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協(xié)會刊物
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鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形的矯正－火焰矯正法 |
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時間日期：2007-2-14 已被閱讀次：[10214] |
廣東省六建集團(tuán)有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程分公司 張健良
[摘 要] 著重論述火焰矯正法的工作原理和其不同的加熱方式所適用的不同變形矯正，以
及控制矯正效果的主要因素。
[關(guān)鍵詞] 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形 火焰矯正法 加熱
鋼結(jié)構(gòu)工程的施工一般都可以分成兩個主要施工步驟：首先是結(jié)構(gòu)各類部件的預(yù)制加工
，然后是鋼構(gòu)件的現(xiàn)場拼接安裝。鋼構(gòu)件的預(yù)制加工工作是鋼結(jié)構(gòu)施工過程中重要的基礎(chǔ)部
分，此項工作完成的質(zhì)量對下一步的現(xiàn)場安裝施工起著決定性的影響。
但是鋼結(jié)構(gòu)加工過程中構(gòu)件的變形是經(jīng)常出現(xiàn)的，其起因主要包括鋼結(jié)構(gòu)材料本身的變
形、焊接過程中產(chǎn)生的變形以及構(gòu)件移動堆放碰撞而產(chǎn)生的變形等。針對不同的變形，可以
有不同的矯正方法：如人工矯正、機(jī)械矯正、火焰矯正和混合矯正等方法。在實際施工中如
能合理地采用這些方法，將對提高工作效率、保證鋼結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量有著重要的作用。
本人自參加工作以來，一直從事鋼結(jié)構(gòu)方面的項目，經(jīng)過多年的實踐，發(fā)覺火焰矯正法
是各矯正方法中操作要求最高、工藝最復(fù)雜的方法，也是施工中所采用的主要矯正手段。對
于加工中焊接成型的工字鋼、角鋼的變形以及薄板、中板由于焊接收縮而產(chǎn)生的凸凹變形的
矯正，都是采用了火焰矯正法，火焰矯正變形一般只用于低碳鋼。其基本操作過程是先在鋼
構(gòu)件變形處用火焰加熱升溫，之后通過緩慢冷卻或采用大錘敲打矯正變形。按火焰加熱方式
的不同，可分成三種形式：點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角加熱，分別使用于矯正各類不同形式
的變形。
其矯正原理如下：根據(jù)金屬熱脹冷縮的物理性能，當(dāng)鋼材受熱時將會在1.2×10－5℃的
線膨脹率向各個方向伸長，當(dāng)冷卻到原來溫度時，除收縮到未加熱時的長度外，鋼材還將會
繼續(xù)按1.48×10－6℃的收縮率繼續(xù)收縮一部分于是導(dǎo)致收縮后的長度比加熱前有所縮短。
因而通過對變形的凸面處適當(dāng)位置進(jìn)行火焰加熱升溫，利用冷卻時產(chǎn)生的內(nèi)部強(qiáng)大的冷縮應(yīng)
力，促使材料的內(nèi)部纖維受拉生塑性收縮，從而矯正變形。
實際工作中本人針對不同的構(gòu)件變形和不同的變形種類分別選用點(diǎn)加狀加熱、線狀加熱
和三角加熱這三種形式進(jìn)行矯正工作，取得了良好的效果。
對于鋼梁腹板的局部彎曲和凹凸不平變形和一些薄板的變形，采用了點(diǎn)狀加熱矯正法。
加熱點(diǎn)成圓形，大小與需矯正的板料厚度有關(guān)，板料厚度越大，點(diǎn)的直徑相應(yīng)也越大，通過
按照板厚度的6倍再加上10mm來計算。加熱點(diǎn)的布置如下圖：為了達(dá)到良好的矯正效果，加
熱點(diǎn)應(yīng)該成梅花狀布局，外圍點(diǎn)基本上處在同一圓上，這樣當(dāng)冷卻收縮變形指向中心點(diǎn)，可
保證應(yīng)力的均勻性，防止產(chǎn)生多余的收縮變形影響矯正效果。加熱點(diǎn)布置時，間距應(yīng)盡量保
持均勻一致，并控制在50～100mm以內(nèi)。根據(jù)板料變形范圍的大小來確定加熱點(diǎn)由內(nèi)向外的
圈數(shù)，根據(jù)變形的幅度來掌握加熱的溫度的高低。
對于較厚的鋼梁翼緣的角變形和局部彎曲變形采用了線狀加熱矯正法。線狀加熱又分為
單線加熱和雙線加熱。如下圖所示：
采用線狀矯正法對構(gòu)件加熱后，板料由于上下兩面存在著較大的溫差，加熱帶長度方向
上產(chǎn)生的收縮量較小，橫向收縮量較大，利用加熱帶的橫向收縮而產(chǎn)生的強(qiáng)大拉應(yīng)力，將由
于焊接而造成的翼緣彎曲變形拉平。
矯正施工中，加熱帶的寬度應(yīng)根據(jù)板材的厚度來選取，一般控制在翼緣厚度的0.5～2倍
之內(nèi)。使用線狀加熱時按規(guī)定必須保證紅區(qū)的深度不能超過板厚的一半，其原因可以這樣理
解：紅熱區(qū)的溫度最高，因而冷卻時產(chǎn)生的應(yīng)力也就越大，當(dāng)其度未超過鋼板厚度δ／2時
，收縮應(yīng)力對鋼板的作用效果將有所降低，從而導(dǎo)致矯正效果不好。對于翼緣較厚的鋼梁和
變形較大的構(gòu)件采用雙線加熱，以求收縮平衡提高質(zhì)量；對于翼緣較薄的鋼梁和一些變形較
小的構(gòu)件則采用單線加熱法，以期提高工作效率。
對于個別鋼梁和一些型鋼材料產(chǎn)生的拱變形和旁彎變形，在實際矯正工作中采用了三角
形加熱法矯正。如下圖所示：
加熱面成等腰三角形，加熱面的的高度和底邊寬度一般控制在型材高度的1／5－2／3范
圍內(nèi)；加熱位置應(yīng)處于工件凸起的一側(cè)，三角形頂部在工件內(nèi)側(cè)并指向變形中心，底邊在工
件外側(cè)邊緣處。通過對工件凸起處加熱數(shù)處，加熱后收縮量從三角形頂點(diǎn)起沿等腰三角形的
兩邊逐漸增大，當(dāng)冷卻時凸起部分產(chǎn)生收縮使得工件得以矯正。加熱面的數(shù)量由變形的幅度
、板材的厚度來確定，幅度、厚度越大，則所需的加熱面越多。對于鋼梁拱變形，需對鋼梁
拱形上部的翼緣和腹板加熱，通過上部翼緣和腹板的收縮將鋼梁拉直；對于鋼梁旁變形，則
需對鋼梁旁彎外側(cè)上下翼緣邊處加熱，通過上下翼緣外邊的收縮將鋼梁拉直。
幾種火焰加熱矯正法雖然在操作方式上有所不同，但其基本原理都是利用加熱后的溫度
應(yīng)力使板材內(nèi)部纖維產(chǎn)生與原變形相反的收縮來使構(gòu)件的變形得到矯正。
為了保證矯正工作的順利進(jìn)行，必須要對會影響到矯正效果的各方面因素加以分析了解
，并且掌握這些因素同矯正結(jié)果的密切關(guān)系。只有這樣才能預(yù)知鋼構(gòu)件加熱后的變形規(guī)律，
并按此規(guī)律完成矯正工作�？刂瞥C正效果的主要因素有加熱的溫度、加熱的速度、加熱區(qū)的
大小和位置等方面。
1、 加熱溫度對矯正工作的影響
加熱后降溫產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可按公式σ=1.48×10－6E•Δt來計算(其中E=2.1×105N/m
m2,Δt為溫度變化值)。根據(jù)公式可知當(dāng)加熱溫度分別為700℃和800℃時，計算可得應(yīng)力為
：
σ700℃=1.48×10－6×2.1×105×700=217.56N/mm2
σ800℃=1.48×10－6×2.1×105×800=248.64N/mm2
由以上結(jié)果可知，當(dāng)加熱到700℃時應(yīng)力為217．56N／mm2，剛好超過了Q235鋼材的彈性
極限215 N／mm2，而當(dāng)加熱到800℃時應(yīng)力為248．64N／mm2，又未超過鋼材的塑性極限250N
／mm2，因而在此溫度范圍內(nèi)鋼材的變形處于彈塑和塑性變形。所以在矯正過程中加熱溫度7
00℃和800℃之間，不應(yīng)超達(dá)900℃，并且加熱應(yīng)均勻，不得有過熱、過燒現(xiàn)象，同一加熱點(diǎn)
的加熱，次數(shù)不宜超過3次。這樣才能保證既可以達(dá)到矯正目的又不會使鋼材進(jìn)入應(yīng)力硬化
狀態(tài)而導(dǎo)致降低鋼材的承載力。對于厚度較大的板材加熱后不能用冷水冷卻，因冷水冷導(dǎo)致
厚鋼材內(nèi)部溫差過大而容易產(chǎn)生裂紋。2、加熱速度對矯正工作的影響
由于鋼材具有良好的導(dǎo)熱性，因而如果加熱的速度較慢則會造成構(gòu)件受熱區(qū)范圍擴(kuò)大。
加熱的速度一般是通過調(diào)整火焰的溫度來控制的，溫度若不高，鋼的加熱時間就會延長，使
受熱區(qū)范圍擴(kuò)大，就會導(dǎo)致達(dá)不到良好的矯正效果。因而實際操作中需用高溫火焰烤燒加熱
部位，使熱量充分集中而快速的使加熱區(qū)達(dá)到紅熱狀態(tài)。
3、 加熱區(qū)的大小、位置對矯正的影響
在進(jìn)行火焰矯正中，對加熱區(qū)的范圍大小需嚴(yán)格控制。因為如果加熱區(qū)過大則會造成冷
縮后變形幅度過大，矯正了原變形后還會產(chǎn)生負(fù)變形；過小時又會導(dǎo)致收縮幅度不夠而達(dá)不
到矯正目的，降低工作效率。實際工作中大多是通過專業(yè)操作人員的經(jīng)驗對加熱區(qū)的大小進(jìn)
行選取的。但有時為了精確，本人也采用計算的方法行選取。鋼梁加工過程中，由于翼緣與
腹板間采用通長焊縫，因而部分鋼梁產(chǎn)生的拱形變形超過了規(guī)范要求。對這些鋼梁的矯正本
人是通過計算來確定加熱的寬度的。舉個例子，鋼梁如下圖所示：僅采用一處加熱時所需的
加熱區(qū)寬度計算：
當(dāng)鋼梁矯正平直時其邊緣應(yīng)變量
當(dāng)烤熱區(qū)設(shè)在量高度的1／2～2／3之間時，變形量應(yīng)增加一倍左右，則Δ達(dá)到1．56mm
，所在加熱區(qū)寬度
為了使矯正效果均勻，在中央和鋼梁四分點(diǎn)處共燒烤三點(diǎn)，兩側(cè)點(diǎn)的外伸長度為1／4L
，并且將外側(cè)兩點(diǎn)的作用折算成一點(diǎn)，因此每個加熱區(qū)的寬度應(yīng)為76mm左右。由于可見加熱
區(qū)的布置位置是通過構(gòu)件變形的范圍來確定的，范圍大的，如上例中的鋼梁，變形在整個梁
長度范圍內(nèi)產(chǎn)生，加熱區(qū)的數(shù)量也要增多并且分布在變形的主要控制點(diǎn)上，以使變形得到均
勻的調(diào)整。對于一些小范圍變形，通過采用一處加熱即可達(dá)到矯正要求。
綜上所述，雖然火焰矯正法在操作要求和工藝上有著獨(dú)特之處，但是只要我們對其工作
原理有了深刻的認(rèn)識，就可以運(yùn)用自如，簡單地說就是通過利用高于鋼材彈性強(qiáng)度的外力作
用于鋼材變形處，使構(gòu)件變形的凸面處內(nèi)部長纖維受壓塑性縮短，使凹面內(nèi)處部短纖維受拉
塑性伸長，形成與原變形方向相反的新塑性變形，來達(dá)到矯正的目的。
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