钢结构变形的矫正

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钢结构变形的矫正8．1钢结构变形的基本概念　　为什么有的船首尾会上翘中部会下垂(称中垂变形)?有的船首尾会下垂中部会上拱(称中拱变形)?在同一艘船上为什么更换一块甲板，会比更换一块同样大小的船底板造成的总体变形要大?其实钢结构箱形构件、工字钢梁与船十分相似。　　假如在一根工字钢“中和轴”处对称堆焊，并不会引起上翘变形(图8-la)。假如在工字钢翼面板上堆焊，就会引起上翘变形。堆焊量愈大，变形愈大(图8-16)。对于钢结构来说，横截面上都有一根与某一基准面对应的中和轴(重心轴)。其特点是：中和轴以上各个零件的截面积分别乘以截面积形心到中和轴距离的总和，等于中和轴以下各个零件截面积分别乘以截面积形心到中和轴距离的总和。假如在工字钢下面焊一根扁钢，那么这个组合件的中和轴就要向下偏移，见图8-1c。　　焊接变形是围绕型钢中和轴进行的。在上翼板上焊接，工字钢会产生中垂变形(图8-1(b))；若在下翼板上焊接，会产生中拱变形；若焊缝对称于中和轴焊接，从理论上讲，不会产生总体变形。8．2焊接变形原理　　钢结构施工中，造成结构变形的主要原因是焊接。焊接是在高温状态下进行，焊接时熔池温度高达17阗℃，构件受热是局部的、不均匀的，焊缝区域受热后要膨胀，但是焊缝四周的金属又处于冷的状态，阻止受热金属的膨胀，使受热金属(焊缝金属)产生了压缩应力。同时，金属在高温时，其屈服点很低(当温度为700℃％时，其屈服点仅为原来的10％左右)，当热金属内的压缩应力超过屈服点as后，焊缝内的热金属就会造成塑性压缩变形，此种塑性压缩变形是不可逆的。随着加热金属的冷却，压缩应力随之减小、消失；进一步冷却，加热区段开始增长反方向的应力(拉伸应力)。但由于周围冷金属的阻止，使得热金属(焊缝)不能得到充分的收缩，因而又使其内部呈现拉伸应力，造成结构变形。　　从上述分析可以看出，焊接应力与变形的产生，是由于焊缝区域受热不均匀和焊缝周围金属的约束所致，而热膨胀过程中出现的塑性压缩变形，便是冷却中产生残余变形的根源。　　在钢板上面沿纵向堆焊一条焊缝，此焊缝长为L，宽为b。我们把堆上去的焊缝看作是加在钢板上的热能，将焊缝的投影面积看作是一分离的板条bxI。板条受热后，假定四周没有冷金属的约束，板条势必膨胀，膨胀长度厶i，膨胀宽度厶6。但是实际上板条bxL与钢板不是分离的，四周会受到冷金属的约束而无法膨胀，所以板条是缩短了长度△L、宽度△b。板条的缩短是由于产生压缩应力a0所致，且a0>as因而板条产生塑性变形(缩短)。　　 当焊接完毕温度降低时，ao亦下降，板条要收缩，但是由于四周冷金属的阻止，使得板条无法得到充分的缩短，因而产生了残余应力(拉应力)。板条内的拉应力使四周的冷金属造成压缩，四周的板受到压缩后，在平面内将出现波形。对于厚度在8mm以下的板，因为它的临界应力比屈服点低得多，因此当焊缝收缩时，焊缝内呈现的残余拉应力ao(即四周冷金属所受到的压应力)会超过临界应力，因而板易丧失稳定性而出现波浪形，在板边会产生皱折，见图8-2。　　假如在板的边缘堆焊，且板是狭长的，则存在板内的拉应力会使板条呈现弯曲变形。又因为焊缝是堆焊于钢板的上面，板的受热在厚度上分布是不均匀的，因此板要以焊缝处为转折点而产生角变形。角变形与板厚有关，厚板比薄板的角变形小，这是因为厚板的抗弯模数大，塑性变形小。角变形又与焊足的大小有关，加大焊足容易造成角变形。因此，从防止变形的观点出发，在保证焊缝强度的条件下，连续的角焊缝比间断的角焊缝变形要小。　　总之，焊接会引起结构的纵向和横向收缩变形、角度形、波浪形及构件边缘的皱折算，并能引起结构的总体变形。　　影响焊接变形的因素是：　　(1)加热程度。变形大小主要受焊接规范的影响，采用大电流和降低焊接速度都会使线能量增大，使变形增加。9螺栓连接9．1普通螺栓连接9．1．1普通螺栓的种类和特性　　(1)材料：一般采用Q235。　　(2)形式：大六角头形，粗牙普通螺栓。其代号用字母M与公称直径(nlm)表示，工程中常用M18、M20、M22、M24。　　(3)标准：CB5780--86，GB5781--86六角头螺栓一C级、六角头螺栓一全螺纹一C级　　CB5782-5784--86六角头螺栓一A和B级、六角头螺栓一全螺纹一A和B级。　　(4)分类　　1)c级螺栓(原粗制螺栓)：加工粗糙、尺寸不够准确，只要求Ⅱ类孔(在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径的孔)、成本低。栓比孔径小1．5—2．0mm，由于?L隙较大，当传递剪力时，连接变形大，承受剪力较差，但传递拉力性能仍较好，故局限于承受钢板间的摩擦阻力，重要结构采用c级螺栓时，应加牛腿或剪切板。c级螺栓广泛用于需要装拆连接，承受拉力的安装连接，不重要的连接或作安装时的临时固定等。　　2)A级和B级螺栓：A级由车床加工而成，用于拆装结构或传递较大剪力的重要结构。B级螺栓的直径不小于24nma，长度不小于150nm~。　　A级螺栓(原精制)和B级螺栓(原半精制)加工精度较高，要求I类孔，孔径与栓径相等，只分别允许其有正和负公差，栓杆和螺孔间的空隙仅为o．3mm左右。因此A缓和B级螺栓与螺?L为紧配合，受剪性能较好，变形很小，但制造和安装过于费工，价格昂贵，目前在钢结构中应用较少。　　孔壁质量属于下列情况者为I类孔：　　①在装配好的构件上按设计孔径钻成的孔；　　② 在单个构件和零件上按设计孔径分别用钻模钻成的孔；　　③在单个零件上，先钻成或冲成较小的孔径，然后在装配好的构件上再扩钻至设计孔径的孔。　　(5)螺栓的制图符号　　在钢结构施工图上需将螺栓及螺孔的施工要求，用图形表示，以免引起混淆(图9-1)。详细表示方法参见《建筑结构制图标准》(GBl05--87)。　　(6)螺栓的有效面积(表9-1)2)构造要求螺栓的间距也不宜过大。尤其是受压板件，当栓距过大时，容易发生凸曲现象。板和刚性构件(如槽钢、角钢等)连接时，栓距过大不易紧密接触，潮气易于侵入缝隙而锈蚀。按规范规定，栓孔中心最大间距受压时为12do或18tmin。(tmin。为外层较薄板件的厚度)，受拉时为16do或24tmin，中心至构件边缘最大距离为4do或18tx．in。　　3)施工要求螺栓应有足够距离，以便于转动扳手，拧紧螺母。9．1．2普通螺栓连接的构造要求　　(1)螺栓的直径　　在同一结构连接中，无论是临时安装螺栓还是永久螺栓，为了便于制造，宜用同一种直径的螺栓孔d。螺栓直径d的选择根据连接件的尺寸和受力大小而定，可参照表9-1螺栓的有效面积，按螺栓结构形式和受力大小进行计算。常用的标准螺栓直径是M16、M18、M20、M22、M24。　　(2)螺栓的排列及间距　　螺栓的排列及间距可分为并列排列与错位排列两种，如图9-2所示。其排列原则如下：　　1)受力要求 螺栓孔(do)的最小端距(沿受力方向)为2do，以免板端被剪掉；螺栓孔的最小边距(垂直于受力方向)为1．5Jo(切割边)或1．2do(轧成边)。在型钢上，螺栓应排列在型钢准线上。中间螺孔的最小间距(栓距和线距)为3do，否则螺孔周围应力集中的相互影响较大，且对钢板的截面削弱过多，从而降低其承载能力。10铆接工艺　　半个世纪以前，铆接是钢结构连接的主要形式，例如船舶、大桥等均采用铆接工艺。　　直径10mm以上钢铆钉必须加热以后“红铆”。施工时工地上烟灰飞舞、施工条件差，劳动强度高，这是铆接工艺的缺点。但是铆接具有重新分布高应力的优点，故能减少产生结构损坏的危险。当一个构件出现裂纹，可以在铆缝处终止，防止裂纹蔓延，铆接不会有残余应力和结构变形。因此一些受强力的构件以及无法焊接的部位，仍然采用铆接结构，对于铆接结构的修理，仍会涉及铆接工艺。对于构件厚度4mm以下的钢结构工程、铝合金结构或混合结构、金属与非金属结构、较多地仍采用铆接结构。10．1施工准备　　(1)铆钉规格的选用：　　新结构可按国家标准；旧结构修理必须根据结构上铆钉孔的实际情况来确定。铆接结构一般是50年前所造，那时的标准与现行标准不一样，有的虽然有铆钉图纸，但是几次更换铆钉之后，铆钉孔直径已扩大，~,-fL深度已增加，图纸上铆钉规格已不适用，必须根据实际情况选定铆钉规格。　　(2)铆钉材料应具有合格证，材料经过拉丝(将盘圆直径拉细)之后，会产生冷作硬化，必须作退火处理。　　(3)铆钉成品每批抽三只作冷弯试验，弯到两头相碰，弯曲处表面不应有裂口和裂纹。每批中应抽三只作打扁试验，将其烧红、塞人孔模打扁到铆钉锥头直径为钉杆直径的2，5倍，不发生裂口。　　(4)对于铆接结构在修理时改成焊接结构，必须将原构件取样化学分析，化学成分应符合焊接要求。　　(5)制造铆钉窝子的材料为T8或T8A高碳工具钢。铆钉窝子使用寿命与其颈部的加工精度和热处理工艺有很大关系。有的铆钉窝子使用寿命极短、极易在肩部发生断裂，其原因是加工时颈部圆弧处留有刀痕，虽然经淬火处理，但未作回火处理，故其韧性很差，往往易在颈部断裂。改进的方法是：颈部放余量、淬火后进行回火处理，用磨床加工，消除颈部刀痕。铆钉窝子热处理规范：淬火温度700～800％，保温28-30rain油冷；回火温度450；500℃，保温2h，空冷。10．2拆换铆钉工艺10．2。1拆卸旧铆钉方法　　(1)钻孔法。在铆钉锁头上打孔，孔径比钉杆小lmm，孔深与锪孔深度相当，然后将钉杆冲进去。　　(2)用气割矩割断锥头然后冲进去钉杆。　　(3)用碳精棒电弧切割，或用氧一乙炔火焰气割去掉铆钉锁头部分，然后冲进去钉杆。10．2．2割换旧铆钉的程序　　(1)大量更换铆钉，应分批进行。第一批割三留一，待冲去钉杆用螺栓固定后再割卸其余部分铆钉。　　(2)外板接缝铆钉，一般是割六留二，分两批割。10．2．3单换铆钉的工艺及技术要求　　钢结构不换，单换旧铆钉，当钉杆拆除后，应检查板缝内垫料是否完好，若损坏且有条件更换者应更换，以保证水密性。　　铆接前应去除铆钉孔内氧化铁及垃圾，同时用锪孔钻，将原锪孔圆锥面修刮至露出金属光泽。若原锪孔处的圆锥面已损坏，要用电焊修补好后再行锪孔。实践证明，锪孔圆锥面的好坏，直接影响铆接质量和结构水密性。10．3铆接新结构施32工艺10．3．1铆钉规格和尺寸(表10-1)10．3．2铆钉化学成分及机械性能　　制作铆钉的钢材为专用钢材ML2、ML3及普通碳钢，其化学成分与力学性能如表10-2、表10-3所示。 圆形筒仓因焊接引起的变形主要有椭圆超差、局部棱角度超差，周长超差。不宜采用火焰矫正。   椭圆超差的处理：一般采用撑、拉法，即用钢管或型钢截取至要求长度，斜放入筒仓内，用锤击或千斤顶送至最小直径并调整至垂直于接口平面，将其撑大。另一方法则用葫芦将最大处拉紧，使其缩小。   棱角度超差的处理：若构件的板厚较薄，采用大锤拍打对变形处进行调整，一般可用较厚的钢板按筒仓半径切割几块1～2m长的弓形，点焊在变形处，然后用锲铁进行调整处理。   周长超差的处理：一般先测量要组对口的上、下周长，视其差值确定处理方法，若差值不太大，采用平均分配法，将圆周先进行等分，在每一等分内分配一定的偏差值进行组对。若测量的差值过大，只好采用开膛大法了，将筒仓的纵焊缝割开，割除多余的料，然后合拢焊接，最后再进行组对。   拼焊H钢(吊车梁亦为该结构形式)的焊接变形主要有弯曲、扭曲、冀缘波浪。在加工厂内最好机械矫正，如H型钢整形机或压力机等。若在施工现场，则主要采用火焰矫正法。   弯曲的处理：对要处理的构件先测量，确定最大弯曲量及所在位置，然后用火焰对弯曲处附近进行三角形加热(加热点的数量与距离将视弯曲变形情况来确定)，最后才加热变形量最大处。加热时应注意控制加热温度不宜超过临界点。加热至钢材微红，即用水急冷，如此反复直至变形得以矫正。   扭曲的处理：先找一平台，将构件摆放于平台上一端固定，用火焰地构件进行斜向加热，加热的同时构件另一端应施加与扭曲方向相反的外力，至平整后再施加部分外力让其轻微过量，待构件冷却后方可拆除外畋。   冀缘波浪的处理：若冀缘板不厚可直接采用大锤拍打法，一般可采用火焰局部片状加热辅之大锤拍打进行处理。采用此方法须注意的是拍打时在变形处二端须加以支撑。也可以采用小龙门架加千斤顶的方法处理，虽说处理后的外观较好，但效率较低。烤火可是一门大学问，按照一定的次序来烤，通常的变形问题都能解决。