鋼結構變形的矯正

1、鋼結構變形的矯正81 鋼結構變形的基本概念 為什么有的船首尾會上翹中部會下垂(稱中垂變形)?有的船首尾會下垂中部會上拱(稱中拱變形)?在同一艘船上為什么更換一塊甲板，會比更換一塊同樣大小的船底板造成的總體變形要大?其實鋼結構箱形構件、工字鋼梁與船十分相似。 假如在一根工字鋼“中和軸”處對稱堆焊，并不會引起上翹變形(圖8-la)。假如在工字鋼翼面板上堆焊，就會引起上翹變形。堆焊量愈大，變形愈大(圖8-16)。對于鋼結構來說，橫截面上都有一根與某一基準面對應的中和軸(重心軸)。其特點是：中和軸以上各個零件的截面積分別乘以截面積形心到中和軸距離的總和，等于中和軸以下各個零件截面積分別乘以截面積形心到

2、中和軸距離的總和。假如在工字鋼下面焊一根扁鋼，那么這個組合件的中和軸就要向下偏移，見圖8-1c。 焊接變形是圍繞型鋼中和軸進行的。在上翼板上焊接，工字鋼會產生中垂變形(圖8-1(b)；若在下翼板上焊接，會產生中拱變形；若焊縫對稱于中和軸焊接，從理論上講，不會產生總體變形。82焊接變形原理 鋼結構施工中，造成結構變形的主要原因是焊接。焊接是在高溫狀態(tài)下進行，焊接時熔池溫度高達17闐，構件受熱是局部的、不均勻的，焊縫區(qū)域受熱后要膨脹，但是焊縫四周的金屬又處于冷的狀態(tài)，阻止受熱金屬的膨脹，使受熱金屬(焊縫金屬)產生了壓縮應力。同時，金屬在高溫時，其屈服點很低(當溫度為700時，其屈服點僅為原來的10

3、左右)，當熱金屬內的壓縮應力超過屈服點as后，焊縫內的熱金屬就會造成塑性壓縮變形，此種塑性壓縮變形是不可逆的。隨著加熱金屬的冷卻，壓縮應力隨之減小、消失；進一步冷卻，加熱區(qū)段開始增長反方向的應力(拉伸應力)。但由于周圍冷金屬的阻止，使得熱金屬(焊縫)不能得到充分的收縮，因而又使其內部呈現拉伸應力，造成結構變形。 從上述分析可以看出，焊接應力與變形的產生，是由于焊縫區(qū)域受熱不均勻和焊縫周圍金屬的約束所致，而熱膨脹過程中出現的塑性壓縮變形，便是冷卻中產生殘余變形的根源。 在鋼板上面沿縱向堆焊一條焊縫，此焊縫長為L，寬為b。我們把堆上去的焊縫看作是加在鋼板上的熱能，將焊縫的投影面積看作是一分離的板條

4、bxI。板條受熱后，假定四周沒有冷金屬的約束，板條勢必膨脹，膨脹長度厶i，膨脹寬度厶6。但是實際上板條bxL與鋼板不是分離的，四周會受到冷金屬的約束而無法膨脹，所以板條是縮短了長度L、寬度b。板條的縮短是由于產生壓縮應力a0所致，且a0>as因而板條產生塑性變形(縮短)。 當焊接完畢溫度降低時，ao亦下降，板條要收縮，但是由于四周冷金屬的阻止，使得板條無法得到充分的縮短，因而產生了殘余應力(拉應力)。板條內的拉應力使四周的冷金屬造成壓縮，四周的板受到壓縮后，在平面內將出現波形。對于厚度在8mm以下的板，因為它的臨界應力比屈服點低得多，因此當焊縫收縮時，焊縫內呈現的殘余拉應力ao(即四周冷

5、金屬所受到的壓應力)會超過臨界應力，因而板易喪失穩(wěn)定性而出現波浪形，在板邊會產生皺折，見圖8-2。 假如在板的邊緣堆焊，且板是狹長的，則存在板內的拉應力會使板條呈現彎曲變形。又因為焊縫是堆焊于鋼板的上面，板的受熱在厚度上分布是不均勻的，因此板要以焊縫處為轉折點而產生角變形。角變形與板厚有關，厚板比薄板的角變形小，這是因為厚板的抗彎模數大，塑性變形小。角變形又與焊足的大小有關，加大焊足容易造成角變形。因此，從防止變形的觀點出發(fā)，在保證焊縫強度的條件下，連續(xù)的角焊縫比間斷的角焊縫變形要小。 總之，焊接會引起結構的縱向和橫向收縮變形、角度形、波浪形及構件邊緣的皺折算，并能引起結構的總體變形。 影響焊

6、接變形的因素是： (1)加熱程度。變形大小主要受焊接規(guī)范的影響，采用大電流和降低焊接速度都會使線能量增大，使變形增加。9 螺 栓 連 接91普通螺栓連接911 普通螺栓的種類和特性 (1)材料：一般采用Q235。 (2)形式：大六角頭形，粗牙普通螺栓。其代號用字母M與公稱直徑(nlm)表示，工程中常用M18、M20、M22、M24。 (3)標準：CB 5780-86，GB 5781-86六角頭螺栓一C級、六角頭螺栓一全螺紋一C級 CB 5782-5784-86六角頭螺栓一A和B級、六角頭螺栓一全螺紋一A和B級。 (4)分類 1)c級螺栓(原粗制螺栓)：加工粗糙、尺寸不夠準確，只要求類孔(在單個

7、零件上一次沖成或不用鉆模鉆成設計孔徑的孔)、成本低。栓比孔徑小1520mm，由于?L隙較大，當傳遞剪力時，連接變形大，承受剪力較差，但傳遞拉力性能仍較好，故局限于承受鋼板間的摩擦阻力，重要結構采用c級螺栓時，應加牛腿或剪切板。c級螺栓廣泛用于需要裝拆連接，承受拉力的安裝連接，不重要的連接或作安裝時的臨時固定等。 2)A級和B級螺栓：A級由車床加工而成，用于拆裝結構或傳遞較大剪力的重要結構。B級螺栓的直徑不小于24nma，長度不小于150nm。 A級螺栓(原精制)和B級螺栓(原半精制)加工精度較高，要求I類孔，孔徑與栓徑相等，只分別允許其有正和負公差，栓桿和螺孔間的空隙僅為o3mm左右。因此A緩

8、和B級螺栓與螺?L為緊配合，受剪性能較好，變形很小，但制造和安裝過于費工，價格昂貴，目前在鋼結構中應用較少。 孔壁質量屬于下列情況者為I類孔： 在裝配好的構件上按設計孔徑鉆成的孔； 在單個構件和零件上按設計孔徑分別用鉆模鉆成的孔； 在單個零件上，先鉆成或沖成較小的孔徑，然后在裝配好的構件上再擴鉆至設計孔徑的孔。 (5)螺栓的制圖符號 在鋼結構施工圖上需將螺栓及螺孔的施工要求，用圖形表示，以免引起混淆(圖9-1)。詳細表示方法參見建筑結構制圖標準(GBl05-87)。 (6)螺栓的有效面積(表9-1)2)構造要求 螺栓的間距也不宜過大。尤其是受壓板件，當栓距過大時，容易發(fā)生凸曲現象。板和剛性構件

9、(如槽鋼、角鋼等)連接時，栓距過大不易緊密接觸，潮氣易于侵入縫隙而銹蝕。按規(guī)范規(guī)定，栓孔中心最大間距受壓時為12do或18tmin。(tmin。為外層較薄板件的厚度)，受拉時為16do或24tmin，中心至構件邊緣最大距離為4do或18txin。 3)施工要求 螺栓應有足夠距離，以便于轉動扳手，擰緊螺母。912 普通螺栓連接的構造要求 (1)螺栓的直徑 在同一結構連接中，無論是臨時安裝螺栓還是永久螺栓，為了便于制造，宜用同一種直徑的螺栓孔d。螺栓直徑d的選擇根據連接件的尺寸和受力大小而定，可參照表9-1螺栓的有效面積，按螺栓結構形式和受力大小進行計算。常用的標準螺栓直徑是M16、M18、M20

10、、M22、M24。 (2)螺栓的排列及間距 螺栓的排列及間距可分為并列排列與錯位排列兩種，如圖9-2所示。其排列原則如下： 1)受力要求 螺栓孔(do)的最小端距(沿受力方向)為2do，以免板端被剪掉；螺栓孔的最小邊距(垂直于受力方向)為15Jo(切割邊)或12do(軋成邊)。在型鋼上，螺栓應排列在型鋼準線上。中間螺孔的最小間距(栓距和線距)為3do，否則螺孔周圍應力集中的相互影響較大，且對鋼板的截面削弱過多，從而降低其承載能力。10 鉚 接 工 藝 半個世紀以前，鉚接是鋼結構連接的主要形式，例如船舶、大橋等均采用鉚接工藝。 直徑10mm以上鋼鉚釘必須加熱以后“紅鉚”。施工時工地上煙灰飛舞、施

11、工條件差，勞動強度高，這是鉚接工藝的缺點。但是鉚接具有重新分布高應力的優(yōu)點，故能減少產生結構損壞的危險。當一個構件出現裂紋，可以在鉚縫處終止，防止裂紋蔓延，鉚接不會有殘余應力和結構變形。因此一些受強力的構件以及無法焊接的部位，仍然采用鉚接結構，對于鉚接結構的修理，仍會涉及鉚接工藝。對于構件厚度4mm以下的鋼結構工程、鋁合金結構或混合結構、金屬與非金屬結構、較多地仍采用鉚接結構。101 施工準備 (1)鉚釘規(guī)格的選用： 新結構可按國家標準；舊結構修理必須根據結構上鉚釘孔的實際情況來確定。鉚接結構一般是50年前所造，那時的標準與現行標準不一樣，有的雖然有鉚釘圖紙，但是幾次更換鉚釘之后，鉚釘孔直徑已

12、擴大，,-fL深度已增加，圖紙上鉚釘規(guī)格已不適用，必須根據實際情況選定鉚釘規(guī)格。 (2)鉚釘材料應具有合格證，材料經過拉絲(將盤圓直徑拉細)之后，會產生冷作硬化，必須作退火處理。 (3)鉚釘成品每批抽三只作冷彎試驗，彎到兩頭相碰，彎曲處表面不應有裂口和裂紋。每批中應抽三只作打扁試驗，將其燒紅、塞人孔模打扁到鉚釘錐頭直徑為釘桿直徑的2，5倍，不發(fā)生裂口。 (4)對于鉚接結構在修理時改成焊接結構，必須將原構件取樣化學分析，化學成分應符合焊接要求。 (5)制造鉚釘窩子的材料為T8或T8A高碳工具鋼。鉚釘窩子使用壽命與其頸部的加工精度和熱處理工藝有很大關系。有的鉚釘窩子使用壽命極短、極易在肩部發(fā)生斷裂

13、，其原因是加工時頸部圓弧處留有刀痕，雖然經淬火處理，但未作回火處理，故其韌性很差，往往易在頸部斷裂。改進的方法是：頸部放余量、淬火后進行回火處理，用磨床加工，消除頸部刀痕。鉚釘窩子熱處理規(guī)范：淬火溫度700800，保溫28-30rain油冷；回火溫度450；500，保溫2h，空冷。102拆換鉚釘工藝102。1 拆卸舊鉚釘方法 (1)鉆孔法。在鉚釘鎖頭上打孔，孔徑比釘桿小lmm，孔深與锪孔深度相當，然后將釘桿沖進去。 (2)用氣割矩割斷錐頭然后沖進去釘桿。 (3)用碳精棒電弧切割，或用氧一乙炔火焰氣割去掉鉚釘鎖頭部分，然后沖進去釘桿。1022 割換舊鉚釘的程序 (1)大量更換鉚釘，應分批進行。第

14、一批割三留一，待沖去釘桿用螺栓固定后再割卸其余部分鉚釘。 (2)外板接縫鉚釘，一般是割六留二，分兩批割。1023 單換鉚釘的工藝及技術要求 鋼結構不換，單換舊鉚釘，當釘桿拆除后，應檢查板縫內墊料是否完好，若損壞且有條件更換者應更換，以保證水密性。 鉚接前應去除鉚釘孔內氧化鐵及垃圾，同時用锪孔鉆，將原锪孔圓錐面修刮至露出金屬光澤。若原锪孔處的圓錐面已損壞，要用電焊修補好后再行锪孔。實踐證明，锪孔圓錐面的好壞，直接影響鉚接質量和結構水密性。103 鉚接新結構施32工藝1031 鉚釘規(guī)格和尺寸(表10-1)1032 鉚釘化學成分及機械性能 制作鉚釘的鋼材為專用鋼材ML2、ML3及普通碳鋼，其化學成分

15、與力學性能如表10-2、表10-3所示。圓形筒倉因焊接引起的變形主要有橢圓超差、局部棱角度超差，周長超差。不宜采用火焰矯正。    橢圓超差的處理：一般采用撐、拉法，即用鋼管或型鋼截取至要求長度，斜放入筒倉內，用錘擊或千斤頂送至最小直徑并調整至垂直于接口平面，將其撐大。另一方法則用葫蘆將最大處拉緊，使其縮小。    棱角度超差的處理：若構件的板厚較薄，采用大錘拍打對變形處進行調整，一般可用較厚的鋼板按筒倉半徑切割幾塊12m長的弓形，點焊在變形處，然后用鍥鐵進行調整處理。    周長超差的處理：一般先測量要

16、組對口的上、下周長，視其差值確定處理方法，若差值不太大，采用平均分配法，將圓周先進行等分，在每一等分內分配一定的偏差值進行組對。若測量的差值過大，只好采用開膛大法了，將筒倉的縱焊縫割開，割除多余的料，然后合攏焊接，最后再進行組對。    拼焊H鋼(吊車梁亦為該結構形式)的焊接變形主要有彎曲、扭曲、冀緣波浪。在加工廠內最好機械矯正，如H型鋼整形機或壓力機等。若在施工現場，則主要采用火焰矯正法。    彎曲的處理：對要處理的構件先測量，確定最大彎曲量及所在位置，然后用火焰對彎曲處附近進行三角形加熱(加熱點的數量與距離將視彎曲變形情況來確定)，最后才加熱變形量最大處。加熱時應注意控制加熱溫度不宜超過臨界點。加熱至鋼材微紅，即用水急冷，如此反復直至變形得以矯正。