鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂及其防止措施研究

梁新芳

（441223198311231717）

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)的厚板層非常容易出現(xiàn)一種脆性的斷裂就是層狀撕裂，主要發(fā)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)的厚板層狀撕裂產(chǎn) 生的主要原因進(jìn)行了細(xì)致的分析，然后對(duì)鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂產(chǎn)生的主要因素進(jìn)行了分析，最后結(jié)合層狀撕裂產(chǎn)生的原因提出了相應(yīng)的防止鋼結(jié)構(gòu)厚板層防止層狀撕裂的主要措施。本文對(duì)厚板的鋼材選材及防止鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂產(chǎn)生有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；鋼材厚板；層狀撕裂；防治措施；鋼材選材

1.前言

伴隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的不斷進(jìn)步，大量的工程建筑開始興起，鋼結(jié)構(gòu)厚板作為主要的原材料大量的應(yīng)用于建筑工程、大型橋梁、海洋平臺(tái)及壓力容器等工程建設(shè)中。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程與建筑工程中，涉及到的鋼結(jié)構(gòu)厚板主要應(yīng)用于高層建筑或者是跨度大的空間結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)厚板的主要應(yīng)用狀態(tài)，但是由于材質(zhì)問(wèn)題鋼結(jié)構(gòu)厚板很容易出現(xiàn)層狀撕裂，影響使用，下面著重對(duì)鋼結(jié)構(gòu)厚板的層狀撕裂的一系列問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂產(chǎn)生的原因

鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)厚板的力學(xué)性能存在差異，再加上一些非金屬類雜物的存在，很容易導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生分層現(xiàn)象，當(dāng)承受的拉應(yīng)力是厚度方向的時(shí)候就產(chǎn)生層狀撕裂。由于鋼板厚度和結(jié)構(gòu)體系逐漸變得復(fù)雜化，也導(dǎo)致了焊接過(guò)程中的難度系數(shù)增加，這樣就很容易使得鋼材在沿著板厚的方向呈現(xiàn)層狀撕裂。

鋼結(jié)構(gòu)厚板的層狀撕裂不僅可以發(fā)生在焊接中，也可以發(fā)生在焊接后的冷卻過(guò)程中，當(dāng)焊接過(guò)程完成之后還可能由于外加力的影響再產(chǎn)生層狀撕裂。發(fā)生層狀撕裂的需要滿足以下幾個(gè)條件，首先，鋼材的材質(zhì)問(wèn)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(qiáng)化程度低的合金鋼等，這些厚板中的夾雜物往往呈現(xiàn)出條狀分布，分布特征混亂；其次需要有Z向的拉伸應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力的強(qiáng)度必須夠大，此外焊接的殘余應(yīng)力，拘束應(yīng)力及沿板厚方向的外荷載都可能導(dǎo)致Z方向的拉應(yīng)力的產(chǎn)生。

鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂的主要原因是由于鋼板中夾雜的物質(zhì)本身沒(méi)有足夠的強(qiáng)度并且夾雜物與金屬整體的結(jié)合度不高，所以就很容易受到外界應(yīng)力的干擾，當(dāng)在鋼板的厚度方向出現(xiàn)焊接拘束應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力時(shí)，這些夾雜物就會(huì)與整體的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生剝離，從而產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生之后伴隨著外荷載力的不斷增加，就導(dǎo)致裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷擴(kuò)大，然后就會(huì)加劇裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)出現(xiàn)兩條層狀撕裂裂紋的尖端非常靠近的時(shí)候，兩條裂紋的尖端在塑性變形區(qū)進(jìn)行接觸，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大裂紋。

3.鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂的主要影響因素

鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂產(chǎn)生的因素有很多，主要是由于鋼材材質(zhì)的影響、接頭應(yīng)力狀態(tài)的影響以及焊接時(shí)工藝的影響，下面就這三種主要的影響因素進(jìn)行細(xì)致的分析。

3.1 鋼材材質(zhì)的影響

由于鋼材的材質(zhì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)厚板的層狀撕裂影響非常大，所以首先分析鋼材結(jié)構(gòu)對(duì)層狀撕裂的影響。由于鋼材的材質(zhì)不是純凈物，往往有很多夾雜著雜質(zhì)，最常見的雜質(zhì)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(jié)合力的，但是結(jié)合力往往比整體金屬本身的強(qiáng)度都低，所以這些夾雜的雜質(zhì)就很容易導(dǎo)致層狀撕裂的產(chǎn)生，當(dāng)由于夾雜物導(dǎo)致的鋼結(jié)構(gòu)厚板的層狀撕裂的產(chǎn)生時(shí)需要考慮雜質(zhì)的分布形態(tài)及分布的尺寸。例如當(dāng)在鋼板的軋制方向存在大量的氧化錳的時(shí)候，層狀撕裂一般呈現(xiàn)出階梯狀，當(dāng)有大量的二氧化硅存在時(shí)層狀撕裂一般呈現(xiàn)出直線條狀。對(duì)鋼材的抗撕裂能力一般需要根據(jù)鋼板厚度的方向的拉伸斷面的收縮率進(jìn)行評(píng)定，一般來(lái)說(shuō)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(duì)鋼材產(chǎn)生層狀撕裂現(xiàn)象進(jìn)行分析時(shí)需要考慮到鋼材的化學(xué)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(yīng)力的狀態(tài)的影響

在鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于實(shí)際需要，設(shè)計(jì)時(shí)往往不可避免的導(dǎo)致一些十字形接頭、Z字型接頭及T字型接頭的產(chǎn)生，當(dāng)出現(xiàn)這些接頭形式時(shí)，往往會(huì)增加鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生層狀撕裂的敏感程度。由于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力體系是非常復(fù)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(chǎn)生的可能性。所有這些都說(shuō)明強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)厚板產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因，在焊接時(shí)產(chǎn)生的不同的接頭方式對(duì)接頭處的應(yīng)力就會(huì)不同，這樣就導(dǎo)致整個(gè)金屬鋼板對(duì)于層狀撕裂的敏感程度不同。

3.3 焊接工藝的影響

鋼結(jié)構(gòu)的焊接工藝是非常復(fù)雜的，焊接工藝對(duì)層狀撕裂產(chǎn)生的原因也是相當(dāng)復(fù)雜的。焊縫的尺寸、焊接坡口的構(gòu)造、接頭的加工精度、對(duì)構(gòu)件進(jìn)行切割時(shí)使用的切割方法、焊接材料的選擇、焊接金屬的強(qiáng)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(duì)于鋼結(jié)構(gòu)厚板產(chǎn)生層狀撕裂都有重要的影響，由于氫脆作用對(duì)厚板的層狀撕裂有很大的影響，所以在焊接過(guò)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(chǎn)生。

4.鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂的主要防止措施

4.1 嚴(yán)格進(jìn)行鋼板的選材

首先，對(duì)受力比較復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)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(lái)說(shuō)，Z向鋼板比較昂貴，所以如果在選材的時(shí)候盲目的選擇Z向鋼板會(huì)造成浪費(fèi)，所以需要結(jié)合具體的焊接需要進(jìn)行選材，例如當(dāng)沿著厚板方向有拉應(yīng)力存在時(shí)，特別是由于外部載荷導(dǎo)致的拉應(yīng)力持續(xù)存在時(shí)就需要考慮采用Z型鋼板，不然就很容易產(chǎn)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(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂的產(chǎn)生。其次，對(duì)于鋼材中的S元素的含量進(jìn)行控制，減少鋼材的層狀偏析；最后在選材時(shí)需要對(duì)于每塊材料進(jìn)行檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼板存在裂紋、夾層及分層時(shí)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(shí)際的加工過(guò)程中。

4.2 對(duì)結(jié)構(gòu)焊接接頭進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)

由于焊接接頭對(duì)層狀撕裂的影響是非常大的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)整體結(jié)構(gòu)中涉及到的焊接接頭進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，首先需要將接頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行改良，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的選擇尤其需要謹(jǐn)慎；其次，對(duì)于坡口的選擇，在滿足焊接前的設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)于坡口的形式。角度以及間隙進(jìn)行合理的選擇，最大限度的將焊縫截面和焊縫的收縮應(yīng)力減少，這樣就能減少鋼材厚板方向所承受的拉應(yīng)力，防止出現(xiàn)層狀撕裂。

4.3 采用合理的加工工藝和焊接工藝

在加工過(guò)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(qiáng)組配的焊接材料，這樣能夠增加焊接金屬的延展性，促進(jìn)應(yīng)變集中在焊縫處，這樣就能減輕整體材料的應(yīng)變，改善鋼結(jié)構(gòu)的抗撕裂的性能。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)層狀撕裂產(chǎn)生的主要原因是鋼材材質(zhì)的影響、接頭應(yīng)力狀態(tài)的影響以及焊接時(shí)工藝的影響，所以結(jié)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(chǎn)生。

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