架一支撑结构。其中型钢混凝土结构层从±16．5m至±26．65m，方钢混凝土结构从±4l 太原理工大学硕士研究生学位论文26．65m至--+37．35m，±37．35m以上为纯钢框架—支撑结构。12o．550悠臣弋。■‘i二．魍110B5D隧m§i屉IF彳I——引k101．750刊I}m；眦§窿95．200一宦90日SO鄢1十^盖∽ln十七层銎85．509』墨ea"50n十大点o拥．1十五点銎7‘BOO一已丌_1十四璺器6口●50o一n{三是64．100一，n‘E点裂5日．750o一器53．400-]—}．一-皇一∽]十层吕墨49．OSO一器42．7001九甚一{抽n八皇舀j7，j石0_器j2DOO_]七层D一{∽_]六层霉26．650一{"掣“．∞D五晏oL．-J^‘田届驾16500茎1Zf。W警三差昌翻二层目7．5003．900一翻麦届『王甜—≮§一晨星‘；o旦墅忻耋笆嚣器Ir丌地下盅5口00750D65口075a0图2—2建筑剖面图Fig．2—2Profileofbuilding 太原理工大学硕士研究生学位论文2．2原建筑下部混凝土结构部分的质量问题及处理对策2．2．1原建筑下glj,g凝土结构检测结果为了对原建筑进行加层和结构体系的改造，建设单位委托山西省土木建筑学会建筑物鉴定与加固专业委员会对该建筑己建的地下一层及地上一、二、三、四层混凝土结构进行了外观普查和混凝土构件强度检测，笔者有幸参加了此项工作，最终检测鉴定结果如下：1、外观普查结论(1)共抽查17根柱的截面尺寸，其中4根超正公差，占23．5％；(2)柱、剪力墙、梁、楼板的局部出现错位、麻面、露筋及裂缝。2、钴芯法检测混凝土强度结论本次钻芯法检测共取芯样29个，强度评定结论如下：(1)梁、板混凝土强度地下一层：漏疑B彰期宪值30．2Mpa<原设计混凝土强度等级(C45)一层：混疑坷职期建值26。1Mpa<原设计混凝土强度等级(C30)二层：混疑场职研定值26．7Mpa>原设计混凝土强度等级(C25)三层：}瞅耐强窝开定值26．8Mpa>原设计混凝土强度等级(C25)四层：混疑扫墅期碇值30．6Mpa>原设计混凝土强度等级(C25)(2)柱、剪力墙混凝土强度地下一层：涨强窝牙定值43．4Mpa<原设计混凝土强度等级(C45)一层：溜疑B爨研定值37．7Mpa<原设计混凝土强度等级(C45)二层：漏疑翎掰研定值40．1Mpa<原设计混凝土强度等级(C45)三层：滴疑岛髓嗣2定值36．7Mpa<原设计混凝土强度等级(C45)四层：混疑岛职研定值39．7Mpa<原设计混凝土强度等级(C45)3、超声法检测混凝土内部缺陷结论此次超声法检测混凝土内部缺陷，共抽取混凝土柱23根，检测结论表明：混凝土的内部缺陷主要为浇注不密实。另外，通过对原结构的计算机模拟和结构分析发现，已建混凝土结构存在两方面 太原理工大学硕士研究生学位论文的缺陷：①工程原下部混凝土结构为“框架一核芯筒”体系，核芯筒位于电梯井周围，而电梯井又远离建筑物的中心位置，造成整个结构体系的刚度中心与质，Ii,偏差很大，结构平面刚皮极不均匀(图2—3)-．②部分混凝土柱轴压比过大，个别柱轴压比甚至超过了高层建筑混凝土结构技术规程中表6．4．2的限值。二．日⋯蔓⋯囝～一：卜⋯一，卒⋯一申-’～一一聿，一-一_一辛‘一，-申一⋯一，t图2-3原结构标准层平面布置图Fig2-3Stanardfloorlayoutplanofstrcture综上所述，已建钢筋混凝土结构存在着不同程度的外部缺陷及内部缺陷，要实现建设单位的建筑意图就必须对已建混凝土结构进行加固改造，笔者有幸参与了此项工程的设计工作。2，2．2原建筑物下部混凝土结构加固改造方案一、结构平面刚度分布不均匀的处理为解决结构平面刚度分布不均匀的缺陷，决定在已有混凝土结构内部增加剪力墙，新增剪力墙与原有剪力墙对称布置，同时在新增剪力墙中加配用角钢加固的混凝土柱，图2—4是新增剪力墙、柱示意图，图2—5是增加剪力墙后的剪力墙平面布置图。 太原理工大学硕士研究生学位论文加固角钥图2-4新增剪力墙，柱示意图Fig2-4PictureofnewColumnandnewshearwall厂rIl。厂■厂j||旷新增剪力墙厂6|I。旷一新增剪Z．暂+口勤壤。甄埯剪由‘籼在i。，L。百。。‘、胪增鼍々墙胁增剪力罐1禹R。矽糖匀墙。一p增剪艉■．●．■图2-5新增剪力墙平面布置图Fig2-5PlanofAddedshearwall二、建筑物基础及结构1—4层的混凝土加固处理(一)基础：基础采用增大截面加固法加固。基础筏板由原700mm改为1000mm厚，增加300mm厚C50混凝土面层，面层加配亚22@200钢筋，具体施工做法如下图所示：乒捌新酆炒仁翁L／刖L／侧以哩∥蚴／／／／。／／／／厮／／／／jV／／／／}一／／／／×／?图2-6筏耘基础加固图Fig2-6Raltfoundationconsolidation 太原理工大学硕士研究生学位论文基础的加固施工要求为：1．将原筏板表面凿毛，要求其表面凹凸不平度大于4ram，露出混凝土新茬，且每隔200mm凿出凹槽形成剪力键。然后用水冲沈干净。2．在浇筑新混凝土前，应涂尉一层高性能302界面结合剂，界面剂的具体使用方法严格按照说明执行，且界面剂随打随刷。3．筏板钢筋连接采用机械连接，连接等级为一级。钢筋接头布置依照《钢筋焊接及验收规程》执行。(--)柱：柱分别采用外粘型钢加固法和增大截面加固法加固。图2-7为采用增大截面法加固的两个柱的施工详图，图2．8为采用外包角钢加固法加固的两个柱的示意图。图2—7增大截面法加固枉Fig2-7Columnincreasingarea外包角钢图2-8外包角铜法加固柱Fig2-8Columnstrengthingwithanglesteel 太原理工大学硕士研究生学位论文1．柱增大截面加固法施工要求为：①．对存在缺陷的原混凝土构件清理至密实部位，被包的混凝土棱角应打掉，同时除去浮渣、尘土。②．用钢丝刷将混凝土构件表面灰尘和污垢清除干净，再用清水冲洗表面。③．模板搭设、钢筋安置以及新混凝土的浇注和养护，应符合现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)的要求。2．柱外粘型钢加固法施工要求为：①．对存在缺陷的原混凝土构件清理至密实部位，被包的混凝土棱角应打掉，同时应除去浮渣、尘土。②．用钢丝刷子将混凝土构件表面灰尘和污垢清除干净，再用水冲洗干净。③．外粘型钢的注胶应在型钢构架焊接完成后进行。注胶采用改性环氧树脂胶进行灌注，胶缝厚度控制在3～5mm。④．外粘型钢的表面应抹厚度为25mm的高强度等级水泥砂浆并作防护层。⑤．外粘型钢应保证两端连接可靠且贯穿整个加固楼层。(三)楼板：因第四层顶板为混凝土结构部分和型钢混凝土结构的结合层，为保证该层的良好工作性能，决定采用混凝土叠合楼板对原楼层进行加固。该层楼板原混凝土强度为C25，板厚100mm，加固方案采用在原有混凝土楼板上增加60mm厚C30细石混凝土，具体施工做法如图2—9所示。叠合板加固施工步骤及要点为：1．对原楼板混凝土表面清理缺陷至密实部位，并将表面凿毛成凹凸不小于4mm的人工粗糙面，然后用水冲洗表面。图2-9叠合楼板施工图Fig2-9Superposedfloordetail2．铺设钢筋网片，打入巾10膨胀螺栓，膨胀螺栓梅花点布置。00 太原理工大学硕士研究生学位论文3．刷混凝土界面剂，浇注60厚C30混凝土，界面剂应随打随刷。4．为保证混凝土质量，混凝土浇注后养护必须到位。通过对原有混凝土结构中基础、柱、梁及楼板的加固施工，该建筑的四层以下达到了设计预期的强度和刚度，可以进行上部的钢结构加层施工。2．3首层钢骨柱加工制作出现的质量问题及处理对策钢结构构件由于在工厂要经过切、折、割、钻、铆、焊、刨、铣、热处理等一系列的工序和工艺，因此钢结构构件在制作加工阶段必然会有加工制作缺陷存在，前文1．4节中已提到钢结构加工制作中可能会出现的九种缺陷类型。在实际工程中，依照现行《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205--2001)和《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81--2002)对钢结构构件进行质量验收，对于发现和纠正钢构件制作加工过程中的缺陷和错误，实现“从源头上把好质量关‘38J”的建设宗旨有着非常现实的意义。2．3．1首节钢骨柱制作加工缺陷检测结果本工程钢结构制作及安装单位为国内某较有实力的钢结构有限公司，但在第一节钢柱的制作中却依然发现了很多问题。首节钢柱以11．4m长制作，基本为两层层高(10．7m)。该单位在第一节钢骨柱全部进场前先将六根钢柱运入现场作为样板申请验收，经过对该六根样板钢柱认真检查评定，发现样板柱中存在较多超规范的焊接缺陷和尺寸偏差缺陷，于是建设方和设计方联合对施工方提出了相关的整改要求。但随着剩余首批钢构件的陆续进场，发现这些构件中依然存在大量原样板柱中出现的缺陷问题。在此情况下建设单位决定对该批钢构件进行全数检测，该次检查的钢构件包括首节钢柱35根(其中H形柱8根)：H形主梁148根，H形次梁206根(该次检测笔者为主要参加人)。因为首节钢骨柱在整个建筑的加层改造中起着连接下部混凝土结构和上部钢结构的作用，其制作质量会影响到该高层建筑的结构安全性，所以本次检测重点就是对首节钢柱的检测。首节钢柱横截面变化较大，截面中有大约8．。lm为十字形，有4m为正方形，图2—10为首节钢骨柱在不同标高处的截面示意图(部分)： 太原理工大学硕士研究生学位论文图2-10十字形钢骨拄截面图Fig2-10SectionofCrisscrosssteelC05ecolumn在对该批钢构件的检验过程中发现了如下制作缺陷及质量问题：一、焊接连接问题1．焊缝尺寸问题1)钢骨柱H牛腿上下翼缘与钢骨柱的连接处，焊脚尺寸普遍偏大；较多梁的翼缘与其所带牛腿(挑梁)翼缘间的对接焊缝、母材拼接焊缝的余高大于规范允许值(见图2-11)，如单项评定焊脚尺寸，则有95％的焊脚尺寸为不合格。2)建筑钢结构焊接技术规程第7．2．4条规定对接焊缝的错边(d)的允许偏差<0．1t，并且≤2．Omm，而个别柱构件翼缘对接焊缝错边d值甚至达到4．5mm，见图2-12。图2-11余高不合格Fig2-1lExcesshighdisqualification图2-12错边Fig2-12Disuniformside2．焊缝外观缺陷问题1)现场钢骨柱的翼缘及腹板等强拼接焊缝外观质量较差，如焊缝表面有气孑L、焊缝处有肉眼可见裂纹(宽约0．5rm，长约30ram)、柱身与底板焊缝焊道问过渡粗糙， 太原理工大学硕士研究生学位论文两端不同程度存在弧坑及表面夹渣等。而技术规程第7．2．3条规定“一级焊缝和二级焊缝不得存在表面气孑L、夹渣、裂纹和电弧擦伤等缺陷”。图2-13铜板焊接裂纹Fig2-13Weldingcrackofsteelplate2)高钢规第8．3．5条规定“粱翼缘与柱焊接时，均应采用全熔透坡口焊缝，并按规定设置衬板，翼缘坡口两侧设置引弧板”，而该批钢骨柱的此类焊缝均未设置引弧板，多数存在弧坑，焊缝外观质量较差。图2-13为柱腹板对接焊缝处存在的肉眼可见的裂纹照片。3．焊缝构造问题1)建筑钢结构焊接技术规程第4．1．1条规定“尽量减小焊缝的数量和尺寸⋯‘焊缝位置避开高应力区”，但现场检测发现：多数钢骨柱的翼缘板由3块以上钢板拼接而成，甚至有的柱翼缘板由5块板拼接，由此导致拼接位置位于高应力的牛腿节点区域，并且焊缝集中严重。2)钢结构工程施工质量验收规范第8．1．2条规定“焊接1-1型钢的翼缘板拼接焊缝和腹板拼接缝的间距不应小于200mm；拼接长度不应小于2倍板宽；腹板拼接宽度不应小于300mm，长度不应小于600mm”，现场检测发现80％的钢骨柱存在对该条款的违反。4．焊缝内部缺陷问题(1)根据对钢骨柱焊缝的详匀；l探伤，对该批梁构件的探伤结果为：：1)未焊透等焊接缺陷严重，共探伤钢柱35根，其中34根均出现不同程度的未 太原理工大学硕士研究生学位论文焊透等缺陷，不合格率97．1％。2)根据焊缝的位置和缺陷的程度不同，探伤结果汇总于表2—1，该表以测点为统计参数。表2-1钢骨柱超声波探伤不合格率汇总表Table2-1Steelcorecolumnultrasonicinspectiondisqualification焊缝部位构件柱与底板腹板之间母材拼接牛腿与柱翼缘板十字形钢骨柱52％3．6％1％12％H形柱0％100％(2)根据对钢梁焊缝的详细探伤，对该批梁构件的探伤结果为：1)共探伤钢梁128根，其中83根均出现不同程度的未焊透等缺陷，不合格率64．8％。2)根据焊缝的位置不同，缺陷的程度不同，探伤结果汇总见表2—2，该表以测点为统计参数。表2-2钢梁超声波探伤不合格率汇总表Table2-2Steelbeamultrasonicinspectiondisqualification焊缝部位构件支撑板与下翼缘翼缘拼接腹板拼接牛腿与翼缘板板钢粱3．2％10．7％87．5％100％二、外形尺寸超公差问题(1)钢柱外形尺寸超公差问题1)牛腿翘曲或扭曲△大于规范允许偏差，不合格率为8．6％。2)箱形截面柱段在连接处柱截面尺寸大于规范允许偏差，不合格率为7．1％。3)箱形截面连接处对角线差大于规范允许偏差，不合格率为7．1％。4)钢柱端部拼接处铣平深度与设计值不符，不合格率为57．1％。5)多根钢柱翼缘在十字形与箱形截面过渡区段处有宽度不均匀、错位等缺陷(见图2-14)： 太原理工大学硕士研究生学位论文图2一14截面变化不规则Fig2-14Sectionchangingabnormity(2)钢梁外形尺寸超公差问题1)钢梁长度偏差大于允许偏差，不合格率为40．7％2)钢梁翼缘板对腹板的垂直度不符合规范要求，不合格率为17％。3)梁上牛腿(挑梁)定位错误，最大偏差为291ram。通过对首层钢骨柱的检测结果看出，该批构件的制作加工存在较多的缺陷，尤其是焊缝尺寸超标和焊缝内部未焊透缺陷最为突出。2．3．2焊缝尺寸超标缺陷对结构脆性破坏的影响分析在对钢材进行焊接时，对焊接接头性能影响最大的是焊接热影响区中的粗晶区(过热区)，它是母材曾一度融化但又凝固的非混合区以及因过热而使晶粒严重长大的区域。焊接工艺如焊接线能量、焊接层数以及有无预热和后热等都对焊接接头的韧性有重要影响。粗晶区在加热温度超过1100。C的区域形成，尤其是温度超过13000C的区域，晶粒十分粗大，在线能量过大、冷却速度慢时，会形成粗大的魏氏体组织，该组织晶粒度一般都达到1～2级。这种组织的存在，会造成粗晶区硬度的增加和塑性、韧性的下降。手工焊接低碳钢时，粗晶区的平均宽度约为2．2～3．Omm，它主要受焊接时线能量的影响。对于手工电弧焊，其线能量可用下式估算： 太原理工大学硕士研究生学位论文q。=40000h，‘(2-1)对于c02气体保护焊，其焊接线能量可用下式估算：q。=20000h，‘(2-2)式中q，l-一线能量，J／cm：h广焊脚高度，cm；。由式(2—1)、(2·2)可知，焊接线能量与焊脚尺寸hf的平方成正比。焊脚尺寸超标，会使焊接线能量迅速增加，从而导致粗晶区增宽，魏氏体组织增多，进而使焊接接头性o～k(塑性和韧性)变坏，甚至可能形成脆性区。断裂力学认为，当在接头中存在脆性区时，由于裂纹沿脆性区扩展几乎不消耗能量，尺寸很小的缺陷都可能成为裂纹源，当脆性区尺寸为母材临界裂纹尺寸的112时就可引起断裂。在常温下，粗晶区的存在对接头性能的影响通常并不显著，但是在低温时，由于金属本身塑性和韧性下降，使粗晶区性能的影响变得非常突出，尤其是在接头中存在缺陷、应力集中或结构刚度较大且承受冲击载荷时影响更为显著。焊脚尺寸过大还会产生另一方面的副作用。因为熔化焊接是一种冶金过程，在小的熔池体积中迅速高温加热，熔化的金属会被大量的冷金属包围，造成快速冷却，由于熔池到冷金属的温度梯度非常大，使基本金属热影响区或近焊缝区形成高硬度区，易引起较大的内应力，从而导致构件产生扭曲和冷裂纹。而当基本金属合金成分较高，熔化金属的凝固温度比基本金属低时，则在内应力的作用下，可能出现热裂纹。本工程中焊缝超标比较严重，为了减少因焊缝尺寸超标可能带来的对结构性能的不利影响，降低焊接时产生裂纹的几率，提高接头的抗脆断性能，必须对现有钢骨柱中的焊缝超标处进行整改加固。2．3．3首层钢骨柱加工缺陷处理对策针对首层钢骨柱的加工制作缺陷，包括焊缝尺寸超标、未熔透、对接焊缝余高过大、高应力区焊缝密集等缺陷问题，对该批钢骨柱提出如下整改意见：1．首节型钢混凝土柱梁柱连接节点处加焊钢板，如图2．15、2．16。焊缝焊缝尺寸超标会使母材热影响区中粗晶区增宽，甚至可能形成脆性区。该批钢柱大量的焊缝尺寸超标必然会对柱的抗脆断性能产生不利影响。在梁柱节点处由于梁翼缘以及和梁翼缘对应的柱的内隔板都是采通过焊缝与柱的翼缘板焊接，因此该部 太原理工大学硕士研究生学位论文位受到的因焊缝超标而形成的不利影响最大。为了加强梁柱节点，降低焊缝超标产生的不利影响，采用如图2．15、2．16所示办法来加固梁柱连接节点区域。即在十字形截面的梁柱节点部位，采用加焊斜加劲板的办法使四个方向的柱翼缘联结为一个整体；而在箱形截砸的梁柱节点部位，采用在粱端两侧加焊侧板的办法来加强柱腹板在竖向的连接。图2—15是十字形截面节点的加固施工图示例，图2-16是方形截面节点的加固施工图示例。加焊啊≥厂n———V■＼E：夕≮亍一{刍L．．．．．．．．．．．．．．．．．一‘tI，．．．．．．．．．．．．．．．．．_J＼L／山|)D焊钢板—＼√、1．．1··|．·1．。T图2-15加固节点图1Fig2-15reinforcedjoint1加图2-16加固节点图2Fig2-16reinforcedjoint2 太原理工大学硕士研究生学位论文图2—17是该两种节点加固后的实体照片图2—17节点处理照片Fig2-17Thepictureofprocessednode2．对焊脚尺寸超过lOmm的焊缝采用磨光机进行打磨，并用圆头手锤锤击焊缝表面。凡焊脚尺寸偏小者，均应予以补焊。3．现场翼缘拼接接头部位，全部采用c02气体保护焊，主要利用该种焊接方法为细焊丝，一条焊缝可以做到多层多道焊，在调整好焊接电流的情况下，可以降低因构件尺寸超公差形成的焊缝超大而导致的焊接线能量的大量输入，从而减轻结构在罕遇地震烈度下发生脆性破坏的可能性。2．4首节钢骨柱与下部混凝土结构的连接问题及处理对策首节钢骨柱能否与其下部的原有混凝土结构良好结合，直接影响到上部钢结构工程的顺利进行，因此，该节柱的施工情况倍受参与建设各方的关注。该节柱与混凝土楼层的连接问题主要表现为：1．钢骨柱与下部混凝土结构的抗剪连接问题。2．钢骨柱柱底扳标高控制问题。3．钢骨柱外包钢筋与原混凝土框架柱内伸头钢筋位置不一致问题。4．钢骨柱柱底钢板的混凝土浇注问题。原四层顶板混凝土施工面层标高掌握，楼层各点标高相差悬殊。为保证本层钢骨柱底板的水平度，最后不得不决定将钢柱底板标高整体提高，提高后钢柱底板下平比 太原理工大学硕士研究生学位论文混凝土板最高点高50mm，柱底板与原混凝土面层闻的空隙用大流态灌浆料混凝土补实。图2一18是灌浆料现场操作图。为了解决钢骨柱与下部混凝土结构的抗剪连接问题，提高钢柱底板与混凝土接触面的抗剪承载力，要求在吊装就位前沿纵横两方向在钢柱底板面上焊接圆20的二级钢筋。钢骨柱外包钢筋与原混凝土框架柱内伸头钢筋不一致问题的解决办法：将原楼层伸头钢筋尽量作为钢骨柱的外包钢筋使用，错位较大者则截去不用，在相应位置重新植筋，图2一19是钢骨柱底部钢筋图。图2-18灌浆料混凝土施工Fig2-l7Groutingconcreteconstruction图2-19首节柱与混凝土层的连接图Fig2-19Firstcolumn’Sconnection 太原理工人学硕七研究生学位论文2．5第二节方钢混凝土柱的混凝土灌注问题及处理对策2．5．1钢管混凝土概述钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构【36】。由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝上两种材料各自的优点，同时又克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，在高层建筑结构中，钢管混凝土结构的应用得到了快速的发展。钢管混凝土结构按照截而形式的不同可分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等㈨邮“。钢管混凝土结构具有以下特点：1．承载力高、延性好，抗震性能优越：钢管混凝土柱中，因钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度。钢管内部的混凝土反过来又可以有效防止外部钢管发生局部屈曲。钢管和混凝土之间的相互作用能使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，整个构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。2．施工方便，施工工期大大缩短：钢管混凝土结构施工时，钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构自重，使得下步工序不受柱内混凝土养护时间的影响。并且钢管混凝土内部没有钢筋，又便于混凝土的浇注和捣实。3．有利于钢管的抗火和防火。由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此在遭受火灾时钢管柱截面温度场分布不均匀，能增加柱的耐火时间，减慢钢柱的升温速度。而且一旦外部钢柱受压屈曲，内部混凝土也可以承受大部分的荷载。钢管内的填心混凝土最常见质量缺陷有以下几种：(1)混凝土与管壁粘结不良。(2)空腔；这是由于灌注过程中排气不良或灌注不连续而造成混凝土内有残留的空气。(3)混凝土疏松不密实；这是由于灌注过程中泵压不足和灌注速度过快造成的。(4)收缩缝；这是由于由于混凝土水灰比过大，水泥用量过多造成的。钢管混凝土的质量缺陷产生后均难以补救处理，旋工时必须在灌注工艺上严格把 太原理工大学硕士研究生学位论文关，采取有效措施，避免上述几种质量缺陷的产生。对于钢管混凝土的质量检查，一般有两种方法：①敲击听音法。通过敲击声音的变化，可以检查出灌注混凝土与钢管内壁间的空隙，精确度可达1～2mm的空缝，这是目前最方便也是最常用的方法．②超声波测试法。在完好钢管混凝土构件上，从超声仪探头上发射的超声波，经钢管、混凝土、钢管，传播到相对位置的接收探头，因传播路径短，介质均匀，接受到的波形与发射波形相近，图形近于正弦波，频率与发射频率相近，且波速大。若传播路径上有气孔、空隙，声波会在空隙界面上发生反射、折射，经绕行才传到接受探头，此时，接收到的波形会发生畸变，首波难以确认，波速也较慢。据此原理，便可用波形对照来检查钢管混凝土的缺陷及缺陷形式和位置。2．5．2方钢混凝土柱中混凝土浇注问题及对策本工程第二节型钢柱为方钢管混凝土柱，属于镪管混凝±的范畴。方钢混凝土柱作为本工程的混凝土结构与钢框架结构的柔性过渡之一，其施工质量的好坏直接影响到建筑的整体安全性，因此施工期间从建设单位到设计、施工和监理单位都非常重视对该段的施工质量。但正是这一段却遇到了超常的困难。第一节钢骨柱属于五层和六层．标高为±16．46m至±27．86m。当六层的钢骨柱混凝土还未具备浇注条件时，建设单位迫于当时的某种压力，要求钢构件安装单位进行第二节方钢管柱(标高为±26．65m至±37．35m)的吊装。第二节方钢管柱的提前吊装，直接造成六层的钢骨柱混凝土浇注困难。因为首节柱的顶部已经有近3m的箱形柱过渡，随着第二节方钢管柱吊装完成，六层的型钢混凝土的浇注口也由4-27．86m升至±38，46m处。也就是说，六层的型钢混凝土必须从高为17．t6m的地方浇注，这种浇注的困难可想而知，因为超高限灌注会引发过大的冲击力，容易产生混凝土泛浆、离析等浇注通病。其实，5～6层的型钢混凝土柱的浇注难度并不仅仅在于17．16m的浇注高度，而且还在于6层以上方钢管柱的内部结构的复杂性。第二节方钢管柱截面为550x550mm，标高从±27．86m至±38．46m，总高度为10．6m。其间共有10道内隔板(图2—20)，每块内隔板均为500x500x16mm的钢板，钢板正中开有直径200mm的圆孔，所浇混凝 太原理工大学硕士研究生学位论文土必须穿过隔板的圆孔到达预期部位。另外，首节钢骨柱箱形截面部位也有内隔板，此内隔板也为500x500x16mm的钢板，但隔板上所开圆孔为4个125mm的小圆孔(之所以开为4个孔，是因十字形柱的四个角所致)。如此～来，在17．16m的灌注高度内共有方形隔板13块，且隔板孔不全一致，如何保证横隔板高度处混凝土的密实性也就成为本次浇注的焦点所在。图2—20方钢管柱内部结构Fig2-20Rectangularsteeltube’sinnerstructure还有，本工程施工期间正是寒冬12月，白天温度平均为一8℃，夜晚平均温度一15℃。冬季施工也给本次浇注带来了较大难度。为保证本工程中特殊条件下方钢管柱的管内混凝土浇注，要求所用混凝土坍落度大，和易性好，不泌水，不离析。经考虑多方面的因素以后，决定本次浇注采用一种新型混凝土——高流态自密实混凝土来降低各方面的施工难度。其实，高流态自密实混凝土技术在国内许多大型的建设项目中早以得到过应用，但在钢管混凝土结构中使用高流态自密实混凝土却为数不多。在本工程中将高流态自密实混凝土技术与钢管混凝土技术结合起来，对方便钢管混凝土的施工，确保工程质量，降低工程成本具有重要的意义。本工程所用高流态自密实混凝土具有良好的和易性和工作性，能够较好地满足本工程复杂结构的需要。该混凝土塌落度为250--270mm，扩展度为680--720fIlfn，混凝土入模温度要求不低于5"C。根据工程的结构特点及高流态自密实混凝土的工作性能，经与混凝土研制方、结构设计方以及施工方共同商定，制定出如下施工措施： 太原理工大学硕士研究生学位论文1．为了确保高流态自密实混凝土的顺利浇灌，工地现场采用布料机并搭设工作平台，展开工作作业面。2．由于所浇注方钢管混凝土柱总高度约18m，而且柱内隔板有多道，混凝土采用输送导管从17．16m处直接插入柱内浇注。浇注过程中分段提升导管，逐步到达指定标高。3．浇注混凝土前，方钢管柱紧靠横隔板下每侧面开1个孔径为20mm的排气孔，确保顺畅排气，使混凝土密实(每两个孔应错位不在一个断面上，混凝土浇注完毕后塞焊密实)。4．由于该工程是冬季施工，混凝土浇注过程中导管及输送泵管都应采取保温措施，确保混凝土入模温度不低于5℃。5．混凝土浇注完毕后应及时用保温材料包裹柱体，并且整个楼层四周都用彩条布和帆布围护，里面生炉保温一周，确保混凝土的环境养护温度高于O"C。6．为保证混凝土和钢管柱协调工作，高流态混凝土里面需添加微量的膨胀剂以起到混凝土无收缩的作用(该项由混凝土研制方负责)。7．浇注混凝土时可采用体外辅助震捣的办法确保混凝土的密实性，但应特别注意锤子体外振捣的力度。针对以上施工措施，在该层混凝土浇注前施工现场殴周全部搭起维护，楼层内散布火炉，混凝土输送泵管从楼底至楼层部分全部用保温材料包裹处理，混凝土浇注顺利完成。后经用超声波测试法对该层柱内混凝土进行检测，未发现有空腔等施工缺陷，横隔板下的混凝土密实度也非常满意。2．6钢结构梁桩连接处高强螺栓脆性断裂分析及处理2．6．1钢结构梁柱连接处高强螺栓脆断事故介绍高强螺栓连接在钢结构的所有连接形式中以其受力性能好，连接方便、快捷的特点而在现代工程中得到大量推广使用。高强螺栓按照其受力性能的不同，可分为摩擦型和承压型两种，具体工程中常用到的是扭剪型高强螺栓、高强度大六头螺栓以及钢网架螺俭球节点用高强螺栓等。 太原理工大学硕士研究生学位论文在本工程中，梁柱连接节点可分为钢柱带牛腿的梁柱连接和钢拄不带牛腿的粱柱连接形式两种。为避开梁柱连接节点的最大弯矩，结构5--6层的型钢混凝土柱采用钢柱采用带牛腿的形式，从结构7层开始，随着梁端弯矩的逐步减小，为方便运输，型钢柱侧不带牛腿，但无论是哪种柱形式，现场梁柱连接节点均采用栓焊混合连接形式，高强螺栓采用10．9级M24扭剪型高强螺栓。工程中主次梁连接采用上下翼缘等强剖口焊、腹板高强螺栓连接的连接形式，其实也为栓焊混合连接。图2—21分别为柱带牛腿的钢拄与结构主梁的连接节点图和柱不带牛腿的钢拄与结构主梁的连接节点图。图2-21梁柱连接节点图Fig2-21Jointofbeam·column当第二节方钢柱的梁柱节点现场搭接组装完毕几天后，该层已达终拧状态的高强螺栓有数个出现了断裂，图2—22到图2．29是断裂螺栓的正面照片，图2．30是断裂螺栓的侧面照片。这些断裂螺栓的断裂部位有的在高强螺栓的根部，有的在高强螺栓的第一道丝扣处，当时该层还未进行楼板层的施工，即螺栓断裂时梁上还未施加施工和使用荷载。6 太原理工大学硕士研究生学位论文图2-22断裂的高强螺拴lFig2-22Fractureofhighstrengthbolt1图2-23断裂的高强螺栓2Fig2-23Fractureofhighstrengthbolt2图2—24断裂的高强螺栓3Fig2-24Fractureofhighstrengthbolt3 太原理工大学硕士研究生学位论文图2—25断裂的高强螺拴4Fig2-25Fractureofhighstrengthbolt4图2—26断裂的高强螺栓5Fig2-26Fractureofhighstrengthbolt5图2-27断裂的高强螺栓6Fig2-27Fractureofhighstrengthbolt6 太原理工大学硕士研究生学位论文图2—28断裂的高强螺拴7Fig2-28Fractureofhighstrengthbolt7图2—29断裂的高强螺栓8Fig2-29Fractureofhighstrengthbolt8图2—30断裂的高强螺栓9Fig2-30Fractureofhighstrengthbolt9在往复荷载作用下高强螺栓的疲劳脆断在钢结构工程中屡见不鲜，但在本工程中螺栓只为终拧状态且未施加任何荷载的情况下却发生断裂的事故实属罕见，所以该高强螺栓的脆断事故值得探讨。 太原理工大学硕士研究生学位论文2．6．2高强螺栓脆性断裂分析从以上几张螺栓断裂面的照片可明显看出，断裂面可分为三个区，即起裂区、裂纹扩展区和终断区。起裂区为沿晶塑性断裂，呈现韧窝状。裂纹扩展区有白亮光泽，有较多的凹凸不平和粗大的晶粒反射面。终断区为等轴韧窝状断口。断裂面上有明显的台阶，这些都是延迟性裂纹断口的特征。构件内部总是存在不同程度和类型的缺陷，这些缺陷的存在通常可以看成是结构内部的微小裂纹。断裂力学认为，对脆性断裂必须以结构内部存在着微小裂纹的假定出发进行来进行分析。尖锐的裂纹使构件受力时处于高度的应力集中和三向应力状态，裂纹会随应力的增大而扩展，起初是稳定的扩展，后来达到临界状态，出现失稳扩展而最终导致断裂。如果构件内部有裂纹但该构件不受任何力的作用时，即使裂纹再大构件也不会发生断裂，因此在分析脆性断裂时，构件的应力状态及大小是与构件的断裂直接相关的因素。应力应是构件的实际应力，即应把应力集中和残余应力等因素考虑进去。如果构件中有较严重的应力集中和较大的残余拉应力，则容易引起构件的脆性断裂。几何形状或尺寸的突然变化造成的应力集中，使局部应力增高，不仅如此，在出现应力高峰的同时还出现双轴同号应力状态，甚至三轴同号应力状态，后者对脆性破坏最为危险。决定构件在裂纹和高应力同时存在情况下是否发生断裂的另一决定性因素是材料的韧性，材料的韧性越高该材料越不易发生脆性断裂。因此，为了防止发生脆性断裂，结构的材料应根据其所处条件具备一定的韧性。衡量韧性的准则，目前大多采用冲击韧性试验。影响材料韧性的因素较多，如化学成分、冶炼方法、工作温度以及荷载的加载速率等。一、高强螺栓的表面应力分析在钢结构的框架节点中，高强螺栓的实际工作应力分布状态和其本身的形状、螺纹的构造都有关系。对于高强螺栓有螺纹的部分，由于有螺纹的存在，相当于形成缺口效应，它在螺纹牙与牙根处发生截面突变，形成应力阶差，加上螺纹牙根部圆角较小，在螺纹根部就会造成严重的应力集中现象。由于螺栓的表面处理方法、各种缺陷 太原理工大学硕士研究生学位论文以及加工精度，特别是螺距误差和载荷条件等的不确定性，在很大程度上都决定着螺栓的应力分布状态。也就是说，每一个螺栓螺栓在受力后其实际工作状态下的应力大小是存在很大差异的。而且，高强螺栓在拧紧之后其第一螺纹承担的内力最大，由于螺纹刻楷缺口而造成的应力集中现象。更使第一螺纹处应力增大，从而使得第一螺纹根部处成为高强螺栓脆性破坏的关键部位。同样，在高强螺栓螺帽到螺杆的截面突变处也存在很大的应力集中，因此这个部位也是高强螺栓发生脆性破坏的关键部位。如2—3l图所示为高强螺栓的示意图”“，D到B表示该螺栓的第一螺纹处。文献[37]对该高强螺栓模型的缺口断亟进行了Ansys有限元分析，并分别对高强螺检的螺纹断面(图2—26中A—-B路径)的应力分布和高强螺栓从螺帽到螺纹根部(图2—26中C—D—A路径)的表面应力分布情况得出了应力分布图(图2—32)。图2-31高强螺栓简化模型图Figure2．31Thesimplifiedfo“nmodelofhighstrengthbolt一图2—32高强螺栓表面应力分布图Figure2-32surfacestrcssvon-misesOnhighstren出hbolt从图中可明显地看出，螺纹牙底的表面应力最大，离缺口底部稍远处，应力即趋于均匀分布。在螺帽过渡圆角处和螺纹牙底均有较大的应力集中现象，是因为在这两 太原理E大学硕士研究生学位论文处出现了截面突变，在远离截面突变处应力趋于均匀。因此，缺13的存在必将扰乱原来的应力分布，出现局部高应力区。二、高强螺栓脆性断裂裂纹扩展尺寸计算文献[37]作者在轴对称计算模型的基础上，通过有限元计算分析出不同直径的高强螺栓的理论应力集中系数足。。并分别考虑了螺纹升角伊、螺纹牙底圆角半径R对高强螺栓应力集中的影响程度。综合各因素对应力集中的影响，推定出高强螺栓的应力集中系数K的一般计算公式为‘3”：K=口l·口2·口3·墨(2—3)式中，K．——不同直径高强螺栓的理论应力集中系数；K，=0．0098d+4_4461或K，=5．254d名+0．2589％——螺纹升角影响系数；，当升角伊≤2．9度，可取口，=1．01。当升角妒较大时，口。可适当增大；口：——螺纹牙底圆角半径影响系数，口：=o．3521％广4”％——球栓直径比詈的影响系数，％=1．2443(％广⋯2．应用上式可对本工程中的M24高强螺栓计算其在螺纹沟底处的应力集中系数。分别取P=225KN；R=0．15P；d=24mm则得到口l=1,01；口2=O．9077；口3=1．0，最后螺纹沟底处的应力集中系数K=4．29，可用该系数进一步对高强螺栓的脆性断裂裂纹尺寸进行计算。在高强螺栓的螺纹加工阶段，当机床刀具的刻槽离散性较大时，在同一批高强螺栓中可能会出现部分螺栓丝扣沟底的过深刻痕，当该刻痕缺陷较大再加上螺纹丝扣沟底本身的高度应力集中，就会在预加拉应力作用下裂纹扩展并最终断裂。本工程高强螺栓为40Cr，M24，利用线弹性断裂力学公式K，=l，盯√万。和公式(2—3)K=口。·仃：·cr3·K，可对高强螺栓第一螺纹处的最大扩展裂纹宽度进行计算：67 太原理工大学硕士研究生学位论文M24高强螺栓设计预拉力P=225KN螺纹沟底处的有效截面积S。=352．5删n2沟底处的应力集中系数K=4．29取系数Y=I．12断裂韧性KIc=69．8^卯口√m可得√石：墨堡!墨!!!罂：0．402K×JP×Y×√万所以，该种高强螺栓裂纹能稳定扩展的最大裂纹宽度a=0．4022=0．16mm。根据事后对该楼层所用高强螺栓的微观裂纹检测发现，该批高强螺栓含裂纹宽度超过0．16mm的占到6％，由此说明该批高强螺栓的质量缺陷是造成第二节方钢管柱层个别螺栓断裂的主要原因。三、螺栓断裂的其他影响因素分析①施工操作不当会影响到螺栓的正常工作性能。图2．27是在钢结构梁柱连接处褪出的几个受损高强螺栓，说明安装工人在安装过程中存在对螺栓的不规范操作。并且安装工人往往在安装过程中略去初拧过程而直接一次将扭剪型高强螺栓尾部梅花头拧掉，这种错误的施工过程会给高强螺栓的安全可靠工作带来隐患。匿2—27损坏的高强螺栓Figure2-27Thefailuremodelofhi曲strengthbolt②经过对该批高强螺栓的化学成分分析发现，钢材中C、H元素含量超标，这也是导致螺栓发生脆性断裂的另一重要方面。钢材中C的含量愈高，钢材的强度亦愈高，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会显著降低。而H含量过高会引起所谓的“氢脆”，更会严重降低构件的断裂韧性。68 太原理一f大学硕十研究生学位论文2．6．2脆断高强螺栓的处理通过以上分析可知，该次高强螺栓的脆性断裂主要是由于螺栓本身存在的化学成分缺陷和制作加工缺陷造成的，因此工程中将该批螺栓全部更换，荠重新选定高强螺栓的供货厂家，对新进高强螺栓加强进行材料质量验收和施工现场见证随机抽样检验。2．7小结通过对以上五个施工关键技术问题的研究，可以认识N．-1．钢结构构件在工厂加工制作期间，应普及操作工人的基本钢结构知识，严防出现与钢结构施工图纸不符的钢构件产品产生。2．在钢构件的焊接连接中，并不是“焊缝越大越可靠”，焊缝过大会造成焊件金相组织的脆化，降低结构抗脆断能力。因此，在焊缝连接设计中应在保证连接强度的前提下，尽量减小焊缝尺寸；而在施工中应坚决杜绝盲目加大焊缝的行为。3．型钢混凝土结构的刚度介于纯钢结构和混凝土结构之间，在类似工程的施工建设中，必须高度重视过渡结构的设计和施工，确保其有效、可靠过渡。4．方钢管结构与高流态自密实混凝土技术的结合，可以有效降低方钢管混凝土的施工难度，提高施工质量。5．高强螺栓的脆性断裂事故是由于螺栓自身质量不合格所致，在建筑施工中，必须严把材料质量关，从源头上杜绝类似事故的发生。在山西首幢钢结构的结构施工期间所遇工程问题是多方面的，本章所述只是该建筑施工过程中一些关键技术问题。由于本工程是山西首例高层钢结构，因此本工程的经验值得在以后工程中借鉴。 太原理工大学硕士研究生学位论文3．1结论第三章结论和建议1．本工程采用在以有建筑物内部增加剪力墙的办法来解决结构平面刚度不均匀的问题：采用外包角钢加固法和扩大柱截面尺寸的办法来解决柱混凝土强度不足和轴压比过大的问题：通过采用增大筏板基础截面的办法来解决基础承载力不足的问题。通过以上几个问题的解决为上部的高层钢结构的加层工作奠定了良好的基础。2．通过对首节钢柱的鉴定检测，发现构件焊缝存在较多的内部缺陷和外部缺陷。内部缺陷主要表现为未焊透，外部缺陷主要表现为焊缝尺寸超公差。为了解决因焊缝尺寸缺陷带来对结构脆性断裂的影响，除了对焊缝进行处理以外，本工程还采用了在梁柱节点区域加焊侧板的方法。该方法对补偿柱节点处因母材变脆而抗脆断能力下降有较好的作用。3．方钢管混凝土技术与高流态自密实混凝土技术相结合，可以有效降低方钢管混凝土的施工难度，提高施工效率。4．在首层钢柱与下部混凝土结构的连接中，利用植筋技术可以解决型钢混凝土柱的主筋生根问题：利用灌浆料混凝土技术可以解决钢柱底部与混凝土楼层的高效连接问题。5．高强螺栓刻槽处以及螺帽与螺杆截面突变处应力集中系数很大，如果螺栓自身质量得不到保证的话，高强螺栓会在高的预拉力作用下发生脆断。其断裂截面往往在螺栓的第一丝扣处或在螺帽与螺杆截面变化处。因此，为了避免类似事故的发生，工程建设中应加强高强螺栓的进场验收控制，杜绝次品螺栓进入现场。3．2建议1．不同环境操作温度下，开展高流态自密实混凝土中微膨胀剂配比的研究，以保证钢管柱与其内混凝土接触面严密结合。2．围绕焊缝超标缺陷对钢结构的影响问题，展开金相分析和试验验证的研究。7I 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