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钢结构工程施工常见缺陷分析及防治制造篇
钢结构工程施工常见缺陷分析及防治（制造篇）
摘要：
本文列举了钢结构工程施工过程中常见的制造缺陷，描述了各制造
缺陷的现状及对钢结构整体结构的影响和危害，详细分析了各缺陷
的产生原因，并针对性地提出了避免和减少制造缺陷的防治措施。
关键词：
钢结构缺陷防治
钢结构建筑因具有自重轻、强度高、抗震性能好、节约空间、质量可靠、施工速度快、绿色环保等多方面特殊的优势，在建设工程上得到日益广泛的应用，近几年，随着我国经济建设的快速发展，钢结构建筑正从工业厂房建筑结构向着多高层民用建筑结构、大型剧场、桥梁结构及办公建筑结构方向发展，至尽，钢结构建筑因其独特的优势在国内得到了快速的发展。
在钢结构工程施工过程中，钢构件制造过程的精度和品质是决定整体钢结构工程质量的关键，往往在钢构件的制造过程中存在诸多违反国家工程技术规范和验收标准的一些制作方法和违规行为，本文对这些违反国家工程技术规范和验收标准的做法和行为作为缺陷进行提出、分析和研究，以引起各施工单位的重视，共同将钢结构行业做精、做强，推动行业发展。
1.钢材气割面存在明显的割纹、气割缺口、气割面弯曲不平等缺陷
钢材气割面存在明显的割纹、气割缺口、气割面弯曲不平等缺陷，这些缺陷经气割后能比较明显地暴露出来，通过观察就能发现，此类缺陷虽对结构性能影响不大，但确严重影响了钢构件的外观质量，造成构件外观粗糙，影响后序施工和外观质量。
气割面存在缺陷的主要原因是气割过程操作不规范、气割工艺不符合要求。
为避免钢材气割面存在以上缺陷，可从以下几方面进行防治：
1）气割前检查确认整个气割系统的设备全部运行正常，特别注意气割气压应稳定，不漏气，压力表正常无损，气割设备轨道保持平直和无振动，割嘴气流通畅，割炬角度和位置准确。
2）根据气割机械的类型和可气割的钢板厚度选择正确的工艺参数。
3）气割时调整氧气射流的形状，使其达到并保持轮廓清晰、风线长和射力高，割炬移动应保持匀速，割件表面距焰心尖端2~5mm为宜。
2.焊缝连接常见缺陷
2.1引弧、收弧缺陷
焊接过程中，由于不设置引弧板、收弧板，直接在母材上引弧和收弧，随意焊接，会造成电弧擦伤母材，在引弧或收弧周围产生弧坑、裂纹、未熔合、夹渣、气孔等缺陷，严重影响焊接质量。
焊接对接接头、T型接头、角接接头、十字接头等对接焊缝及对接和角接组合焊缝时，应在焊缝的两端设置引弧板和收弧板，并在引弧板和收弧板上进行引弧和收弧焊接，严禁在焊道外的母材上引弧和收弧。
引弧板和收弧板材质应与被焊接母材相同，其坡口形式也应与被焊工件相同，不得使用其他材质的钢板充当引弧板和收弧板，另外，确保引弧板和收弧板的尺寸满足有关规定要求。
构件焊接完毕，引弧板和收弧板应采用气割切除或机械切割的方法除掉，割除后将边缘修磨平整，严禁用锤击掉。
2.2定位焊焊接缺陷
定位焊常见的缺陷有：
不注意焊接材料的匹配盲目焊接，造成焊缝根部强度达不到设计要求，形成缺陷；定位焊焊接随意性大，不注意焊脚尺寸和间距，影响后序焊缝的成型。
定位焊必须由持相应合格证的焊工施焊，焊接前应注意所使用的焊接材料、焊接规范及焊接质量等级等是否符合要求，严格遵守有关工艺规定，要求清根的焊缝应在接头坡口的外侧进行定位焊接，清根时可将定位焊焊缝清除，定位焊焊缝厚度不宜超过设计焊缝厚度的2/3，焊缝长度宜大于40mm，间距500~600mm，并应填满弧坑，定位焊焊缝上有气孔或裂纹时，必须清除后重新焊接。
2.3不等厚板对接缺陷
钢结构制作过程中很多情况都需要不等厚板进行对接，按照设计要求，一般腹板不等厚对接采用中心线对齐的形式，翼缘板不等厚对接采用偏心对齐的形式，如图2-1所示，往往在制作过程中忽略如图所示的焊前倒角，焊缝和厚板不作平滑过渡处理，这样焊缝在高出薄板厚度处易引起应力集中和产生未熔合等焊接缺陷，影响焊接质量。
厚度相差较大（≥3~4mm）的钢板对接时，应将厚板的一面在焊接前加工成斜坡，斜坡坡度应不大于1:
2.5，如图2-1所示；或焊缝焊成斜坡状，焊缝坡度应不大于1:
2.5，如图2-2所示，这样能避免或减少对接焊缝存在缺陷。
图2-1钢板不等厚对接示意图——厚板成斜坡状
a）中心线对齐b）偏心对齐
图2-2钢板不等厚对接示意图——焊缝成斜坡状
a）中心线对齐b）偏心对齐
2.4对接焊缝余高过高
在焊接对接焊缝时，操作人员或技术质检人员对对接焊缝的余高不加限制，认为对接焊缝余高越高其强度越大，对接焊缝余高过高会使焊缝与母材强度不一致，引起应力集中，容易在焊缝与母材过渡区域产生裂纹，促使焊缝缺陷增多，降低焊缝强度，影响焊缝承载力和耐久性。
造成对接焊缝余高过高的原因主要在于焊工的操作技术水平和焊接参数的调整，应严格按照工艺规定进行焊接。
在钢结构焊接过程中应将对接焊缝余高控制在规范规定值之内，在承受动荷载情况下，对接焊缝的余高最好趋向于零，在其他情况下，对接焊缝的余高应控制在0~3mm之内。
2.5对接焊缝错边
对接焊缝施焊后，经常存在对接焊缝的错边现象，主要表现在对接的纵向、横向或环向焊缝的两板边产生错位，造成焊缝中心线两侧钢板高低不平。
造成对接焊缝错边的主要原因有：
钢板在对接点焊时两板错位，不在一个平面内，另外，对于环向焊缝的错边主要是因为钢板由于周长存在误差，组装时产生环向错边，箱体构件、复杂构件在组对时组装间隙大小不一，使构件产生错边。
在钢构件制造过程中，通常的两板对接焊缝都为二级焊缝，规范要求最大错边量不能超过2mm，以确保焊缝强度和耐久性，防治对接焊缝产生错边一般可从以下几个方面采取措施：
1）钢板组对时，严格控制组对误差，通过调整保证对接处错边量。
2）对于环向焊缝，组对前应仔细测量环缝的周长尺寸，并在组对时注意采取调整、集中或借让等方法来消除焊缝在全长或局部上错边的现象。
3）组对时临时点焊的焊缝不宜过长，焊工在焊接时，随时观察焊缝两板错边情况，对存在的错边应及时调整，确保错边量后再施焊。
2.6焊缝尺寸不符合规范允许偏差要求
根据笔者对《钢结构工程施工质量验收规范》（以下简称规范）的理解，笔者认为对焊缝尺寸的控制应分为以下三类：
第一类是T型接头、十字接头、交接接头等要求熔透的对接和角接对接组合焊缝的焊脚尺寸控制；第二类是对接焊缝及完全熔透组合焊缝尺寸控制；第三类是部分熔透组合焊缝和角焊缝外形尺寸控制，其中前两部分焊缝均为全熔透焊，后面的是部分熔透和角焊缝，另外，第二类焊缝尺寸主要是指对接焊缝余高和错边，在这里不予重复。
第一类焊缝焊脚尺寸不应小于t/4（t为连接处较薄板的厚度），当设计有疲劳验算要求的吊车梁或类似构件的腹板与上翼缘连接焊缝的焊脚尺寸为t/2，且不应大于10mm，其允许偏差为0~4mm。
第三类焊缝的外形尺寸应满足验收规范要求，在焊接过程中经常存在焊脚尺寸过小和过大现象，焊脚尺寸过小、不足设计要求，降低焊缝强度和承载力；焊脚尺寸过大，会造成周围母材“过烧”，焊缝处产生弯曲、翘曲变形，增大焊接收缩应力，影响外形尺寸和连接质量。
2.7焊缝外观缺陷
根据规范要求，对焊缝外观缺陷的控制原则是：
凡是严重影响焊缝承载力的缺陷都是严禁的。
所以，焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。
一级、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。
且一级焊缝不得有咬边、未焊透、根部收缩等缺陷。
避免焊缝外观缺陷不但能保证焊缝承载力，还能增强焊缝的观感质量，给
人一精品的感觉，提升构件质量水平，体现企业整体实力，所以应严格按照规范要求避免以上焊缝外观缺陷，重点作好以下几方面工作：
1）强化焊工管理，抓好对焊工的培训、技术指导工作，使焊工具备较高的专业技术知识和技能。
2）严格检验并保证所使用焊接材料与钢构件的材质相匹配，确保不能因焊材不匹配而影响焊缝焊接质量。
3）焊接过程严格履行有关焊接操作规程，选择合理的焊接参数、焊接顺序等。
3.螺栓连接板孔直径、孔间距偏差大
在现场螺栓连接工程中，由于螺栓连接板孔数量多、要求精度高，往往在安装过程中会造成螺栓不能自由穿入螺栓孔，特别是高强度螺栓连接，强行穿入螺栓会损伤丝扣，改变高强度螺栓连接副的扭矩系数，严重的连螺母都难以施拧，另外，规范还规定，高强度螺栓孔不应采用气割扩孔，气割扩孔使扩孔处钢材造成缺陷。
造成螺栓连接板不能自由穿入螺栓的主要原因是螺栓连接板孔直径、孔间距偏差较大，超出了规范规定的螺栓孔孔距允许偏差的要求。
螺栓连接可谓是钢结构施工中对结构安全和使用功能有着严重影响的施工工序，应严格按照验收规范的要求进行验收，确保连接质量，笔者认为从以下几个方面能有效避免或减少螺栓连接板孔直径、孔间距的偏差：
1）对钻制位置精度要求高的螺栓孔或板叠层数多、长排连接、多排连接的孔群可采用钻模、冲模控制孔间距、尺寸和精度，以保证制孔精度。
2）对孔群中孔数量较多的连接板钻孔，孔的定位、号孔，要先测量、定位出孔群总长，在总长范围内进行分段，再分别对孔进行定位，这样就避免了较大的孔距累计误差，可使每一段中间的误差能控制在规范允许范围内。
3）如有条件，可采用数控平面钻床进行制孔，对同规格的批量连接板，统一下料后，找出两个相临基准边，调整好设备的相关参数，将孔群的尺寸数值输入控制程序，采用多叠板一次性钻孔成型，有效避免或减少连接板的孔群偏差，加之数控平面钻床的钻孔精度较高，螺栓连接板孔直径、孔间距偏差大、螺栓不能自由穿入的情况得到了防治。
4.变截面构件尺寸偏差大，影响安装精度
钢结构厂房体系中有很多构件形状特殊、截面尺寸大小不一，我们通常称为变截面构件，如变截面柱、变截面梁及桁架构件等，变截面构件制作难度较大，精度要求较高，往往制作完的成品变截面构件尺寸偏差较大，主要为构件长度、截面尺寸和端板角度偏差大，轻则保证不了安装精度，导致返修、返工，
重则安装不上，造成构件报废。
造成尺寸偏差大的主要原因是构件下料前的放样、号料存在偏差甚至错误，型钢组立结束后二次切割、齐头存在偏差。
避免或减少变截面构件的尺寸偏差应从钢板放样工序开始控制，重点应从以下几点进行防治：
1）放样用的平台应平整，不得存在翘曲，特别是在施工现场搭设平台时更应该注意，要根据钢构件的自重和尺寸，设置混凝土基座或支墩，再在上面设置钢制平台，并作好平台的固定，确保牢固，平台上表面应进行找平，批量制作时最好使用专用的放样平台，平台的尺寸大小应满足钢构件尺度要求。
2）按图纸尺寸1：
1的比例在平台上放出大样，常见变截面的构件为不等边的多边形，最好采用制作好的样板进行放样，放样时还应考虑预留切割余量、加工余量、焊接收缩量、二次切割余量和起拱量等，放样结束后，应对照图纸进行仔细核对，检查放样尺寸和偏差，符合要求后，报专职检验员或班组长、技术员进行检查，确认无误后方可按照放样尺寸进行下料。
3）变截面构件自动焊、校直结束后的二次切割是关键，这时根据图纸尺寸、要求角度在钢构件上精确标出切割线，也称为第二次号料，对批量大的构件最好在专用胎具上进行划线，同样经自检、专检后进行二次切割，确保构件尺寸和角度。
5.高强度螺栓连接摩擦面抗滑移系数达不到设计要求
普通门式刚架结构中，如采用喷砂（丸）后生赤锈方式处理高强度螺栓连接摩擦面，其抗滑移系数设计值通常Q235钢为0.45，Q345钢为0.5，Q420钢为0.5，并要求高强度螺栓连接摩擦面干燥、整洁、不得有飞边、焊疤、污垢、不得喷漆等，但在施工过程中，往往由于种种因素会造成高强度螺栓连接摩擦面抗滑移系数达不到设计要求。
高强度螺栓连接摩擦面抗滑移系数是高强度螺栓连接的主要设计参数之一，直接影响构件的承载力，因此构件摩擦面无论由制造厂处理还是由现场处理，均应对抗滑移系数进行测试，测得的抗滑移系数最小值应符合设计要求。
分析高强度螺栓连接摩擦面抗滑移系数不能满足设计要求的主要原因有以下两点：
1）施工单位对规范知道甚少，不知道设计对高强度螺栓连接摩擦面抗滑移系数还有要求，更不知道满足不了设计要求的严重后果，对高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数不进行试验就直接使用，或将试验不符合设计要求的也随意使用。
2）不重视高强度螺栓连接摩擦面的处理过程，依旧按照钢板除锈的方法进行处理，导致摩擦面抗滑移系数不能满足设计要求，工厂内钢构件的除锈一
般采用辊道式抛丸清理机进行处理，通常按照构件的长度方向将钢构件送进抛丸清理机的抛丸清理室进行抛丸处理，抛丸清理室内有8~12个抛丸器，抛丸器的抛丸角度基本与构件前进方向垂直，这样在构件抛丸除锈过程中，会使与抛丸器抛丸方向平行的高强度螺栓连接板除锈效果降低，如钢梁构件两端的连接板、柱顶连接板等，此类与钢构件长度方向垂直的高强度螺栓连接板都不易抛丸清理，钢砂不能有效清除连接板的附着物或氧化皮，摩擦面的抗滑移系数更不易达到设计要求。
规范6.3.1条款强制性规定：
“钢结构制作和安装单位应按本规范的规定分别进行高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数试验和复验，现场处理的构件摩擦面应单独进行摩擦面抗滑移系数试验，其结果应符合设计要求”，根据要求应严格控制高强度螺栓连接摩擦面的处理方式，重点从以下几点进行防治：
1）对批量生产的高强度螺栓连接摩擦面，为确保其抗滑移系数能满足设计要求的情况，应进行首件取样试验，待试验合格、确定处理工艺要求后再批量生产制作。
2）改善钢结构的制作流程可有效避免摩擦面抗滑移系数不能满足设计要求，具体做法为：
对抛丸清理机不易清理的高强度螺栓连接板在组装前提前进行单独抛丸清理，见图5-1，直到摩擦面经试验合格后再进行组装，这样在组装之前摩擦面就已经满足了设计要求，再经过成品后的整体抛丸清理，有效地保证了摩擦面质量。
图5-1高强度螺栓连接摩擦面单独抛丸处理
3）在后序的涂装作业中，做好对摩擦面的保护，禁止在处理好的高强度螺栓连接摩擦面处误刷涂料，这样也会降低摩擦面抗滑移系数，对高强度螺栓连接质量产生严重影响，
6.吊车梁下挠
规范8.3.1条款强制性规定：
“吊车梁或吊车桁架不应下挠”，但在吊车梁
安装就位和使用后，由于受自重或来自行车的外力会产生向下弯曲变形，形成吊车梁下挠，下挠会使吊车梁和吊车桁架的稳定性和承载力下降，影响安装质量。
造成吊车梁下挠的主要原因是没有按照设计要求起拱或起拱不够，不注意四条自动焊缝的焊接顺序。
避免吊车梁下挠应从制作吊车梁的过程中进行预防，重点应从以下两点进行防治：
1）吊车梁组装必须严格按照设计要求起拱，当设计无要求时，可采取经验起拱值，≥24m的吊车梁起拱值易为15~20mm；12m的吊车梁起拱值易为5~10mm，组装完毕后应检查起拱大小。
2）吊车梁四条自动焊缝的焊接顺序会影响吊车梁的起拱大小，对吊车梁四条自动焊缝应先焊接下翼缘，后焊接上翼缘，如图6-1所示，焊接顺序为：
①→②→③→④，这样焊接完毕，吊车梁由于焊接变形会拱起。
图6-1吊车梁自动焊缝起拱焊接顺序
3）自动焊缝焊接完毕待焊缝冷却后，必须全数检查其起拱大小，看是否符合要求，检查方法为将吊车梁立放并在支承点处将梁垫高10cm左右，既便于检查又消除了梁自重对拱度或挠度的影响，采用目测、拉线、水准仪或钢尺进行测量。
7.成品钢构件变形严重
钢结构构件是由零件或由零件和部件组成的钢结构基本单元，除施工现场安装部分采用栓接外，钢结构构件的组成基本全部采用焊接的形式，钢构件变形分析中由于焊接原因所造成的变形是最主要的因素，焊接变形使构件尺寸产生偏差、外观产生扭曲，变形大的构件矫正困难、增加费用，尤其是厚板及大型构件，矫正难度更大，用机械矫正易引起裂纹或层状撕裂，用火焰矫正成本高，操作不当、经验不足会造成构件过烧，这样钢构件精度会大大下降，可以说焊接变形是钢构件变形质量防治的重中之重，不采取有效的防治焊接变形的措施，会造成钢构件组装、安装尺寸达不到使用要求，甚至造成返工或报废。
焊接变形产生的最根本原因是焊件受热不均匀，产生焊接应力，由于焊接应力的存在，使焊接接头区域产生不均匀的塑性变形，形成了焊接变形。
避免或减少钢构件焊接变形的几点经验和措施：
1）采取合理的焊接顺序
根据焊缝接头形式、构件放置条件、焊缝是否对称布置等因素，可采取双面坡口对称焊接或采取对称于构件中性轴进行焊接的两种焊接顺序进行施焊，减少焊接变形。
对双面非对称坡口形式的焊缝，宜采用先焊深坡口，再焊浅坡口，最后焊完深坡口的顺序。
对长焊缝宜采用分段退焊法、跳焊法或多人对称焊接等形式。
对焊接H型钢自动焊缝，为保证焊完后成一直线，其四条自动焊缝应交错进行焊接，吊车梁焊完后要求上弦起拱的，则先焊下弦后焊上弦。
2）选择合适的焊接规范和操作方法
在满足焊接工艺规范的情况下，尽量采用焊接工艺参数小的方法施焊。
对复杂构件，应采用分步焊接，先焊接零件、部件，再拼装焊接，如高层钢结构中的钢柱节点、高架铝卷立体仓库中的支架等。
采用焊接能量密度较高的焊接方法，以减少热输入，如采用熔化极气体保护焊或药心焊丝自保护电弧焊等。
尽量采取对称施焊，对于大型、复杂构件可由多名焊工对称同时焊接。
3）采取反变形或刚性固定措施
对接板焊缝或对接位置允许采用反变形的构件宜采用反变形法控制焊接变形，对于角变形可采取反弯法。
对易变形的大型构件，焊前分析焊接变形的方向，采用加临时支撑的方法施以拉力或支撑力限制并减少变形，待焊接完毕，焊缝冷却到常温后再撤掉临时支撑。
对于V形坡口的钢板对接，焊前可将对接坡口处垫高，焊后由于焊接收缩，对接处基本平整。
8.涂层出现锈蚀
在钢结构施工过程中或施工完毕后经常会出现涂层锈蚀现象，有的锈蚀从涂层里面向外发展，有的从外向里锈蚀，有的大面积锈蚀，有的局部锈蚀，这样久而久之会增加钢材的锈蚀速度，影响结构的承载力。
分析涂层锈蚀的原因是多方面的，根据以往施工经验，笔者从以下几个方面进行分析：
1）涂装前钢材表面除锈质量达不到设计要求和国家现行有关标准的规定，除锈后的钢材表面存在焊渣、焊疤、灰尘、油污、水和毛刺等附着物。
2）涂料使用不配套、不符合设计要求，钢结构防腐涂层一般由底漆、中间漆和面漆组成，也有的仅有底漆和面漆组成，底漆与钢材的附着力强、防锈
性能好，主要起附着和防锈作用，面漆耐候性、耐火性、装饰性能好，主要起装饰和防腐蚀作用，中间漆为过渡漆，兼顾底漆和面漆的性能，具有良好的结合力，作用在两者之间，增加涂层厚度，提高涂层整体防锈蚀、防腐蚀效果，施工过程中往往忽视底漆、中间漆和面漆的配套情况，会造成涂层附着力、防腐蚀性能降低。
3）涂装施工环境恶劣，造成涂层固化不充分、黏结力不牢固，降低附着力，造成涂层易脱落，形成锈蚀，钢结构件在5℃以下较低温度涂装作业，漆膜容易冻结而不易固化，在38℃以上较高温度下进行涂装作业，漆膜干燥速度过快、涂层产生局部鼓起，影响附着力，另外，在潮湿环境、表面结露情况下进行涂装作业，构件表面的涂层中会夹杂着凝结的露点，影响漆膜质量。
4）涂层涂装遍数、涂层厚度达不到设计和规范要求，涂装遍数、涂层厚度是保证防腐效果的重要指标，涂装遍数、涂层厚度不足要求，会降低防腐效果，影响涂层的使用年限。
以上列举了钢结构施工过程中常见的制造缺陷，通过参考大量的专著和论文，结合笔者自己的实践经验，阐述了常见制造缺陷的现状、产生原因及防治措施，限于笔者知识水平有限，分析、描述不足之处望广大专家、读者批评指出，共同为我国钢结构行业的发展出谋划策。
参考文献
[1]江茜.钢结构工程施工禁忌手册.北京:
机械工业出版社，2006.1
[2]王大年等.结构工程禁忌手册.北京:
中国建筑工业出版社，2002
[3]王国凡.钢结构连接方法及工艺.北京:
化学工业出版社，2005.2
[4]李亚江等.焊接质量控制与检验.北京:
化学工业出版社，2005.11
[5]张琨.钢结构工程施工工艺标准.北京:
中国建筑工业出版社，2003
[6]毛龙泉等.建筑工程施工质量检查与验收手册.北京:
中国建筑工业出版社，2002
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