钢结构技术员专业培训教材

钢结构技术员专业培训教材

安徽鸿路钢结构（集团）股份有限公司

工艺技术部

目录

第1章．钢结构质量新理念 ——————2节课（90分钟）

第2章．钢结构断裂事故 ——————2节课（90分钟）

第3章．金属学与热处理 ——————2节课（90分钟）

第4章．钢结构用材料 ——————2节课（90分钟）

第5章．放样和下料 ：

气割、剪切、锯切、 —2节课（90分钟）

第6章．钢材加工工艺

钻孔、铣边 端铣 卷板 压制 2节课（90分钟）

第7章．装配与定位焊 ——————2节课（90分钟）

第8章．焊接方法与设备 ——————2节课（90分钟）

第9章．典型构件的的焊接装配工艺 ——————2节课（90分钟）

第10章．焊接应力与变形 ——————2节课（90分钟）

第11章．装配焊接工艺规程 ——————2节课（90分钟）

第12章．预热与后热与矫正 ——————2节课（90分钟）

第13章．摩擦面加工与除锈 ——————2节课（90分钟）

第14章．涂漆工艺 ——————2节课（90分钟）

第15章．结构安装 ——————2节课（90分钟）

第16章．高强螺检与防火涂料 ——————2节课（90分钟）

第1章 钢结构质量理念

1. 现在的钢构厂内的实际控制标准有以下三个层次的内容：

1.1仅仅满足安装施工要求或验收通过。

1.2按规范GB50205-2001和产品的图纸的要求。

1.3除满足以上要求外，把焊接残余应力和焊接区的不良组织、性能等裂纹倾向减少到最小，达到安全范围。

按常规质检，大部分钢结构厂都只局限于对钢结构缺陷的检查。如尺寸与形位的误差、焊接的裂纹、未熔解透、咬边、气孔、夹渣及焊缝的尺寸和形状缺陷、钢材的质量和构件的表面缺陷等，包括对焊缝内部的未熔透、气孔、夹渣等，这些都是有形的缺陷。

而焊接残余应力和焊接区的不良组织、性能等裂纹倾向也是缺陷，但是是一种无形的缺陷，严格的说是一种无形的欠缺，按通俗的理解有形的欠缺才是缺陷。由于是无形，所以往往不被人们所重视，规范中只有预防，没有对它进行实质性的检测。

对于厚板结构，重型、复杂的结构刚性大的结构，控制焊接残余应力和焊接区的不良组织和性能的裂纹倾向对于重大结构尤其重要。但是在规范GB50205-2001中和常规图纸中有工艺措施要求，如预热、后热等。但对构件最后的焊接残余应力和焊接区的不良组织和性能的裂纹倾向是没有量的控制

2. 焊接残余应力

在钢结构中残余应力有各种类型，有材料轧制带来的，有矫正和成形带来，有抛丸处理带来的，但钢结构中最主要的是焊接带来的残余应力。

钢结构的加工过程，特别是焊接过程的不均匀的加热过程总要引起应力和应变的发生，根据应力的分布，内应力大致有三类：

2.1 第一类内应力--------宏观应力

是宏观各部分间变形程度不同引起的应力。

残余应力的大小有材料的屈服特性作为安全闸门，使应力值最大只能到材料的屈服极限。但这只是对结构宏观应力的一种释放。

材料的屈曲也称为失稳。当结构在使用时的荷载作用下，加上制作时的残余应力，或结构的应力集中，就会超过屈服极限而产生失稳；由于建筑钢结构是由型材组成的架类构件，在荷载作用下容易失稳是钢结构突出的特点，因此在钢结构设计中稳定性比强度更为重要。设计者对荷载作用有成熟的设计规范来控制，但对焊接残余应力往往缺乏估计。造成钢结构的失稳事故。

2.2 第二类内应力------在晶粒间相互平衡的应力，是由于各晶粒间变形不均匀引起的内应力。

2.3 第三类内应力-----在晶体的晶胞中相互平衡的应力。在塑性变形中大量原子偏离平衡位置（位错、空位、间隙原子），致使点阵严重畸变所产生的内应力。

微观应力是存在于晶粒间的，或晶粒内的应力。是由冷作硬化或外力的动载和振动、疲劳或焊接热热循环带来的组织应力。

微观应力是造成脆性和裂纹、脆断的主要危害。

造成的晶粒间甚至晶料内的应力则只能借热作用使其组织回复而消除或减少应力。除采用合理的装配焊接顺序、次序、焊接方法和工艺参数，采用预热、层间温度控制、后热、焊后热处理是目前最有效的手段。

3. 焊接区裂纹倾向、不良的组织和性能

焊接区裂纹倾向，表现在构件上易产生延迟裂纹，不良组织和性能主要表现在脆性增加和抗冲击性的降低，也是直接导致延迟裂纹和脆断的发生。如裂纹和脆断发生在结构投入安装或使用后，其结果是灾难性的。

钢结构在加工过程中产生的应变和在焊缝的冷却过程中已伴随有塑性应变，使之产生应变时效。在高温（100～300C）下，产生热应变脆化（蓝脆性）；冷到室温（100C）后产生的应变时效，使材料的强度和硬度提高，塑性下降。这些都给延迟裂纹的产生潜伏下发作的隐患。

而延迟裂纹是钢结构在施工和投入使用后造成断裂和倒塌的主要原因。

控制焊接残余应力和焊接区的裂纹倾向、不良组织和性能是现代钢结构新的质量理念，是为适应《建设工程质量管理条例》（国务院令第279号）中钢结构工程质量保修期和赔偿责任的实行而提出的新要求。

《建设工程质量管理条例》中：

第四十条：在正常使用条件下，建设工程的最低保修期限为： （一）。。。房屋建筑的。。。主体结构工程，为设计文件规定的该工程的合理使用年限； 建设工程的保修期，自竣工验收合格之日起计算。

第四十一条：建设工程在保修范围和保修期限内发生质量问题的，施工单位应当履行保修义务， 并对造成的损失承担赔偿责任。

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第2章 钢结构断裂事故

按事故发生的时间类：施工期和使用期

2. 钢结构建造阶段的事故原因：

2.1设计阶段：结构选型和设计方案不合理

结构计算错误

荷载取值与实际情况不符

材料选用不合理

节点构造不合理

对施工和使用阶段的特点及特殊要求欠考虑

2.2 制作阶段

不按图纸要求制作，任意修改施工图；

制作尺寸偏差过大；

制作工艺不良，设备落后；

缺少熟练的技术工人和高素质的管理人员；

未按规范要求施工；

不按有关标准验收；

存在偷工减料行为。

2.3 安装阶段：

安装顺序及工艺不当

吊装、定位、校正方法不正确

临时支撑刚度不足安装中稳定性差

焊接和螺栓施工质量达不到设计要求

防火及防腐做法不达标

存在偷工减料行为。

2.4 使用阶段：

使用不当引发过大的地基下沉；

超载使用

任意开洞，局部改造削弱了构件截面和结构整体性；

生产条件改变而未进行必要鉴定与加固；

生产操作不当，造成结构破坏但未及时修复。

使用条件恶劣，以不认真定期检查与维修。

不可抗力。

3. 钢结构断裂事故

1. 钢结构的材料事故钢结构材料事故是指由于材料本身的原因引起的事故。钢结构所用材料包括钢材（Q235、16Mn、15MnV等）和连接材料（螺栓、焊材等）两大类。影响钢材性能的主要因素有有害化学成分超标、冶金轧制缺陷、硬化使钢材的塑性和韧性降低、应力集中以及温度过高或过低等。引发钢结构材料事故的常见因素有钢材质量不合格、螺栓质量不合格、焊接材料质量不合格、设计选材不当、制作安装工艺不合理、母材与焊接材料不匹配、随意混用或替代材料等。要防止发生这类事故，在设计环节上，应熟知各种材料的性能参数与特性，因地制宜的选用合适的材料；在施工过程中，严格按照设计规定选用材料，材料进场时严格按照有关规范复检钢材和连接材料的各项指标，严禁使用不合格材料，选择恰当的施工工艺，严格按照设计与相关规范进行制作、安装。某地一大型贮油罐采用12mm厚的钢板焊接而成。该油罐建成2年后突然崩塌，原油外流，引发大火，造成巨大的人员伤亡与经济损失。经调查，该油罐使用的钢材力学性能合格但化学成分不合格，含硫量为0.9％（超限近一倍）。过高的含硫量使钢材的可焊性降低，焊接过程中产生的热裂纹在外力作用下逐渐扩展，最终使钢材突然断裂，引发重大事故。

2. 钢结构的变形事故钢结构不论整体变形还是局部变形，都将降低结构的整体刚度和稳定性，影响连接和组装，并可能产生附加应力，降低构件的承载力，引发变形事故。而钢结构由于具有强度高、塑性好等优点，使得钢结构的截面越来越小，板厚、壁厚很薄。加上加工、制作、安装过程中的缺陷，钢结构的变形问题更加突出。钢结构的变形包括以下几个部分：钢材初始变形、冷加工变形、焊接变形、制作安装变形、运输过程中的变形以及使用不当（碰撞、高温）产生的变形等。某汽车厂造型车间为54×84m的单层三跨车间，钢屋架上弦杆、下弦杆均采用角钢。屋架和屋面板施工完毕后发现有个别屋架的竖腹杆有明显倾斜，经检测，位移偏差超标的测点达80%，变形严重的一榀屋架呈扭曲状。经调查，事故的主要原因是屋架堆放方式不规范。依据相关规范要求，屋架堆放时应直立，两个端头须用固定支架固定，相邻两个钢屋架应隔以木块，相互绑牢。该工程施工工程中虽在堆放钢屋架时采用了直立方式，但却错误地将钢屋架的一端靠在一堆屋面板上，另一端没有采取可靠的侧向支撑，钢屋架间没有拉紧捆绑，结果使钢屋架逐个挤压，产生扭曲变形。在支撑系统安装过程中，由于工期原因也未按规定对屋架进行矫正，最终导致发生事故。

3. 钢结构的失稳事故钢结构的失稳事故是指因钢结构或构件丧失整体稳定性或局部稳定性而引发的事故。相对于混凝土结构而言，钢结构因强度高而使构件细长，截面相对较小，因此在外荷载作用下更容易失稳。而相对于抗拉破坏而言，钢结构失稳破坏前的变形可能很小，呈现出脆性破坏的特征，而脆性破坏的突发性也使得失稳破坏具有更大的危险性。我国的现代钢结构工程起步较晚，许多工程技术人员对稳定概念的认识较为模糊，在钢结构工程设计中普遍存在重视强度问题而轻视稳定问题的错误倾向，这是钢结构工程失稳事故不断发生的重要原因之一。因此，设计人员必须强化稳定概念，在设计过程中应重视支撑体系的布置，结构整体布置必须满足整体稳定性和局部稳定性的要求。加工、制作过程中产生的构件初偏心、初弯曲、焊接残余变形等缺陷将显著降低钢结构的稳定承载力；同时，与混凝土结构、砌体结构不同的是，钢结构在安装、施工的过程中，在形成稳定的整体结构之前，属于几何可变体系，其稳定性很差，必须借助于足够的临时支撑体系以维持安装过程中的稳定性，否则极易发生构件失稳甚至整体倒塌、倾覆事故。因此，钢结构加工、制作及安装企业应通过采用合理的施工工艺，制定科学、合理、严密的施工组织设计，采用合理的吊装方案，布置足够的临时支撑，确保制作及施工阶段的结构稳定性。某合成橡胶常车间的屋架系统采用13榀14m跨度的梭形钢屋架，上放槽形板，未设隔墙。发生事故时有11榀钢屋架坠落，2榀钢屋架虽未坠落但变形严重，屋顶倒塌。经分析，原设计中屋架主要压杆的长细比均超出规范要求，最大达275（原规范规定受压杆件长细比不大于150）。而施工方擅自将端腹杆由 25变更为20，削弱了腹杆截面积，导致其实际应力超出允许应力一倍多，造成腹杆受压失稳，引起钢屋架变形破坏，酿成严重事故。

4. 钢结构的疲劳破坏事故在反复交变荷载的作用下，在应力水平远低于钢材的极限抗拉强度甚至屈服点的情况下发生的钢结构或构件的破坏现象，称为疲劳破坏。疲劳破坏与钢材的静力强度和最大静力荷载并无明显关系，而主要与应力幅、应力循环次数和构造细节有关。应力幅是指应力循环中最大拉应力（取正值）和最小拉应力（取正值）或压应力（取负值）的差值。应力循环次数是指在连续反复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。在影响疲劳破坏的三个因素中，应力幅与循环次数是由客观条件决定而无法改变的，因此，必须从构造细节出发，尽可能地减小应力集中，从而改善结构构件的疲劳性能。在设计过程中，应选用优质钢材，减少材质缺陷；采取合理的构造做法，避免焊缝集中，减少截面突变；在制作、安装过程中，应使缺陷、残余应力的影响减小到最低程度，尽量避免产生附加应力集中；对焊缝进行修补，以缓解因缺陷产生的应力集中。某钢厂车间内的吊车梁于1960年建成投产，1976年发现21根吊车梁中有16根实腹焊接工字形截面吊车梁在上翼缘与腹板连接焊缝处及腹板上部有纵向裂缝。裂缝基本沿全梁出现，跨中加劲肋处裂缝最多，上翼缘与腹板连接焊缝的裂缝基本与梁平行。该吊车梁应力循环次数达200万次，局部区域达800万次，疲劳损伤严重，无法修复，全部更换。

5. 钢结构的锈蚀破坏事故钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏称为锈蚀（也称腐蚀），按其作用可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种，绝大多数钢材锈蚀是电化学锈蚀或化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用的结果。按照所处环境的不同，腐蚀又可分为大气腐蚀、淡水腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀、盐类腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀、有机非水溶剂腐蚀、高温腐蚀、应力腐蚀等。锈蚀会削弱钢构件的截面，降低承载力，而且锈蚀产生的“锈坑”可能诱发钢结构的脆性破坏，同时严重影响钢结构的耐久性。为防止或延缓钢结构的锈蚀，可根据使用性质、环境介质类型等因素，采用涂料覆盖法或金属覆盖法。某单位食堂为17.5m直径圆形砖墙上扶壁柱承重的单层建筑，屋盖系统为17.5m直径的悬索结构，悬索由90根直径为7.5mm的钢绞索组成。该建筑于建成20年后突然发生屋盖整体坍塌，90根钢绞索全部沿周边折断，但周围砖墙和圈梁无塌陷损坏。经调查，事故的主要原因是食堂内空气湿度较大，温度较高，通风不畅，钢绞索长时间锈蚀，截面减小，承载力降低。

6. 钢结构的火灾破坏事故除了耐腐蚀性差以外，耐火性差是钢结构的另一个缺点。一旦发生火灾，热空气通过辐射、对流的方式向钢构件传热，随着温度的不断升高，钢材的热物理特性和力学性能发生改变，强度和弹性模量急剧降低，塑性伸长率则显著增加，钢结构的承载力降低，构件

屈服或屈曲进而倒塌，导致灾难性后果。“9.11”事件中纽约世贸中心大楼的轰然倒塌是人类文明史上火灾给钢结构造成的最大灾难。为确保钢结构达到规定的耐火极限要求，必须采取防火保护措施。一般可以采用防火涂料、防火板、石膏板、珍珠岩板、蛭石板或混凝土等材料，用紧贴法、空心法或实心法将钢构件包裹起来。

7. 钢结构本身的“先天性”缺陷同其优点一样突出，正是这些缺陷导致钢结构工程事故频繁发生。为尽可能减少钢结构工程领域各类事故的发生，必须从设计、施工、使用等环节入手，全面客观地认识、分析、解决钢结构工程在各环节存在的问题。在设计过程中应综合考虑结构的重要性、荷载特征、连接方法与工作环境等因素，因地制宜的选用合适的材料，选择合理的结构形式，尤其注意构造细节的合理性，减小应力集中，保证结构的几何连续性和刚度的连贯，如采用强节点设计、避免焊缝集中、减少截面突变；强化稳定设计理念，重视支撑体系的布置；选用恰当的防腐、防火措施。在钢结构制作过程中选择恰当的施工工艺并采取严格的质量保证措施以尽可能地减少加工、制作过程中产生的构件初偏心、初弯曲、焊接残余变形等缺陷，尽量避免产生附加应力集中，修补焊缝以缓解因缺陷产生的应力集中。在安装过程中应严格按照设计与相关规范，制定科学、合理、严密的施工组织设计，采用合理的吊装方案，布置足够的临时支撑，确保施工阶段的结构稳定性。在使用阶段，应注意按照设计功能使用，避免超载、随意开洞或改造等行为，当变更使用功能时，应进行必要的鉴定或加固；定期进行结构检查和日常维护。

从19世纪末期钢结构大量采用开始,因钢结构脆性断裂而导致的事故不断出现,有一些造成了重大人员和财产损失.世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂破坏发生于1886年10月,美国纽约州长岛的格拉凡森(Gravesend,LongIsland,N·Y·)一个大的铆接立柱式钢水塔在一次以静水压力验收试验中,水塔下边截面25.4mm厚板突然沿6.1m长竖向裂开,裂开部位是由很脆钢板组成.我国近期发生的如1996年吉林省五道江大桥(跨度28m),大桥桥架第一、二根斜拉杆脆性断裂,桥节点有裂缝0.1～0.2mm宽,共计裂缝700多条,幸亏发现及时未致重大事故发生.1 钢结构脆性断裂的因素导致钢结构构件脆性断裂的因素很多,主要因素有化学成份、温度、构件厚度、冶金缺陷、构造缺陷、设计缺陷等,限于篇幅及论文侧重点,只简要论述最基本的前三种因素.1.1 钢中碳、硫、磷元素含量的影响钢中碳元素含量增高会使钢的脆性转变温度升高.随含碳量的增加,钢的最大恰贝冲击值显著降低.恰贝冲击值与试验温度曲线梯度趋于缓慢,而脆性转变温度显著升高,如图1所示.钢中磷含量的增加使晶界断裂应力降低,脆性转......(

焊接结构的断裂是焊接产品失效事故中最严重的一种事故 ，特别是脆断。从上世纪30年代焊接结构广泛应用以来，就引起世界各国的关注。

——1907年加拿大在加拿大魁北克的三跨悬臂桥在施工中破坏，9000t钢结构全部坠入河中，桥上施工人员有75人遇难，其破坏原因是受压的下弦压杆过于柔弱，使弦杆整体失稳。

——1978年，建于美国东部的一座体育馆因为下了一场大雪，造成整个屋盖塌落，查找原因一是设计错误，压杆稳定承载力不足，二是施工原因，管理混乱，质量控制不严，发现严重偏差没人过问。

——比较典型的脆断事故是比利时的阿尔拜特（Albert）运河上的哈赛尔特桥的断塌事故，该桥为全焊结构，跨度为74.5米，1938年在无任何载荷情况下突然断为三断，只是由于气温寒冷，零下20度。时过二年，该河上的另外两座桥梁也发生了断裂事故。

——1946年美国海军部发表了惊人的资料，在二次大战期间，美国制造的4694艘舰船中，有970艘发现1442处裂纹，裂纹多出现在万吨级船，其中27艘甲板开裂，7艘断为两半。其中一艘在风平浪静的海港中停泊时突然断为两段。后经检验纯属脆性断裂。

——“海宝”号是英国北海油田的海上平台钻井船，1965年12月27日，井架发生倒塌和下

沉，造成19人死亡。后查是由于连结杆与支柱焊接的地方开裂而造成的低温脆性断裂。此处的晶粒粗大，钢的却贝V型缺口试验冲击值很低。

——1979年12月18日我国吉林一台400m3液化石油气罐在上温带与赤道带的环缝熔合线破裂迅速扩展开13.5米的大裂口，喷出大量液化油，形成巨大气团，冲至明火处引燃，加热附近球罐，4小时后发生爆炸，一块20吨重碎片飞出打在另一台400m3的球罐上，形成连锁爆炸，使整个罐区成为一片火海。裂纹源发生在板焊趾处潜在裂纹，而引起的低应力脆性破坏。

——1980年3月27日英国“基尔兰”海洋平台，突然从水下传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间翻内海中，123人丧生。原因是疲劳脆断。

——1996年吉林省五道江大桥(跨度28m),大桥桥架第一、二根斜拉杆脆性断裂,桥节点有裂缝0.1～0.2mm宽,共计裂缝700多条,幸亏发现及时未致重大事故发生.

第3章 金属学与热处理

3.1 铁碳Fe-C系中的组元 γαβδ

3.1.1 钝铁Fe

熔点：1538℃。 912℃以下为体心立方晶格，称为α-Fe；912℃转变为面心立方晶格的

γ- Fe；加热到1394℃转变为体心立方晶格的δ- Fe；

3.1.2 碳 C

碳为原子态时可以铁形成固溶体或与铁结合形成化合物。

当碳为单质状态时即石墨，石墨排列似层状，层间结合力较强，层间结合力很弱，石墨强度与硬度很低，塑性几乎为零。

3.1.3 Fe-C系中的合金相

固溶体，体心立方结格。用符号α或F表示。

铁素体的最大溶C量是0.0218%（在727℃时），在室温时小于0.008%。 虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有

0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似, 而强度、硬度低而塑性高韧性好,并有铁磁性.

δ=30%~50%, AKV=128~160J σb=180~280MPa, 50~80HBS.

铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的

多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,

铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围.

2. γ相或奥氏体(Austenite )相 是C溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，面心立方结格。用符号γ或A表示。奥氏体的最大溶C量是2.11%（在1148℃时）。

虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有

2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.

在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥

氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应1. α相或铁素体相(ferrite) 是碳在α-Fe中的间隙固溶体，是C溶于α-Fe中形成的间隙

同素异构 铁素体 渗碳体 奥氏体，马氏体 珠光体(铁素体与渗碳体的机械混合物P)，索氏体

3.2.5 钢板交货状态

热轧、正火、正火轧制、正火+回火、淬火+回火或温度-形变控轧控冷

控轧、热机械轧制或热机械轧制+回火

3.3 冷塑性变形加工对金属组织与性能的影响

形成纤维组织、亚结构的变化、产生形变织构

3.4 产生残余应力

3.5 回复、再结晶与晶粒长大