钢结构检测与加固5.1 钢结构的缺陷5.1.1 缺陷的概念 由于人为（勘察、设计、施工、使用）或自然（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、整体稳定性等不足的问题。 缺陷表现为具有影响正常使用以及承载力、耐久性、完整性的种种隐藏的和显露的不足。但缺陷往往是产生事故的直接或间接原因，而事故往往是缺陷的质变和经久不加处理的发展。按照严重程度分为：轻微缺陷：不影响建筑结构的承载力、刚度及其完整性，也不影响建筑结构的近期使用；使用缺陷:非破坏性缺陷。它不影响建筑结构的承载力，但却影响其使用功能，或使结构的使用性能下降，有时还会使人产生不舒适感和不安全感。例如，钢粱较大的挠度等 危及承载力缺陷:由于材料强度不足、构件截面尺寸不够、构件残缺有伤、安装连接构造质量低劣等原因直接威胁到构件甚至整个结构的承载力和稳定性。 5.1.2 钢结构缺陷的类型及原因 1钢材的先天性缺陷（1）化学成分缺陷。有害杂质对钢材性能的影响极大，应加以严格控制。（2）冶炼及轧制缺陷。在冶炼和轧制时，因工艺参数控制不严等产生表面缺陷和内部缺陷。如偏析、夹杂、裂纹、分层、过烧、气泡、内部破裂及机械性能不合格等。 2.钢构件的加工制作缺陷 钢结构构件的加工方法：剪、冲、切、折、割、钻、铆、焊、喷、压、滚、弯、刨、铣、磨、锯、涂、抛、热处理等。1） 选材不合格；2）原材料矫正引起冷作硬化；3）放样、号料尺寸超公差；4）切割边未加工或达不到要求；5）孔径误差；6）冲孔未作加工，存在硬化区和微裂纹；7）构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹；8）构件热加工引起的残余应力；9）表面清洗防锈不合格；10）钢构件外型尺寸超公差。3.钢结构的连接缺陷 （2）焊接连接缺陷：1）焊接材料不合格。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作。2）焊接引起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低，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或应力集中。5）焊缝存在的各种缺陷。如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等。4.钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷 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；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陷、温度应力以及人为因素造成的结构损坏；6）不能定期维护，致使结构腐蚀严重，影响到结构的耐久性。.1.3 钢结构缺陷的检测方法 1钢材化学成分缺陷的检测 化学成分的化验问题。采用的检测方法和手段有很多，例如，质谱仪、色谱仪、光谱仪、核磁共振等。试验方法，通常从构件中钻取试样检测。2钢材冶金及轧制缺陷的检测 通常用宏观检查、机械法以及超声波探伤相结合进行检测。例如气泡的检测，首先是宏观检查确定部位，然后用手锤敲打凸包处，如听有声响便是气泡。3. 构件加工制作缺陷的检测检测的项目： 1）构件的外观检查；2）构件制作允许偏差检查；3）构件制孔的允许偏差检查； 4）构件螺栓孔距的允许偏差检查； 5）构件端部铣平的允许偏差检查； 6）磨光顶紧的构件组装面检查； 7）构件的裂缝检查。检测方法：敲击、放大镜观察、滴油法等。4. 钢结构连接缺陷的检测（1）螺栓连接缺陷检测 1）摩擦面的检测； 2）拧紧力的检查；（2）焊缝连接缺陷的检测 1）外观检查、钻孔检查； 2）射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤。 各种检测方法存在各自的优缺点和适用范围，在实际应用中，应结合钢结构对焊缝的质量要求综合选用。 5. 钢结构运输、安装和使用维护中的检测 主要表现为钢结构或构件的过大变形、失稳以及耐久性问题，检测方法主要依靠人工和测量仪器等5.1.4 钢结构缺陷的预防和处理钢结构的加工制作、安装及使用缺陷的处理与预防从以下方面入手：1）设计人员应重视钢结构的节点构造设计。合理的节点构造将会大大降低应力集中、残余应力、残余变形等缺陷的影响程度。2）制造厂应重视加工制作过程中各个环节工艺的合理性和设备的先进性，尽量减少手工作业，力求全自动化，并加强质量的监控和检验工作。3）施工单位应重视安装工序的合理性、人员的高素质以及现场质量检验工作，尤其不可忽视临时支撑和安全措施。4）使用单位应重视定期维护工作，保证必要的耐久性。5.2 钢结构事故种类和表现5.2.1 钢结构的材料事故 钢材和连接材料性能的好坏直接影响到钢结构的可靠性。1材料事故的类型及产生的原因 钢结构材料事故的产生原因如下： 1）钢材质量不合格； 2）铆钉质量不合格： 3）螺栓质量不合格； 4）焊接材料质量不合格 5）设计时选材不合理；6）制作时工艺参数不合理，钢材与焊接材料不匹配 7）安装时管理混乱，导致材料混用或随意替代。2材料事故的处理方法 常见的是构件裂缝，且裂缝纯属材料本身不合格所引起。1）认真复检钢材及连接材料的各项指标，确认事故原因；2）影响构件安全的裂缝，采用加固或更换构件的处理方法（3）次要构件的裂纹，可采用焊补法处理；（4）构件钢板夹层缺陷的处理： 桁架节点板夹层处理：承受静载或间接动载的桁架节点板，当夹层深度小于节点板厚度的1/3时，将夹层表面铲成V形坡口，作焊合处理；当夹层深度等于或大于节点板1/3高度时，应将节点板作拆换处理。2材料事故的处理方法实腹梁、柱翼缘板夹层处理：当承受静载的实腹梁和实腹柱翼缘有夹层存在时，可按下述方法处理： 在一半长度内，夹层总长度（连续或间断）不超过200mm，夹层深度不超过翼缘板断面厚度1/5且不大于100mm时，可不作处理继续使用。 当夹层总长度超过200mm，而夹层深度不超过翼缘断面厚度1/5，可将夹层表面铲成V形坡口予以焊合。 当夹层深度未超过翼缘断面高度1/2时，可在夹层处钻孔，用高强螺拴拧合，此时应验算钻孔所削弱的截面；当夹层深度超过翼缘断面高度l2时，应将夹层的一边翼缘板全部切除，另换新板。2材料事故的处理方法 （5）焊缝裂纹处理 对于焊缝裂纹，原则上要刨掉重焊（用碳孤气刨或风铲），对承受静载的实腹梁翼缘和腹板处的焊缝裂纹，可采用在裂纹两端钻上止裂孔，并在两板之间加焊短斜板方法处理，斜板厚度应大于裂纹长度。3事故实例分析 （1）工程及事故概况 车间为5跨单层厂房，全长759m,宽159m，屋盖共有钢屋架118榀，40榀屋架下弦角钢为2L16014，其肢端普遍存在不同程度的裂缝。裂缝深25mm，个别达20mm，裂缝宽0.10.7mm，长0.510m不等。（2）原因分析 经取样检验，该批角钢材质符合A3F标准，裂缝是在钢材生产过程中形成；由于现场缺乏严格的质量检验制度，管理混乱，而将这批钢材用到工程上。（3）处理措施 加固原则。加固钢材截面一律按已知裂缝最大深度20mm加倍考虑，并与屋架下弦中心基本重合，不产生偏心受拉，其断面按双肢和对称考虑，钢材焊接时，要求不损害原下弦拉杆并要防止结构变形。加固方法。在下弦两侧沿长度方向各加焊一根规格为L90566的不等边角钢。 5.2.2 钢结构的变形事故1. 钢结构变形类型及产生的原因 变形可分为总体变形和局部变形。 总体变形指整个结构的外形和尺寸发生变化，出现弯曲、畸变和扭曲等； 局部变形指结构构件在局部区域内出现变形。如构件凹凸变形、端面的角变位、板边褶皱波浪形变形等。 总体变形与局部变形在结构中可能单独出现，更多的是组合出现。变形都会影响到结构的美观，降低构件的刚度和稳定性，给连接和组装带来困难，尤其是附加应力的产生，将严重降低构件的承载力，影响到整体结构的安全。变形原因： （1）钢材的初始变形 轧制及人为因素等原因，常存在初始变形，尤其是冷弯薄壁型钢，因此在钢结构构件制作前必须认真检查材料，矫正变形，不允许超出钢材规定的变形范围。（2）加工制作中的变形 冷加工产生的变形；制作、组装带来的变形；焊接变形（3）运输及安装过程中产生的变形 运输不小心、安装工序不合理、吊点位置不当、临时支撑不足、堆放场地不平等均会使结构构件产生变形。 （4）使用过程中产生的变形 2. 钢结构变形事故的处理方法（1）冷加工法矫正变形 冷加工法是用人力或机械力矫正变形，适用于尺寸较小或变形较小的构件（杆件和板件无裂纹、缺口等损伤 ）。 1）手工矫正。采用大锤和平台为工具，用锤击使金属延伸，达到矫正变形的目的；适合于尺寸较小的零件的局部变形矫正，也可作为机械矫正和热矫正的辅助矫正方法。 2）机械矫正。采用简单弓架、千斤顶和各种机械来矫正变形。 2. 钢结构变形事故的处理方法（2）热加工法矫正变形 采用乙炔气和氧气混合燃烧火焰为热源，对变形结构构件加热，使其产生新的变形，来抵消原有的变形。正确使用火焰和温度是其关键。加热方式有点状加热、线状加热（直线、曲线、环线、平行线和网线）和三角形加热。 5.2.3 钢结构的脆性断裂事故 钢结构脆性断裂的特征： 1）破坏时的应力常小于钢材的屈服强度； 2）破坏前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生，无事故先兆； 3）断口平齐光亮。 1.脆性断裂产生的原因 1）材质缺陷 碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时，会降低其塑性和韧性；钢材的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、裂纹及分层等也将降低抵抗脆性断裂的能力。 1.脆性断裂产生的原因 2）应力集中 应力集中越严重，钢材的塑性降低愈多，同时脆性断裂的危险性也愈大。应力集中主要与构造细节有关： 在构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变等缺陷在所难免。 焊接结构的各种缺陷将成为断裂源。 3）使用环境 当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时，钢结构脆性破坏的可能性增大。 1.脆性断裂产生的原因 4）钢板厚度 钢板越厚，脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂”问题应引起高度重视。 综上所述，材质缺陷、应力集中、使用环境以及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素。在动载作用下，严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。 2. 脆性断裂的防治措施 1）合理选择钢材 根据结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作环境选择钢种；尤其是在低温下承受动载的重要的焊接结构，应选择韧性高的材料。 2）合理设计 选择合理的结构型式；避免或减少应力集中；提高接头或节点的承载力设计值；满足强度和稳定的前提下尽量采用薄钢板；避免焊缝集中布置或重