钢结构的变形原因

出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《铆工实用技术手册》第510页（3654字）

钢结构件是由钢板和型钢经过多道工序加工和装配组成的钢结构产品，因而钢结构件的变形原因是多种多样的，下面从几个方面进行分析。

1．钢材在轧制、运输和存放时引起的变形

钢材在下料前，往往表面存有不平、弯曲、扭曲、波浪形等缺陷。这些缺陷主要是由以下3种原因引起的。

①在轧制钢材时，对钢锭施加外力。轧制结束外力撤销，钢材内部却残留了部分内应力，即残余内应力。热轧时，由于材料受热膨胀和轧后受冷收缩，使其内部也产生残余内应力。这些残余内应力引起钢材变形。

②在运输钢材时，由于吊装使其受力不均，运动颠簸，使钢材变形或产生其他缺陷。

③钢材存放时，由于堆放不当、垫底不平等原因，也会引起钢材变形。

2．钢结构在加工制作中产生变形

①钢结构在放样、下料、测量、检验等过程中存在误差，使坯料尺寸存在或大或小的尺寸偏差，会影响构件装配的准确性，又会影响组对焊接时焊缝间隙的大小，使组装后的钢结构件产生变形。

②各种装配连接工艺次序不当或各装配工艺不正确，存在缺陷，引起钢结构件变形。

③组成钢结构的构件，在制作加工中存有残余应力没有消除，或构件变形没得到彻底矫正，使钢结构产生变形。

3．钢结构受外力作用后产生的变形

导致钢结构件产生永久变形的外力一般有拉力、压力、弯曲力、扭力和冲击力等。在钢结构件的正常使用过程中，由于承受负荷超载、局部疲劳、老化以及工作温度过高和冲击负荷的作用，使钢结构产生变形。如车辆在运行一个时期后，底部梁架产生的下挠变形；开式单臂压力机经过一段时间使用后，其C形床身产生张口变形，使压力机压头的下平面和工作台台面不平行等。

另外，钢结构件在非正常情况下受到外力作用引起的变形也是常见的。如大风、地震等自然现象引起的变形；构件制成后，在吊装、运动或安装过程中的意外碰撞而产生的变形；运输车辆、飞机、船舶、桥梁等发生意外事故或冲撞引起的变形。这些变形都是外力作用后的永久变形，属于塑性变形。导致产生这些变形的外力，包括弯曲力、扭力、冲击力、拉力、压力等多种形式。

4．钢结构因焊接引起的变形

焊接引起的钢结构变形，是以上各种变形中最为突出的一种。焊接变形是由于焊件进行了局部的不均匀加热，因而导致材料产生焊接内应力和变形。焊接后的焊缝和焊缝附近受热区域的金属都因过热不均冷却后发生缩短。缩短主要表现在沿焊缝长度方向上的纵向收缩和垂直于焊缝长度方向的横向收缩。这种收缩是钢结构产生内应力和引起变形的主要原因。

正是由于焊接后在纵、横方向上产生的收缩，使钢结构产生了各种变形。

(1)焊接变形的分类

因焊接接头的形式、钢板的薄厚、焊缝的长短、工件的形状、焊缝的位置等各种因素的不同，焊件焊后会出现各种不同形式的变形。按结构的变形情况，又可分为局部变形和整体变形两大类。

①局部变形：指钢结构的某些部分发生变形。如型钢和钢板搭接焊制的油箱，型钢符合要求，而油箱外面的钢板局部有凸凹不平的现象；钢板卷制焊接成的圆筒在焊缝区域产生部分变形等。

②整体变形：是指整个结构的形状和尺寸发生变化，如方框的垂直度、对角线的长度不等现象。

焊接变形有纵向及横向的收缩变形、弯曲变形、扭曲变形和角变形等。图8－3所示为焊接变形的几种基本形式。

图8－3 焊接变形的几种形式

(a)角变形；(b)波浪变形；(c)弯曲变形；(d)扭曲变形；(e)圆管凹凸变形

(2)引起焊接变形的主要原因

①焊缝金属熔化时的热胀，熔体凝固时的收缩。

②不均匀的受热和冷却。

③材料塑性变形后发生再结晶，引起金属不均匀的改变。

④两个焊件厚度相差较大，重量和材质不同，因而引起不均匀的收缩。

⑤采用不合理的焊接程序和规范，也会引起变形。

⑥焊缝在钢结构中的位置，如不对称布置焊缝。

(3)钢结构件的刚性

钢结构的刚性主要决定于钢结构的形状和尺寸的大小。刚性越大的，抵抗各种变形的能力就越大，变形就越小，反之，变形就越大。

①装配和焊接顺序的影响。一般情况下，钢结构的刚性是在装配、焊接过程中逐渐增大的，其整体结构的刚性一定大于它的零件或部件的刚性。因此，整体装配好后再施焊变形就较小，反之，边装配边施焊的变形就较大。

②焊接过程中构件的紧固程度的影响。紧固的目的就是要增加焊接部件的刚性，来抵抗焊后的变形。但焊后构件内将有较大的焊接应力，应退火处理。

③焊接规范的影响。焊接电流和电弧电压越大，焊接速度越慢，则构件单位长度上所接受的热量就越大，塑性变形就越大，冷却后导致变形就越大。因此，为减少钢结构件的变形，应选用较小的焊接电流，较快的焊接速度，并采用短弧，必要时断续或间隔进行焊接。

④构件自重的影响。当钢结构件在自由状态下焊接时，为了减小自重对变形的影响，应减小支承点间的距离。

钢结构都是将多种零件通过焊接、铆接或用螺栓连接等方式连成一体的，相互联系而又相互制约的一个有机的整体，因此，对产生变形的钢结构件进行矫正前，必须首先了解变形产生的原因，分析钢结构的内在联系，找出矛盾的主次关系，确定正确的矫正部位和相应的矫正手段，才可着手进行矫正工作，切不可孤立地看待问题和解决问题。

例如，两根槽钢的槽口相对，组对焊成一根柱子，装焊后出现旁弯，现采用局部加热的方法对其进行矫直。若在弯曲处对两根槽钢的翼板分别进行三角形加热，其结果是不会达到矫直目的的。原因就是没把柱子看作是一个整体，忽略了两根槽钢之间的牵制作用。

正确的方法应是将柱子作为一个整体对待，在弯曲部位加热大的三角形区域，使两槽钢同时获得矫直，消除了因不同时加热时相互的牵制作用。

再拿型钢框和钢板构成的箱类构件为例，当其发生了整体变形，框架不符合要求，且钢板也由此而产生歪扭，并伴有局部的凸凹不平。在对其进行矫正时，既不能孤立地看型钢框架的变形而忽略钢板的牵制作用，也不能只看钢板变形而忽略槽钢框架的牵制作用。着眼点是必须将其作为一个整体，在矫正型钢框架达到平直端正的同时，要对钢板也采取一定的措施，如局部加热等，减小钢板的牵制作用，防止钢板变形的进一步加剧。在整个框架矫正后，钢板的变形就成局部变形了，再对其进行矫平。

对于多根梁柱组成的构件更是这样。在矫正其中一根弯曲的梁柱时，必须同时考虑其他梁柱与此梁柱的连带关系，特别是对此梁柱起牵制和约束作用较大的一些梁柱，才能顺利地进行矫正。

以上对引起钢结构变形的各种原因和影响因素进行了分析，只有了解了产生变形的原因，才能有针对性地采用有效的防范措施，避免产生变形或考虑获得最小变形的方法，使钢结构在制造加工中防止和减少变形，满足设计和生产使用的要求。