梁新芳

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。本文主要針對鋼結(jié)構(gòu)的厚板層狀撕裂產(chǎn)生的主要原因進行了細致的分析，然后對鋼結(jié)構(gòu)厚板層狀撕裂產(chǎn)生的主要因素進行了分析，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

伴隨著社會的不斷發(fā)展，經(jīng)濟水平的不斷進步，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、海洋平臺及壓力容器等工程建設(shè)中。在實際的生產(chǎn)過程與建筑工程中，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，下面著重對鋼結(jié)構(gòu)厚板的層狀撕裂的一系列問題進行分析。

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，這些因素導致鋼結(jié)構(gòu)厚板的力學性能存在差異，再加上一些非金屬類雜物的存在，很容易導致鋼板產(chǎn)生分層現(xiàn)象，當承受的拉應(yīng)力是厚度方向的時候就產(chǎn)生層狀撕裂。由于鋼板厚度和結(jié)構(gòu)體系逐漸變得復雜化，也導致了焊接過程中的難度系數(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程中，當焊接過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條件，首先，鋼材的材質(zhì)問題，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，這個應(yīng)力的強度必須夠大，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)本身沒有足夠的強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，這些夾雜物就會與整體的金屬結(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，就導致裂紋尖端的應(yīng)力強度因子不斷擴大，然后就會加劇裂紋的擴展，當出現(xiàn)兩條層狀撕裂裂紋的尖端非常靠近的時候，兩條裂紋的尖端在塑性變形區(qū)進行接觸，這時就會產(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)的影響以及焊接時工藝的影響，下面就這三種主要的影響因素進行細致的分析。

3.1鋼材材質(zhì)的影響

由于鋼材的材質(zhì)對鋼結(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度都低，所以這些夾雜的雜質(zhì)就很容易導致層狀撕裂的產(chǎn)生，當由于夾雜物導致的鋼結(jié)構(gòu)厚板的層狀撕裂的產(chǎn)生時需要考慮雜質(zhì)的分布形態(tài)及分布的尺寸。例如當在鋼板的軋制方向存在大量的氧化錳的時候，層狀撕裂一般呈現(xiàn)出階梯狀，當有大量的二氧化硅存在時層狀撕裂一般呈現(xiàn)出直線條狀。對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行評定，一般來說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，對鋼材產(chǎn)生層狀撕裂現(xiàn)象進行分析時需要考慮到鋼材的化學組成、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)計過程中，由于實際需要，設(shè)計時往往不可避免的導致一些十字形接頭、Z字型接頭及T字型接頭的產(chǎn)生，當出現(xiàn)這些接頭形式時，往往會增加鋼結(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。所有這些都說明強大的拉伸應(yīng)力是導致鋼結(jié)構(gòu)厚板產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因，在焊接時產(chǎn)生的不同的接頭方式對接頭處的應(yīng)力就會不同，這樣就導致整個金屬鋼板對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雜的，焊接工藝對層狀撕裂產(chǎn)生的原因也是相當復雜的。焊縫的尺寸、焊接坡口的構(gòu)造、接頭的加工精度、對構(gòu)件進行切割時使用的切割方法、焊接材料的選擇、焊接金屬的強韌程度、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，由于氫脆作用對厚板的層狀撕裂有很大的影響，所以在焊接過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嚴格進行鋼板的選材

首先，對受力比較復雜的鋼結(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，一般來說，Z向鋼板比較昂貴，所以如果在選材的時候盲目的選擇z向鋼板會造成浪費，所以需要結(jié)合具體的焊接需要進行選材，例如當沿著厚板方向有拉應(yīng)力存在時，特別是由于外部載荷導致的拉應(yīng)力持續(xù)存在時就需要考慮采用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，對于鋼材中的S元素的含量進行控制，減少鋼材的層狀偏析；最后在選材時需要對于每塊材料進行檢查，當發(fā)現(xiàn)鋼板存在裂紋、夾層及分層時就不能使用，這樣就能從根本上防止有缺陷的鋼材流入到實際的加工過程中。

4.2對結(jié)構(gòu)焊接接頭進行嚴格設(shè)計

由于焊接接頭對層狀撕裂的影響是非常大的，所以在設(shè)計時需要對整體結(jié)構(gòu)中涉及到的焊接接頭進行嚴格的設(shè)計，首先需要將接頭的設(shè)計進行改良，對于節(jié)點的選擇尤其需要謹慎：其次，對于坡口的選擇，在滿足焊接前的設(shè)計要求的前提下，對于坡口的形式。角度以及間隙進行合理的選擇，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；采用低強組配的焊接材料，這樣能夠增加焊接金屬的延展性，促進應(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

綜上所述，導致鋼結(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。